場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路，包括場致發(fā)射電子源，還包括脈沖信號輸入端、保護(hù)電阻、可調(diào)電阻以及開關(guān)管；所述脈沖信號輸入端與所述保護(hù)電阻的一端連接，用于輸入脈沖信號；所述保護(hù)電阻的另一端連接所述開關(guān)管的控制端，所述開關(guān)管的低壓端接地，所述開關(guān)管的高壓端與所述可調(diào)電阻的一端連接，所述可調(diào)電阻的另一端連接所述場致發(fā)射電子源的場發(fā)射陰極，所述場致發(fā)射電子源的柵控門極用于連接直流電源。本發(fā)明在IGBT的輸入極（即柵極）接入保護(hù)電阻，當(dāng)有過沖電流時(shí)，保護(hù)電阻兩端電壓增大，IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓減小，從而抑制電流過沖。
【專利說明】場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及場致發(fā)射裝置，特別是涉及一種場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線源是計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件之一，一定程度上決定著CT系統(tǒng)的成像方式與成像性能。傳統(tǒng)X射線源采用熱陰極作為電子源，通過熱電子發(fā)射的方式產(chǎn)生電子束。陰極在加熱到1000°c以上的溫度時(shí)，大量的電子獲得大于發(fā)射體表面勢壘的動能而逸出。這種X射線管體積較大、頻率響應(yīng)慢，且需要加熱陰極的電源，由于熱陰極工作溫度高、功耗大等原因，不易于實(shí)現(xiàn)單個(gè)X射線源內(nèi)集成多個(gè)陰極，也不利于X射線源的小型化。
[0003]以碳納米管為陰極材料的場致發(fā)射X射線源能夠克服以上局限性。場致發(fā)射是利用強(qiáng)電場在固體表面上形成隧道效應(yīng)而將固體內(nèi)部的電子拉到真空中，是一種實(shí)現(xiàn)大功率高密度電子流的方法。場致發(fā)射X射線源采用場致發(fā)射陰極作為電子源，通過場致電子發(fā)射的方式產(chǎn)生電子束，在外加電場的作用下，陰極表面勢壘的高度降低、寬度變窄，發(fā)射體內(nèi)的大量電子由于量子隧道效應(yīng)穿透表面勢壘而逸出。相比傳統(tǒng)熱電子發(fā)射X射線源而言，碳納米管X射線源采用冷陰極電子發(fā)射具有高時(shí)間分辨率、可編程式發(fā)射等優(yōu)勢，且可以制成多光束X射線源，避免了單個(gè)源對應(yīng)單個(gè)陽極靶的機(jī)械掃描轉(zhuǎn)動，可進(jìn)行靜態(tài)X射線CT成像。
[0004]由于動態(tài)X射線CT成像需要短的曝光時(shí)間，以減少運(yùn)動偽影，所以需要進(jìn)行短時(shí)間的脈沖發(fā)射，這就需要給X射線源的場發(fā)射電子源提供具有一定占空比的脈沖高電壓。
[0005]傳統(tǒng)的脈沖高壓多數(shù)是由超高壓脈沖電源提供，而超高壓脈沖電源不僅制作成本高，而且由其提供的脈沖高壓的精度和穩(wěn)定度非常難實(shí)現(xiàn)。一種新的場發(fā)射脈沖控制方法是用低壓脈沖信號控制高壓電路來實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)射的目的，這種方法將控制場發(fā)射的低壓脈沖通過開關(guān)器件接到樣品的陰極，當(dāng)給開關(guān)器件的控制端提供一定的電壓，便可以在電子槍的柵極和陰極間形成完整的通路，從而使得陰極能夠發(fā)射出電子，在陽極靶上形成焦點(diǎn)，并產(chǎn)生X射線束。采用這種方法只需要提供超高壓直流電源，就可以通過用低壓信號控制高壓信號的方法來實(shí)現(xiàn)場發(fā)射X射線源的脈沖發(fā)射控制。
[0006]然而這種方法在開關(guān)器件導(dǎo)通的瞬間可能會存在瞬時(shí)高壓漏電，導(dǎo)致電流過沖現(xiàn)象，可能會對場致發(fā)射X射線源的陰極材料造成破壞。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]基于此，有必要提供一種能夠解決電流過沖問題的場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路。
[0008]一種場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路，包括場致發(fā)射電子源，還包括脈沖信號輸入端、保護(hù)電阻、可調(diào)電阻以及開關(guān)管；所述脈沖信號輸入端與所述保護(hù)電阻的一端連接，用于輸入脈沖信號；所述保護(hù)電阻的另一端連接所述開關(guān)管的控制端，所述開關(guān)管的低壓端接地，所述開關(guān)管的高壓端與所述可調(diào)電阻的一端連接，所述可調(diào)電阻的另一端連接所述場致發(fā)射電子源的場發(fā)射陰極，所述場致發(fā)射電子源的柵控門極用于連接直流電源。
[0009]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述保護(hù)電阻是第一可調(diào)電位器，所述可調(diào)電阻是第二可調(diào)電位器；所述第一可調(diào)電位器的最大阻值大于10千歐姆。
[0010]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一可調(diào)電位器的最大阻值為1000千歐姆。
[0011]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述開關(guān)管是絕緣柵雙極型晶體管，所述控制端是絕緣柵雙極型晶體管的柵極，所述高壓端是絕緣柵雙極型晶體管的集電極，所述低壓端是絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極。
[0012]在其中一個(gè)實(shí)施例中，還包括接于所述脈沖信號輸入端與所述保護(hù)電阻之間的升壓模塊，用于提升所述脈沖信號輸入端輸入的脈沖信號的電壓。
[0013]上述場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路，在IGBT的輸入極(即柵極)接入保護(hù)電阻，當(dāng)有過沖電流時(shí)，保護(hù)電阻兩端電壓增大，IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓減小，從而抑制電流過沖。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是一實(shí)施例中場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路的電路原理圖；
[0015]圖2是保護(hù)電阻Rl的阻值為0歐姆時(shí)，場致發(fā)射X射線源高壓回路的電流波形圖；
[0016]圖3是保護(hù)電阻Rl的阻值為10千歐姆時(shí)，場致發(fā)射X射線源高壓回路的電流波形圖；
[0017]圖4是保護(hù)電阻Rl的阻值為180千歐姆時(shí)，場致發(fā)射X射線源高壓回路的電流波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為使本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)的說明。
[0019]圖1是一實(shí)施例中場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路的電路原理圖，包括脈沖信號輸入端、升壓模塊10、保護(hù)電阻R1、開關(guān)管20、可調(diào)電阻R2、場致發(fā)射電子源30。
[0020]脈沖信號輸入端用于輸入脈沖信號，其通過升壓模塊10與保護(hù)電阻Rl的一端連接。保護(hù)電阻Rl的另一端連接開關(guān)管20的控制端，開關(guān)管20的低壓端接地，高壓端與可調(diào)電阻R2的一端連接，可調(diào)電阻R2的另一端連接場致發(fā)射電子源30的場發(fā)射陰極32，場致發(fā)射電子源30的柵控門極34用于連接高壓直流電源。其中，為了使場致發(fā)射電子源30能夠工作(利用強(qiáng)電場在固體表面上形成隧道效應(yīng)而將固體內(nèi)部的電子拉到真空中)，高壓直流電源需要夠提供電壓高達(dá)數(shù)千伏特的直流電。
[0021]在本實(shí)施例中，采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate BipolarTransistor，簡稱IGBT)作為低壓脈沖控制高壓電路的開關(guān)管。在其他實(shí)施例中，開關(guān)管20也可以采用其它器件，例如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(M0SFET，簡稱MOS管)。使用IGBT作為開關(guān)器件，具有控制驅(qū)動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn)，能夠獲得較快的開關(guān)速度和較強(qiáng)的載流能力。[0022]在本實(shí)施例中，通過用Verilog語言編程得到的FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)，來獲得脈沖信號輸入端輸入的脈沖信號。因FPGA輸出的該脈沖信號只有3.3V的電壓,而用于控制高壓電路通斷的IGBT的開啟電壓在5-15伏之間，所以為了使IGBT正常工作，需要設(shè)置升壓模塊10以提升脈沖信號的電壓。本實(shí)施例選用驅(qū)動芯片IR2104(s)，其工作電壓為10-20V，可以將FPGA輸出的脈沖信號由原來的3.3V提升到12V。在其它實(shí)施例中也可以根據(jù)實(shí)際需求選用本領(lǐng)域習(xí)知的其它升壓電路。
[0023]上述場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路接好通電后，改變脈沖信號輸入端輸入的脈沖信號的占空比，即可控制場發(fā)射電子源的發(fā)射時(shí)長。保護(hù)電阻Rl選擇適當(dāng)?shù)淖柚?，即可有效抑制場發(fā)射電子源的脈沖過沖。在本實(shí)施例中，為了便于為保護(hù)電阻Rl選擇合適的阻值，用一個(gè)可調(diào)電位器作為保護(hù)電阻Rl。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2的阻值即可改變場發(fā)射電子源的電流大小，本實(shí)施例中可調(diào)電阻R2同樣為一個(gè)可調(diào)電位器。
[0024]為了抑制電流脈沖的過沖，上述場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路在IGBT的輸入極(即柵極)接入保護(hù)電阻R1，當(dāng)有過沖電流時(shí)，保護(hù)電阻Rl兩端電壓增大，對IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓進(jìn)行分壓，從而抑制電流過沖。通過調(diào)節(jié)保護(hù)電阻Rl的阻值，就可以得到最優(yōu)化的脈沖波形。
[0025]可以理解的，為了獲得保護(hù)效果，保護(hù)電阻Rl的阻值必須足夠大。在一個(gè)實(shí)施例中，Rl和R2的最大阻值均大于10千歐姆。優(yōu)選的，Rl和R2的最大阻值為1000千歐姆。
[0026]以上是通過本發(fā)明的場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路應(yīng)用于X射線源發(fā)射控制場合來進(jìn)行說明，但上述場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路的應(yīng)用不限于X射線源發(fā)射控制場合，也可應(yīng)用于作為電子場發(fā)射控制的場合。例如:某些場發(fā)射樣品測試應(yīng)用中，要求驅(qū)動電源具有較高的輸出電壓，如果采用持續(xù)的直流高壓驅(qū)動，會導(dǎo)致陰極溫度升高，而且持續(xù)發(fā)射電子的冷陰極發(fā)射性能會不斷下降，這時(shí)就需要一定頻率和占空比的脈沖發(fā)射控制。
[0027]發(fā)明人通過實(shí)驗(yàn)對上述場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路的效果進(jìn)行驗(yàn)證。由FPGA輸出高電平I毫秒，占空比為1/1000的脈沖信號，將可調(diào)電阻R2調(diào)到1000千歐姆，高壓直流電源輸出3千伏電壓，用專用電流探頭和示波器檢測IGBT的集電極C點(diǎn)的電流波形。圖
2、圖3、圖4分別為保護(hù)電阻Rl的阻值為0歐姆、10千歐姆、180千歐姆時(shí)，用示波器測出的場致發(fā)射X射線源高壓回路的電流波形圖。通過調(diào)節(jié)保護(hù)電阻Rl從0歐姆到180千歐姆，可以看到隨著Rl阻值的增大，電流波形過沖逐漸減小，說明接入保護(hù)電阻Rl并選擇合適的阻值，可以有效抑制場致發(fā)射X射線源高壓回路的電流過沖現(xiàn)象，對場致發(fā)射電子源進(jìn)行保護(hù)。
[0028]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路，包括場致發(fā)射電子源，其特征在于，還包括脈沖信號輸入端、保護(hù)電阻、可調(diào)電阻以及開關(guān)管； 所述脈沖信號輸入端與所述保護(hù)電阻的一端連接，用于輸入脈沖信號；所述保護(hù)電阻的另一端連接所述開關(guān)管的控制端，所述開關(guān)管的低壓端接地，所述開關(guān)管的高壓端與所述可調(diào)電阻的一端連接，所述可調(diào)電阻的另一端連接所述場致發(fā)射電子源的場發(fā)射陰極，所述場致發(fā)射電子源的柵控門極用于連接直流電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路，其特征在于，所述保護(hù)電阻是第一可調(diào)電位器，所述可調(diào)電阻是第二可調(diào)電位器；所述第一可調(diào)電位器的最大阻值大于10千歐姆。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路，其特征在于，所述第一可調(diào)電位器的最大阻值為1000千歐姆。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路，其特征在于，所述開關(guān)管是絕緣柵雙極型晶體管，所述控制端是絕緣柵雙極型晶體管的柵極，所述高壓端是絕緣柵雙極型晶體管的集電極，所述低壓端是絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場致發(fā)射電子源的驅(qū)動控制電路，其特征在于，還包括接于所述脈沖信號輸入端與所述保護(hù)電阻之間的升壓模塊，用于提升所述脈沖信號輸入端輸入的脈沖信號的電壓。
【文檔編號】H01J35/02GK103531421SQ201310476396
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】陳垚, 鄭海榮, 胡信菊, 曾成志, 李彥明, 張其陽, 洪序達(dá) 申請人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院