場致發(fā)射電子源的驅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、保護電阻、可調電阻以及開關管；所述脈沖信號輸入端與所述保護電阻的一端連接，用于輸入脈沖信號；所述保護電阻的另一端連接所述開關管的控制端，所述開關管的低壓端接地，所述開關管的高壓端與所述可調電阻的一端連接，所述可調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）接入保護電阻，當有過沖電流時，保護電阻兩端電壓增大，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)射電子源的驅動控制電路
【技術領域】
[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)射電子源的驅動控制電路。
【背景技術】
[0002]X射線源是計算機斷層掃描(CT)系統(tǒng)的關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)射的方式產生電子束。陰極在加熱到1000°c以上的溫度時，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，不易于實現單個X射線源內集成多個陰極，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)射是利用強電場在固體表面上形成隧道效應而將固體內部的電子拉到真空中，是一種實現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)射體內的大量電子由于量子隧道效應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，避免了單個源對應單個陽極靶的機械掃描轉動，可進行靜態(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間，以減少運動偽影，所以需要進行短時間的脈沖發(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)定度非常難實現。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現脈沖發(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器件接到樣品的陰極，當給開關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，并產生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現場發(fā)射X射線源的脈沖發(fā)射控制。
[0006]然而這種方法在開關器件導通的瞬間可能會存在瞬時高壓漏電，導致電流過沖現象，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)射電子源的驅動控制電路。
[0008]一種場致發(fā)射電子源的驅動控制電路，包括場致發(fā)射電子源，還包括脈沖信號輸入端、保護電阻、可調電阻以及開關管；所述脈沖信號輸入端與所述保護電阻的一端連接，用于輸入脈沖信號；所述保護電阻的另一端連接所述開關管的控制端，所述開關管的低壓端接地，所述開關管的高壓端與所述可調電阻的一端連接，所述可調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]在其中一個實施例中，所述保護電阻是第一可調電位器，所述可調電阻是第二可調電位器；所述第一可調電位器的最大阻值大于10千歐姆。
[0010]在其中一個實施例中，所述第一可調電位器的最大阻值為1000千歐姆。
[0011]在其中一個實施例中，所述開關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]在其中一個實施例中，還包括接于所述脈沖信號輸入端與所述保護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)射電子源的驅動控制電路，在IGBT的輸入極(即柵極)接入保護電阻，當有過沖電流時，保護電阻兩端電壓增大，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是一實施例中場致發(fā)射電子源的驅動控制電路的電路原理圖；
[0015]圖2是保護電阻Rl的阻值為0歐姆時，場致發(fā)射X射線源高壓回路的電流波形圖；
[0016]圖3是保護電阻Rl的阻值為10千歐姆時，場致發(fā)射X射線源高壓回路的電流波形圖；
[0017]圖4是保護電阻Rl的阻值為180千歐姆時，場致發(fā)射X射線源高壓回路的電流波形圖。
【具體實施方式】
[0018]為使本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0019]圖1是一實施例中場致發(fā)射電子源的驅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、保護電阻R1、開關管20、可調電阻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與保護電阻Rl的一端連接。保護電阻Rl的另一端連接開關管20的控制端，開關管20的低壓端接地，高壓端與可調電阻R2的一端連接，可調電阻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(利用強電場在固體表面上形成隧道效應而將固體內部的電子拉到真空中)，高壓直流電源需要夠提供電壓高達數千伏特的直流電。
[0021]在本實施例中，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管。在其他實施例中，開關管20也可以采用其它器件，例如金屬氧化物半導體場效應管(M0SFET，簡稱MOS管)。使用IGBT作為開關器件，具有控制驅動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點，能夠獲得較快的開關速度和較強的載流能力。[0022]在本實施例中，通過用Verilog語言編程得到的FPGA (現場可編程門陣列)，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，需要設置升壓模塊10以提升脈沖信號的電壓。本實施例選用驅動芯片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。在其它實施例中也可以根據實際需求選用本領域習知的其它升壓電路。
[0023]上述場致發(fā)射電子源的驅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)射時長。保護電阻Rl選擇適當的阻值，即可有效抑制場發(fā)射電子源的脈沖過沖。在本實施例中，為了便于為保護電阻Rl選擇合適的阻值，用一個可調電位器作為保護電阻Rl。調節(jié)可調電阻R2的阻值即可改變場發(fā)射電子源的電流大小，本實施例中可調電阻R2同樣為一個可調電位器。
[0024]為了抑制電流脈沖的過沖，上述場致發(fā)射電子源的驅動控制電路在IGBT的輸入極(即柵極)接入保護電阻R1，當有過沖電流時，保護電阻Rl兩端電壓增大，對IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓進行分壓，從而抑制電流過沖。通過調節(jié)保護電阻Rl的阻值，就可以得到最優(yōu)化的脈沖波形。
[0025]可以理解的，為了獲得保護效果，保護電阻Rl的阻值必須足夠大。在一個實施例中，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)射電子源的驅動控制電路應用于X射線源發(fā)射控制場合來進行說明，但上述場致發(fā)射電子源的驅動控制電路的應用不限于X射線源發(fā)射控制場合，也可應用于作為電子場發(fā)射控制的場合。例如:某些場發(fā)射樣品測試應用中，要求驅動電源具有較高的輸出電壓，如果采用持續(xù)的直流高壓驅動，會導致陰極溫度升高，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)明人通過實驗對上述場致發(fā)射電子源的驅動控制電路的效果進行驗證。由FPGA輸出高電平I毫秒，占空比為1/1000的脈沖信號，將可調電阻R2調到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點的電流波形。圖
2、圖3、圖4分別為保護電阻Rl的阻值為0歐姆、10千歐姆、180千歐姆時，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。通過調節(jié)保護電阻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象，對場致發(fā)射電子源進行保護。
[0028]以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種場致發(fā)射電子源的驅動控制電路，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、保護電阻、可調電阻以及開關管； 所述脈沖信號輸入端與所述保護電阻的一端連接，用于輸入脈沖信號；所述保護電阻的另一端連接所述開關管的控制端，所述開關管的低壓端接地，所述開關管的高壓端與所述可調電阻的一端連接，所述可調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.根據權利要求1所述的場致發(fā)射電子源的驅動控制電路，其特征在于，所述保護電阻是第一可調電位器，所述可調電阻是第二可調電位器；所述第一可調電位器的最大阻值大于10千歐姆。
3.根據權利要求2所述的場致發(fā)射電子源的驅動控制電路，其特征在于，所述第一可調電位器的最大阻值為1000千歐姆。
4.根據權利要求1所述的場致發(fā)射電子源的驅動控制電路，其特征在于，所述開關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.根據權利要求1所述的場致發(fā)射電子源的驅動控制電路，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 申請人:深圳先進技術研究院