CN106981409A - X射线源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子发射领域。本发明提供了一种X射线源装置。该X射线源装置包括三极式X射线源、真空腔、真空泵机组、阳极高压电源、栅极高压及脉冲驱动单元、真空环境监测单元和控制平台。三极式X射线源设置于真空腔内，三极式X射线源由阴极、栅极和阳极组成。并且阳极高压电源和栅极高压及脉冲驱动单元经真空腔法兰分别连接至三极式X射线源的阳极与栅极，三极式X射线源阴极接地。真空环境监测单元和真空泵机组分别经不同法兰连接至真空腔。该装置可以实现阴极测试与老化过程的自动控制，并避免阴极老化过程中持续打火导致的阴极损坏，具有较强的实用性。本发明还提供了利用该装置防止在冷阴极X射线源测试与老化过程中持续打火的方法。

Description

X射线源装置

技术领域

本发明总体上涉及电子发射领域，更具体地涉及X射线源装置以及利用其防止在冷阴极X射线源测试与老化过程中持续打火的方法。

背景技术

X射线源作为计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)系统的关键核心部件之一，在一定程度上决定CT系统成像方式与成像性能。传统的X射线源采用热阴极作为电子源，由热电子发射方式产生电子束，在强电场作用下加速轰击阳极靶，通过电子的韧致辐射产生X射线。热阴极由于工作温度高、功耗大等原因，不利于X射线源的小型化和单个X射线源内集成多个阴极。而且，热电子发射时间的延长性，导致传统X射线源难以实现高时间分辨和可编程的X射线发射。采用冷阴极的场致发射X射线源，通过场致电子发射的方式产生电子束，场致发射阴极工作温度低、功耗小，易于集成。同时，由于场致电子发射不存在时间延迟性，采用冷阴极的场致发射X射线源可实现高时间分辨和可编程X射线发射。冷阴极作为一种新型阴极材料，同样存在发射电流稳定性和高压打火问题，因此需要开发一套针对阴极测试与老化阶段的场发射X射线源装置。现有的冷阴极测试与老化装置分为两种，一种真空腔采用开放式，外加真空泵维持真空环境，阴极可以替换，装置可重复使用；另一种，直接封装成玻璃或者陶瓷球管进行测试，阴极不可替换，阴极打火损坏后不能重复使用。

现有技术中第一种方式真空腔采用开放式，虽然阴极可以替换，但是整个装置自动化控制程度不高，不能有效的避免阴极持续打火导致的损坏。另外一种采用直接封装方式，虽然成本比第一种低，但是一旦在测试与老化过程中阴极打火损坏，整个球管将报废。

有鉴于此，需要开发一种新的技术来克服这些缺陷。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种X射线源装置，针对冷阴极X射线源，在测试与老化阶段采用逐步提高阳极高压、阴极脉冲式电子发射、实时监测真空度等方式，以实现阴极测试与老化过程的自动控制，并避免阴极老化过程中持续打火导致的阴极损坏。

在本发明的一个方面，提供了一种X射线源装置，其可以包括三极式X射线源、真空腔、真空泵机组、阳极高压电源、栅极高压及脉冲驱动单元、真空环境监测单元和控制平台，所述三极式X射线源可以设置于所述真空腔内，由阴极、栅极和阳极组成，并且所述阳极高压电源经所述真空腔的第一法兰连接至所述三极式X射线源的所述阳极，所述栅极高压及脉冲驱动单元经经所述真空腔的第二法兰连接至所述三极式X射线源的所述栅极，所述三极式X射线源的所述阴极接地，所述真空环境监测单元经所述真空腔的第三法兰连接至所述真空腔，所述真空泵机组经所述真空腔的第四法兰连接至所述真空腔，所述控制平台经通讯线缆分别连接至所述阳极高压电源、所述真空环境监测单元和所述栅极高压及脉冲驱动单元。

在一种实施方案中，所述栅极高压及脉冲驱动单元可以制成一个整体。所述栅极高压及脉冲驱动单元可以包括栅极高压电源和脉冲驱动单元，所述脉冲驱动单元的第一端可以与所述真空腔连接，第二端可以与所述栅极高压电源连接，并且第三端与所述控制平台连接；所述栅极高压电源的一端可以与所述脉冲驱动单元的第二端连接，而所述栅极高压电源的另一端可以与所述控制平台连接。

在一种实施方案中，所述阴极可以为生长在金属衬底上的碳纳米管，所述栅极为定制栅网，所述栅极与所述阴极之间的距离介于100μm和200μm之间，所述阳极采用具有一定倾角的钨靶，所述阳极与所述栅极之间的距离介于3厘米和8厘米之间；所述真空腔是定制的，并通过所述真空泵机组维持所述真空腔内的真空度介于10^-6Pa与10^-4Pa之间。

在一种实施方案中，所述栅极与所述阴极之间的距离可以为100μm左右，所述倾角介于10度和15度之间，所述真空度为10^-5Pa左右，所述阳极与所述栅极之间的距离为5厘米左右。

在一种实施方案中，所述脉冲驱动单元可以采用自行设计的电路，可以包括低压脉冲驱动模块和高压切换模块，所述低压脉冲驱动模块用于产生高压切换模块的驱动信号，所述高压切换模块可以用于把所述栅极高压电源持续输出高压调节为脉冲式输出；所述阴极经所述真空腔引出后接地。

在一种实施方案中，所述真空泵机组可以由前级机械泵和分子泵组成，以用于维持所述真空腔的真空环境。

在一种实施方案中，在所述阳极高压电源和所述三极式场发射电子源阳极之间可以串联有高压电阻，所述栅极高压及脉冲驱动单元和所述三极式场发射电子源栅极之间可以串联有高压电阻。所述高压电阻可以为玻璃釉棒状高压电阻器。

在一种实施方案中，所述真空环境监测单元可以包括真空计和真空电离规管，所述真空电离规管的测量端经所述第三法兰嵌入所述真空腔中，引出的电极端连接所述真空计。

在一种实施方案中，所述控制平台可以与所述阳极高压电源、所述栅极高压及脉冲驱动单元、以及真空检测单元进行通讯连接，并且所述控制平台可以采用LabVIEW上位机软件进行集成控制。

在本发明的另一个方面，提供了一种利用上述的X射线源装置防止在冷阴极X射线源测试与老化过程中持续打火的方法，其可以包括以下步骤：首先，通过所述栅极高压及脉冲驱动单元把加载在所述三极式X射线源的所述栅极与所述阴极之间的持续高压调节为脉冲式高压，以降低打火时所述阴极与所述栅极之间的过长的接触时间；其次，当打火现象产生时，所述真空腔内的残余气体发生电离，导致所述真空度急剧上升，所述真空环境监测单元检测到所述真空腔内的真空度的变化情况，并反馈给所述控制平台，再由所述控制平台的上位机软件判断本次打火是否超过所述阴极的承受范围，当所述真空度的波动范围超过预定的阈值范围时，则由所述控制平台的上位机软件发送指令给所述阳极高压电源和栅极高压电源，暂停高压输出，且当所述真空度恢复到所述预定的阈值范围时，先重启所述栅极高压电源的输出，然后使所述阳极的电压以逐步提升方式达到预设值，以有效地降低在同时施加阳极高压和栅极高压的瞬间发生再次打火的概率。

在一种实施方案中，整个过程可以采用动态反馈调节进行自动控制，以有效地避免持续打火导致的损坏，并减少人员操作时间。

在一种实施方案中，所述阳极高压电源可以提供160kV以下的电压、30mA以下的电流；所述栅极高压电源可以提供5kV以下的电压、200mA以下的电流。

在一种实施方案中，工作时可以先开启所述真空泵机组的前级机械泵，由该机械泵将所述真空腔的真空度抽排至介于0Pa和100Pa之间，优选10Pa左右，然后再开启所述真空泵机组的分子泵，经过一段时间的抽取维持所述真空腔的真空度在介于10^-6Pa与10^-4Pa之间，优选10^-5Pa左右。

本发明的一些方面也可以描述如下：(1)本发明针对的是冷阴极X射线源，具体实施中阴极材料采用碳纳米管阴极作为电子发射源；(2)X射线源采用三极式结构，由场发射阴极、栅极和阳极组成。其中，阳极由阳极高压电源引出，栅极由栅极高压电源引出，阴极接地。(3)栅极高压电源采用恒压直流电源，用于加载到栅极上，提供激发阴极电子逸出所需能量。(4)脉冲驱动单元用于把栅极高压电源持续输出的恒流高压调节为脉冲式输出，具体实施可以采用高压切换器或者自主进行电路设计；(5)阳极高压电源用于加速阴极逸出的电子束轰击阳极靶，通过电子的韧致辐射过程产生X射线。(6)真空环境监测单元主要由真空计与真空电离规管组成，用于监测X射线源装置中的真空度；(7)阳极高压电源、真空环境监测单元、栅极高压电源和脉冲驱动单元都与控制平台进行通讯连接，并进行集成控制，具体实施可采用LabVIEW上位机控制平台。(8)真空腔按照设计需求进行定制，用于提供冷阴极X射线源阴极材料测试与老化过程的真空实验条件。(9)真空泵机组由前级机械泵和分子泵组成，用于维持真空腔的真空环境。

本发明针对现有技术的缺陷设计了一套开放式X射线源装置，采用自动化的控制方法，避免阴极持续打火导致的损坏。更具体而言，本发明的优点主要体现在：(1)本发明X射线源装置采用开放式，相对于直接封装成球管方式，不需要球管封装所涉及的复杂工艺，并且装置可以重复使用，尤其在冷阴极X射线源测试与老化阶段，提高工作效率。(2)本发明相对于现有的开放式冷阴极X射线源装置，通过外加脉冲驱动单元，以及真空环境监测单元，并采用集成控制方式，实现测试与老化过程的自动控制，有效的避免阴极持续打火导致的损坏。

附图说明

图1为根据一实施方式示出的X射线源装置整体结构的示意图。

图2为根据一实施方式示出的X射线源装置整体结构的另一示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。在下文所描述的本发明的具体实施例中，为了能更好地理解本发明而描述了一些很具体的技术特征，但显而易见的是，对于本领域的技术人员来说，并不是所有的这些技术特征都是实现本发明的必要技术特征。下文所描述的本发明的一些具体实施例只是本发明的一些示例性的具体实施例，其不应被视为对本发明的限制。另外，为了避免使本发明变得难以理解，对于一些公知的技术没有进行描述。

图1示出了X射线源装置的整体结构，其包括如图所示连接的三极式X射线源110、真空腔610、真空泵机组710、阳极高压电源510、栅极高压及脉冲驱动单元310、真空环境监测单元810和控制平台410。真空腔610有4个法兰911-914。X射线源装置还包括连接在回路中的高压电阻210和高压电阻220。

三极式X射线源110由阴极110a、栅极110c和阳极110b组成，阴极110a为生长在金属衬底上的碳纳米管，栅极110c为定制栅网，栅极110c与阴极110a距离100μm左右，阳极采用具有一定倾角的钨靶，阳极与栅极相距几厘米；三极式X射线源110放置在定制的真空腔610中，并由真空泵机组710持续抽取真空腔610内剩余空气，维持真空腔610内真空度在10^{- 5}Pa左右。

三极式X射线源110的阳极引出线经真空腔610的法兰接阳极高压电源510，并在高压电源前串联一个高压电阻，具体可采用玻璃釉棒状高压电阻器，高压电源最高提供电压160kV、电流30mA；栅极引出线同样经过真空腔610法兰串联高压电阻后接入栅极高压及脉冲驱动单元310，栅极高压电源最高提供电压5kV、电流200mA，脉冲驱动单元可以采用自行设计的电路，包括低压脉冲驱动模块和高压切换模块，低压脉冲驱动模块用于产生高压切换模块的驱动信号，高压切换模块用于把栅极高压电源持续输出高压调节为脉冲式输出；阴极引出线经真空腔610的法兰912引出后接地。

真空泵机组710由前级机械泵和分子泵组成，工作时先开启前级机械泵，由该机械泵把真空腔610的真空度抽至10Pa左右，然后再开启分子泵，经过一段时间的抽取维持真空度在10^-5Pa左右。

真空环境监测单元810包括真空计和真空电离规管，真空电离规管测量端经真空腔610的法兰913嵌入真空腔610中，引出的电极端接真空计。

控制平台410与阳极高压电源510、栅极高压及脉冲驱动单元310、真空环境监测单元810进行通讯连接，并采用LabVIEW上位机平台进行集成控制，以解决冷阴极X射线源测试与老化过程中持续打火导致的阴极损坏问题。

冷阴极X射线源测试与老化过程中防止持续打火的控制方法如下：冷阴极X射线源在加高压时，由于所采用的阴极材料碳纳米管在强电场的作用下，由自然生长时的状态改变为沿着栅极方向被拉直，导致部分过长的碳纳米管会碰触到栅极，引起打火。瞬时打火可以烧掉过长的碳纳米管，起到老化作用，但是持续打火则会造成阴极损坏。本发明提供的X射线源装置可以避免上述持续打火造成的阴极损坏。首先通过栅极高压及脉冲驱动单元310可以把加载在三极式X射线源110栅极与阴极间持续高压调节为脉冲式高压，降低打火时过长的碳纳米管与栅极接触时间。其次，当打火现象产生时，真空腔610内残余气体发生电离，导致真空度急剧上升；真空环境监测单元810检测到真空度变化情况，然后反馈给控制平台410，再由控制平台410上位机软件进行判断本次打火是否超过阴极承受范围；当真空度波动范围过大，有持续打火风险时，由控制平台410的上位机软件发送指令给阳极高压电源510和栅极高压电源，关闭高压输出；当真空度恢复正常水平时，先重启栅极高压输出，然后阳极电压采用逐步提升方式达到预设值，有效的降低同时施加阳极高压和栅极高压的瞬间发生再次打火的概率。整个过程采用动态反馈调节进行自动控制，能够有效的避免持续打火导致的阴极损坏，并减少人员操作时间。

图2为根据一实施方式示出的X射线源装置整体结构的另一示意图。在图2中，栅极高压及脉冲驱动单元310包括脉冲驱动单元310a和栅极高压电源310b。脉冲驱动单元310a的三端分别连接至真空腔610、栅极高压电源连接310b和控制平台410。栅极高压电源310b的两端分别连接脉冲驱动单元310a和控制平台410。

本发明关键点主要针对冷阴极X射线源测试与老化阶段，发明一种X射线源装置能够有效的避免持续打火导致的阴极损坏。本发明保护点主要包括所述X射线源装置及上述防止阴极持续打火的控制方法。

本发明在基于碳纳米管的冷阴极X射线源测试与老化阶段已经经过长时间使用，装置运行安全可靠，可以达到预期效果。本发明还可以适用于类似碳纳米管的冷阴极X射线源测试与老化装置。

尽管已经根据优选的实施方案对本发明进行了说明，但是存在落入本发明范围之内的改动、置换以及各种替代等同方案。还应当注意的是，存在多种实现本发明的方法和系统的可选方式。因此，意在将随附的权利要求书解释为包含落在本发明的主旨和范围之内的所有这些改动、置换以及各种替代等同方案。

Claims (10)

1.一种X射线源装置，其特征在于：

其包括三极式X射线源、真空腔、真空泵机组、阳极高压电源、栅极高压及脉冲驱动单元、真空环境监测单元和控制平台，并且

所述三极式X射线源设置于所述真空腔内，由阴极、栅极和阳极组成，并且所述阳极高压电源经所述真空腔的第一法兰连接至所述三极式X射线源的所述阳极，所述栅极高压及脉冲驱动单元经经所述真空腔的第二法兰连接至所述三极式X射线源的所述栅极，所述三极式X射线源的所述阴极接地，所述真空环境监测单元经所述真空腔的第三法兰连接至所述真空腔，所述真空泵机组经所述真空腔的第四法兰连接至所述真空腔，所述控制平台经通讯线缆分别连接至所述阳极高压电源、所述真空环境监测单元和所述栅极高压及脉冲驱动单元。

2.根据权利要求1所述的X射线源装置，其特征在于：所述栅极高压及脉冲驱动单元包括栅极高压电源和脉冲驱动单元，且

所述脉冲驱动单元的第一端与所述真空腔连接，第二端与所述栅极高压电源连接，并且第三端与所述控制平台连接；

所述栅极高压电源的一端与所述脉冲驱动单元的第二端连接，而所述栅极高压电源的另一端与所述控制平台连接。

3.根据权利要求2所述的X射线源装置，其特征在于：所述阴极为生长在金属衬底上的碳纳米管，所述栅极为定制栅网，所述栅极与所述阴极之间的距离介于100μm和200μm之间，所述阳极采用具有一定倾角的钨靶，所述阳极与所述栅极之间的距离介于3厘米和8厘米之间；并且通过所述真空泵机组维持所述真空腔内的真空度介于10^-6Pa与10^-4Pa之间。

4.根据权利要求3所述的X射线源装置，其特征在于：所述栅极与所述阴极之间的距离为100μm，所述倾角介于10度和15度之间，所述真空度为10^-5Pa，所述阳极与所述栅极之间的距离为5厘米。

5.根据权利要求1所述的X射线源装置，其特征在于：所述脉冲驱动单元采用自行设计的电路，包括低压脉冲驱动模块和高压切换模块，所述低压脉冲驱动模块用于产生高压切换模块的驱动信号，所述高压切换模块用于把所述栅极高压电源持续输出高压调节为脉冲式输出；所述阴极经所述真空腔引出后接地。

6.根据权利要求1所述的X射线源装置，其特征在于：所述真空泵机组由前级机械泵和分子泵组成，以用于维持所述真空腔的真空环境，在所述阳极高压电源和所述第一法兰之间串联有高压电阻，所述栅极高压及脉冲驱动单元和所述第二法兰之间串联有高压电阻，所述高压电阻为玻璃釉棒状高压电阻器。

7.根据权利要求6所述的X射线源装置，其特征在于：所述真空环境监测单元包括真空计和真空电离规管，所述真空电离规管的测量端经所述第三法兰嵌入所述真空腔中，引出的电极端连接所述真空计。

8.根据权利要求1所述的X射线源装置，其特征在于：所述控制平台与所述阳极高压电源、所述栅极高压及脉冲驱动单元、以及真空检测单元进行通讯连接，并且所述控制平台采用LabVIEW上位机软件进行集成控制。

9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的X射线源装置防止在冷阴极X射线源测试与老化过程中持续打火的方法，其特征在于包括以下步骤：

首先，通过所述栅极高压及脉冲驱动单元把加载在所述三极式X射线源的所述栅极与所述阴极之间的持续高压调节为脉冲式高压，以降低打火时所述阴极与所述栅极之间的过长的接触时间；

其次，当打火现象产生时，所述真空腔内的残余气体发生电离，导致所述真空度急剧上升时，所述真空环境监测单元检测到所述真空腔内的真空度的变化情况，并反馈给所述控制平台，再由所述控制平台的上位机软件判断本次打火是否超过所述阴极的承受范围，

当所述真空度的波动范围超过预定的阈值范围时，则由所述控制平台的上位机软件发送指令给所述阳极高压电源和栅极高压电源，暂停高压输出，

当所述真空度恢复到所述预定的阈值范围时，先重启所述栅极高压电源的输出，然后使所述阳极的电压以逐步提升方式达到预设值，以有效地降低同时施加阳极高压和栅极高压的瞬间发生再次打火的概率。

10.根据权利要求9所述的防止在冷阴极X射线源测试与老化过程中持续打火的方法，其特征在于整个过程采用动态反馈调节进行自动控制，以有效地避免持续打火导致的阴极损坏，并减少人员操作时间，其中，工作时先开启所述真空泵机组的前级机械泵，由该机械泵将所述真空腔的真空度抽排至介于0Pa和100Pa之间，然后再开启所述真空泵机组的分子泵，经过一段时间的抽取维持所述真空腔的真空度在介于10^-6Pa与10^-4Pa之间。