CN112601339A - 调制脉冲x射线发射系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了一种调制脉冲X射线发射系统，包括：多栅控单元调制脉冲X射线管，包括阴极和阳极，其中所述阴极包括多个栅控电子发射模块，所述多个栅控电子发射模块通电后发射电子束轰击所述阳极，以产生X射线；分频叠加控制电路，与所述多个栅控电子发射模块分别电连接，以分别控制所述多个栅控电子发射模块中的每个栅控电子发射模块的电子束发射。申请中的发射系统拓宽了产生X射线脉冲的最大重复频率，提升了调制X射线源的信号发射速率，同时也保证了单个脉冲中具有较多的光子数，为一种发射高调制速率、多码元类别、高射线强度的调制X射线源。
Description
技术领域
本发明属于X射线发射技术领域，具体地，涉及一种调制脉冲X射线发射系统。
背景技术
X射线通信是一种以X射线为载波进行通信的方式。调制X射线源产生和调制信息相对应的脉冲X射线信号，经信道传输后，被探测端的X射线探测器接收探测，解调出原始信息。
当前调制X射线源仅能控制射线的有无，即只产生“0”，“1”信号，这使得当前的X射线通信仅能采用较为简单的调制方式，严重阻碍了通信质量的提升；现有技术中提出的使用多阳极靶制造多码元的方式需要在探测端对X射线能量进行识别，不适用于高速的X射线通信。同时，随着通信速率的增大，脉冲宽度变小，为保证通信质量，需要射线源的强度足够大，以保证每个脉冲中的光子数足够多，使通信误码率维持在较低水平。因此，设计一种高调制速率、多码元类别、高射线强度的调制X射线源具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请提出了一种新型调制脉冲X射线发射系统。包括：多栅控单元调制脉冲X射线管，包括阴极和阳极，其中所述阴极包括多个栅控电子发射模块，所述多个栅控电子发射模块通电后发射电子束轰击所述阳极，以产生X射线；分频叠加控制电路，与所述多个栅控电子发射模块分别电连接，以分别控制所述多个栅控电子发射模块中的每个栅控电子发射模块的电子束发射。
根据本申请的一个实施例，其中，所述分频叠加控制电路包括：信号分频模块，用于拆分由初始上位机加载的携带调制信息的初始信号序列为多个子序列信号；多个栅极控制电路，分别用于接收并调整所述多个子序列信号的幅度，使得所述幅度达到所述每个栅控电子发射模块截止电压的幅度，以使栅控电子发射模块产生与所述栅极控制电路输出序列相同的脉冲电压。
根据本申请的一个实施例，其中，输入所述栅极控制电路的所述子序列信号和输出所述栅极控制电路的序列信号的脉冲频率不高于所述初始信号的脉冲频率。
根据本申请的一个实施例，其中，所述栅极控制电路包括场效应管，当输入所述栅极控制电路的序列信号的电压大于或等于所述场效应管的开启电压时，所述场效应管导通，加载在所述多栅控单元调制脉冲X射线管的电压为0；当输入所述栅极控制电路的序列信号的电压小于所述场效应管的开启电压幅度时，所述场效应管不导通，输出电压为加载在所述场效应管上的直流电压，所述直流电压值和所述多栅控单元调制脉冲X射线管的截止电压值相等，以此产生控制栅控电子发射模块通断的脉冲序列。
根据本申请的一个实施例，其中，所述多栅控单元调制脉冲X射线管还包括：外壳，所述外壳包括铍窗和壳体，所述铍窗和壳体合围使内部形成空腔；所述阴极位于所述空腔的第一侧，所述阳极位于所述空腔的第二侧，且所述阳极与外部电源电连接，并与所述多个栅控电子发射模块之间形成电势差，使得所述电子束加速且定向移动轰击所述阳极，以产生X射线脉冲并从所述外壳的一侧穿过所述铍窗。
根据本申请的一个实施例，其中，所述阴极还包括阴极罩，所述阴极罩包括阴极窗口和罩体，所述阴极窗口、罩体与所述壳体，将所述多个栅控电子发射模块包围，所述多个电子发射模块发射的电子束定向穿过所述阴极窗口轰击所述阳极。
根据本申请的一个实施例，其中，所述多栅控单元调制脉冲X射线管还包括聚焦极，位于所述阴极和所述阳极之间，使穿过所述阴极窗口的电子束聚焦后轰击所述阳极。
根据本申请的一个实施例，其中，所述聚焦极为环状结构，所述电子束聚焦后穿过所述聚焦极中的中间开口部分轰击所述阳极。
根据本申请的一个实施例，其中，所述多个栅控电子发射模块中的每个栅控电子发射模块均包括：栅控单元，包括凹槽和栅极本体，所述分频叠加控制电路传导非负压/负压至所述栅控单元，使形成非负/负电场，以控制所述电子束是/否向阳极移动；多个灯丝接线柱，位于所述凹槽内，与所述分频叠加控制电路电连接；热灯丝，位于所述栅控单元凹槽内，端头与所述灯丝接线柱连接，以使得所述灯丝接线柱通电加热所述热灯丝后，使所述热灯丝发射电子。
根据本申请的一个实施例，其中，每个栅控电子发射模块结构相同，且环绕其中一个共用的所述灯丝接线柱排列为花瓣状。
本申请中涉及的多栅控单元调制脉冲X射线管，可以通过调制前端控制电路的信号输入，实现不同的脉冲发射效果：1)若将时序错开的脉冲信号分别作为输入，控制栅控单元，如图5.1所示，可以使产生X射线脉冲频率实现叠加，从而实现更高的X射线发射频率，同时由于电子堆积现象的存在，出射X射线脉冲强度也会获得提升，实现高重频、高强度的X射线脉冲发射；2)若将相同的控制信号分别加载到不同的栅控单元上，则可以通过控制加载信号的栅控单元数量，来产生不同的X射线脉冲强度，效果如图5.2，则可以通过简单的X射线强度判别来区分不同的码元，可以实现实时有效的多码元调制脉冲发射。
本申请中的发射系统拓宽了产生X射线脉冲的最大重复频率，提升了调制X射线源的信号发射速率，同时也保证了单个脉冲中具有较多的光子数。为一种发射高调制速率、多码元类别、高射线强度的调制X射线源。且该X射线强度叠加不仅限于脉冲波形，每个电子发射单元均能独立产生任意电子强度波形，多个电子强度波形之间可以互相叠加，可以产生连续的X射线模拟信号波形。因此也就可以在X射线上承载更复杂的信息，为之后高性能X射线通信奠定基础。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出根据本申请示例实施例的调制脉冲X射线发射系统的安装示意图。
图2示出根据本申请示例实施例的栅极控制电路的原理图。
图3示出根据本申请示例实施例的多栅控单元调制脉冲X射线管安装示意图。
图4.1示出根据本申请示例实施例的多个栅控电子发射模块的组装俯视图。
图4.2示出根据本申请示例实施例的多个栅控电子发射模块的组装截面图。
图5.1是各个栅控电子发射模块的X射线脉冲频率和最终出射的X射线脉冲频率叠加示意图。其中横坐标为时间，纵坐标为X射线强度。
图5.2是各个栅控电子发射模块的X射线脉冲强度和最终出射的X射线脉冲强度叠加示意图。其中横坐标为时间，纵坐标为X射线脉冲强度。
图6是通过增加栅极电压的截止时间增强瞬时电子脉冲的强度的实验数据图，其中横坐标为截止时间，纵坐标为脉冲强度。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明提供了一种调制脉冲X射线发射系统。图1示出根据本申请示例实施例的调制脉冲X射线发射系统的安装示意图。图2示出根据本申请示例实施例的栅极控制电路的原理图。图3为根据本申请示例实施例的多栅控单元调制脉冲X射线管安装示意图。图4.1示出根据本申请示例实施例的多个栅控电子发射模块的组装俯视图。图4.2示出根据本申请示例实施例的多个栅控电子发射模块的组装截面图。图5.1是各个栅控电子发射模块的X射线脉冲频率和最终出射的X射线脉冲频率叠加示意图。其中横坐标为时间，纵坐标为X射线强度。图5.2是各个栅控电子发射模块的X射线脉冲强度和最终出射的X射线脉冲强度叠加示意图。其中横坐标为时间，纵坐标为X射线脉冲强度。图6是通过增加栅极电压的截止时间增强瞬时电子脉冲的强度的实验数据图，其中横坐标为截止时间，纵坐标为脉冲强度。
由图1所示，本申请提供的调制脉冲X射线发射系统，包括多栅控单元调制脉冲X射线管A和分频叠加控制电路B。多栅控单元调制脉冲X射线管A包括阴极和阳极(图1中未示出)，阴极中包括多个栅控电子发射模块2.2。分频叠加控制电路B分别与多个栅控电子发射模块电连接，控制每个栅控电子发射模块的电子束发射。
如图1所示，分频叠加控制电路B包括信号分频模块和多个栅极控制电路。信号分频模块将由上位机加载的携带调制信息的初始信号拆分为多个子序列信号，并发送每个所述子序列信号至相应的所述每个栅极控制电路，使得每个栅极控制电路中产生相对应的脉冲电压，该脉冲电压加载至多栅控单元调制脉冲X射线管A中的栅控电子发射模块上，控制栅控电子发射模块发射对应的电子脉冲。
栅极控制电路在其中将子序列信号进行幅度调整，使该幅度达到栅控电子模块的截止电压，以使栅控电子发射模块产生与所述栅极控制电路序列相同的脉冲电压。
其中，输入所述栅极控制电路的所述子序列信号和输出所述栅极控制电路的序列信号的脉冲频率不高于所述初始信号的脉冲频率。
本申请中选用的是FPGA信号分频模块，该模块以FPGA开发板为硬件基础，通过编程开发实现对初始信号的分频控制。
如图2所示，栅极控制电路中的主要元件为场效应管。场效应管在此用作开关元件，将由分频处理获得的信息子序列作为触发电压，当子序列的幅度高于场效应管开启电压的幅度时，高耐压效应管导通，输出电压为0；当子序列的幅度低于场效应管的开启电压的幅度时，场效应管不导通，输出端电压与所加直流电压相同，其中直流电压大小等于栅控X射线管的截止电压，由此获得波形与子序列相同，幅度等同于截止电压的高压脉冲控制信号。
由图3所示，本申请提供的多栅控单元调制脉冲X射线管A，包括外壳1、阴极2、阳极3和聚焦极4。
由图3所示，其中外壳1包括壳体1.1和铍窗1.2，铍窗1.2嵌在外壳1.1上，并与外壳合围使内部形成空腔。在此空腔内，阴极2位于第一侧，阳极3位于第二侧，在阴极2和阳极3中设置有聚焦极4。另外，在阴极2的相对应地外壳1之外，设置有分频叠加控制电路，分频叠加控制电路穿过壳体1.1与阴极2电连接，以为阴极供电并控制阴极电子的发射。
图3中还示出了，阴极2包括阴极罩2.1和多个栅控电子发射模块2.2。其中阴极罩2.1又包括阴极窗口2.11和罩体(未示出)。阴极窗口2.11嵌入在罩体中，并与壳体1.1合围形成空腔，将多个栅控电子发射模块2.2包围其中。而相应地，分频叠加控制电路穿过壳体1.1与阴极2内的栅控电子模块2.2电连接，以为控制每个栅控电子发射模块的电子束发射。
由图3所示，聚焦极4为环状结构，中间具有开口部分，且呈现相对阴极的一方开口相对于相对阳极的一方的开口小。聚焦极4与外部电连接。本实施例中的聚焦极是环状的皮尔斯结构。其作用是通过改变空间的电场分布，使电子在透过聚焦极时，受到指向轴心的电场力，从而向中心汇聚，实现电子束聚焦。在结构上表现为简单的金属圆环形。
由图3所示，阳极3包括阳极体3.1和阳极靶3.2。阳极靶3.2可选用多种金属材质，如钨，铜，钼等数十种，所以在此不做限制。阴极是材质较为多样，只要是导电良好的金属即可，在此不做限制。阳极靶固定于阳极体上，阳极体上电连接，并传到电力至阳极靶上，产生正向电压，与阴极2中的多个电子发射模块形成电势差，吸引电子轰击阳极靶。
本申请中的多栅控单元调制脉冲X射线发射系统工作原理如下，分频叠加控制电路，控制阴极2中的每个栅控电子发射模块2.2的电子束发射，发射出的电子束定向依次穿过阴极窗口2.11、聚焦极4上环状开口后，轰击阳极靶3.2产生X射线，并穿过铍窗1.2后被探测。
进一步地，由图4.1所示，多个栅控电子发射模块2.2结构相同，并绕圆心均匀排列，呈花瓣形。图示中为4个栅控电子发射模块2.2，每一个呈中心角为90度的扇形。对于栅控电子发射模块2.2的数量，可以根据实际的需求进行设置，本申请可不做限制。更进一步地，对于栅控电子发射模块2.2的排列方式也不一定局限于花瓣形，也可以根据实际的需求状态进行调整。
由图4.1和图4.2所示，栅控电子发射模块2.2包括栅控单元2.21、多个灯丝接线柱2.22和热灯丝2.23。本实施例中的4个栅控电子发射模块2.2，围绕共用的一个灯丝接线柱2.22为圆心，形成花瓣形。
由图4.1和图4.2所示，其中，栅控单元2.21与上述的分频叠加控制电路电连接。栅控单元2.21包括栅极本体2.211和凹槽2.212，即凹槽2.212嵌入在栅极本体2.211中。且灯丝接线柱2.22也嵌入在凹槽中，另一灯丝接线柱2.22置于圆心处，热灯丝2.23的两端头连接灯丝接线柱2.22。而栅控电子发射模块2.2中的栅控单元2.21和多个灯丝接线柱2.22均与分频叠加控制电路相连。
分频叠加控制电路还包括栅极电压控制电极和灯丝接线柱电极。具体的，栅控单元2.21与栅极电压控制电极电连接，灯丝接线柱2.22与灯丝接线柱电极电连接。此连接目的为当灯丝接线柱电极外接控制电极加热灯丝接线柱2.22，使得两灯丝接线柱2.22中间的热灯丝2.23受热发射电子。而栅极电压控制电极外接控制电极与栅控单元2.21电连接，使栅控单元2.21产生零压、正压或负压，当栅控单元中电压为0伏或正压时，灯丝加热产生的电子在阳极高压的加速下飞向阳极，进而产生X射线。当栅控单元中电压为负值时，电子与栅控单元同为负电荷，电子受到栅控单元中的排斥力，无法穿过栅极轰击阳极，所以没有X射线产生。
因此通过栅极电压控制电极传导至栅控单元中的电压大小，控制栅控单元中的电场分布，使得控制电子是否向阳极移动，达到开启关闭电子束射出的作用。另外，灯丝接线柱电极可以通过控制灯丝接线柱中的电压控制热灯丝是否发射电子。因此，外接控制电极可以通过上述方法控制每个多栅控电子发射模块的电子束发射。
热灯丝材质多样，包括了钨、钨镧合金、晶体阴极等，由于本质上仅作为电子源，产生电子即可，所以在此不对材料做限制。
本申请中的聚焦极4中间开口部分、阴极窗口2.11和所述阳极靶3.2呈直线排列，即保证阴极发射的定向电子束穿过聚焦极窗被聚集成焦点后，直射在阳极靶上，以激发阳极靶3.2产生X射线。
在阳极靶3.2邻近位置，设置有铍窗1.2，使得产生的部分X射线，可以穿过铍窗1.2被检测。由此，铍窗1.2的数量和位置可以根据实际状态进行调节。
可选地，本申请中的X射线管结构不仅限于传统球管，阳极靶可为其他任意结构的X射线传输靶，实现电子-X射线的转换作用，射线管整体结构也可以为端窗式，透射型等。
本申请设置的结构，经过检测后具有以下的优势。如图5.1和5.2所示，图5.1是各个栅控电子发射模块的X射线脉冲频率和最终出射的X射线脉冲频率叠加示意图。其中横坐标为时间，纵坐标为X射线强度。图5.2是各个栅控电子发射模块的X射线脉冲强度和最终出射的X射线脉冲强度叠加示意图。其中横坐标为时间，纵坐标为X射线脉冲强度。
由5.1可知，若一个栅控电子发射模块发射电子束会有固定的时间间隔，那么多个栅控电子发射模块相互配合，会大大缩短栅控电子发射模块发射电子束的间隔时间，即增加了转化成的X射线的频率。同样地，由图5.2可知，如果栅控单元上加载的脉冲序列相同，则在同一时间各个栅控电子发射模块单元发射的脉冲强度会叠加在一起，相比单个栅控电子发射模块发射的X射线，其强度大幅度增加。
进一步地，如图6所示，栅控X射线源存在电子堆积发射效应，即：当栅极加载截止电压时，灯丝产生电子无法向阳极运动，将会堆积在栅极槽附近的空间内，在栅极电压高于截止电压时，栅极槽内堆积的电子将会和灯丝新产生的电子一同发射，在瞬时产生很强的电子脉冲强度，进而出现较强的X射线脉冲，在一定范围内，可以通过适当增加栅极电压的截止时间来增强瞬时电子脉冲的强度，经实验测试，强度最大可以达到稳定发射时电流强度的5倍以上。
因此如果想利用电子的堆积发射效应来提高X射线强度，需要让栅极控制信号具有较大的截止时间，即较低的脉冲重复频率，这样就会降低X射线通信的信号发射速度。
于是，本专利使用的结构通过FPGA信号分频模块，将初始信号拆分为频率更低的子序列，增大了栅极截止时间，提高了每个栅极控制电子发射模块的出射电子脉冲强度。同时，由于每个电子发射模块产生的子电子束，在时序上互相错位，经过聚焦结构后轰击阳极靶的同一位置，产生的X射线脉冲是多个子序列波形的叠加，同时实现了高速和高强度的X射线脉冲发射需求，解决了当前黑障区X射线通信面临的脉冲射线发射难题。
由于当前高阳极电压的栅控X射线管需要高达百伏的截止电压，如果仅使用一个栅控电路产生高速率的连续脉冲，会导致单个高耐压效应管开关元件的发热过高受损，所以使用分频处理后获得的脉冲频率降低，栅控电路稳定性会大大提升。
并且，利用本申请中的装置就可以对X射线进行更优化的控制。有效解决了现有技术中的调制X射线产生过程中的电子倍增过程和栅控过程中产生的电子时间弥散问题。本申请中的装置拓宽了产生X射线脉冲的最大重复频率，提升了调制X射线源的信号发射速率。为一种发射高调制速率、多码元类别的调制X射线源。且该X射线强度叠加不仅限于脉冲波形，每个电子发射单元均能独立产生任意电子强度波形，多个电子强度波形之间可以互相叠加，可以产生连续的X射线模拟信号波形。因此也就可以在X射线上承载更复杂的信息，为之后高性能X射线通信奠定基础。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种调制脉冲X射线发射系统，包括：
多栅控单元调制脉冲X射线管，包括阴极和阳极，其中所述阴极包括多个栅控电子发射模块，所述多个栅控电子发射模块通电后发射电子束轰击所述阳极，以产生X射线；
分频叠加控制电路，分别与所述多个栅控电子发射模块电连接，以分别控制所述多个栅控电子发射模块中的每个栅控电子发射模块的电子束发射。
2.根据权利要求1所述的调制脉冲X射线发射系统，其中，所述分频叠加控制电路包括：
信号分频模块，用于拆分由初始上位机加载的携带调制信息的初始信号序列为多个子序列信号；
多个栅极控制电路，用于接收并调整所述多个子序列信号的幅度，使得所述幅度达到所述每个栅控电子发射模块截止电压的幅度，以使栅控电子发射模块产生与所述栅极控制电路输出序列相同的脉冲电压。
3.如权利要求2所述的调制脉冲X射线发射系统，其中，输入所述栅极控制电路的所述子序列信号和输出所述栅极控制电路的序列信号的脉冲频率不高于所述初始信号序列的脉冲频率。
4.如权利要求3所述的调制脉冲X射线发射系统，其中，所述栅极控制电路包括场效应管，当输入所述栅极控制电路的序列信号的电压大于或等于所述场效应管的开启电压时，所述场效应管导通，加载在所述多栅控单元调制脉冲X射线管的电压为0；
当输入所述栅极控制电路的序列信号的电压小于所述场效应管的开启电压幅度时，所述场效应管不导通，输出电压为加载在所述场效应管上的直流电压，所述直流电压值和所述多栅控单元调制脉冲X射线管的截止电压值相等，以此产生控制栅控电子发射模块通断的脉冲序列。
5.如权利要求1-4任一所述的调制脉冲X射线发射系统，其中，所述多栅控单元调制脉冲X射线管还包括：
外壳，所述外壳包括铍窗和壳体，所述铍窗和壳体合围使内部形成空腔；
所述阴极位于所述空腔的第一侧，所述阳极位于所述空腔的第二侧，且所述阳极与外部电源电连接，并与所述多个栅控电子发射模块之间形成电势差，使得所述电子束加速且定向移动轰击所述阳极，以产生X射线脉冲并从所述外壳的一侧穿过所述铍窗。
6.如权利要求5所述的调制脉冲X射线发射系统，其中，所述阴极还包括阴极罩，所述阴极罩包括阴极窗口和罩体，所述阴极窗口、罩体与所述壳体，将所述多个栅控电子发射模块包围，所述多个电子发射模块发射的电子束定向穿过所述阴极窗口轰击所述阳极。
7.如权利要求6所述的调制脉冲X射线发射系统，其中，所述多栅控单元调制脉冲X射线管还包括聚焦极，位于所述阴极和所述阳极之间，使穿过所述阴极窗口的电子束聚焦后轰击所述阳极。
8.根据权利要求7所述的多调制脉冲X射线发射系统，其中，所述聚焦极为环状结构，所述电子束聚焦后穿过所述聚焦极中的中间开口部分轰击所述阳极。
9.根据权利要求8所述的调制脉冲X射线发射系统，其中，所述多个栅控电子发射模块中的每个栅控电子发射模块均包括：
栅控单元，包括凹槽和栅极本体，所述分频叠加控制电路传导非负压/负压至所述栅控单元，使形成非负/负电场，以控制所述电子束是/否向阳极移动；
多个灯丝接线柱，位于所述凹槽内，与所述分频叠加控制电路电连接；
热灯丝，位于所述栅控单元凹槽内，端头与所述灯丝接线柱连接，以使得所述灯丝接线柱通电加热所述热灯丝后，使所述热灯丝发射电子。
10.根据权利要求9所述的调制脉冲X射线发射系统，其中，每个栅控电子发射模块结构相同，且环绕其中一个共用的所述灯丝接线柱排列为花瓣状。
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