CN114375540A - 电子枪驱动器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于电子枪驱动器的技术，所述电子枪驱动器包括半桥驱动器电路和驱动控制器。所述半桥驱动器电路包括：驱动电路，所述驱动电路被配置为产生用于电子枪的栅极连接的栅极驱动电压；以及截止电路，所述截止电路被配置为产生用于所述电子枪的所述栅极连接的栅极截止电压；以及门极驱动器，所述门极驱动器被配置为在所述栅极驱动电压和所述栅极截止电压之间切换。所述驱动控制器被配置为产生到所述驱动电路和所述截止电路的脉冲输入以及用于所述门极驱动器的栅极切换信号。

Description

电子枪驱动器
背景技术
除非本文另有说明，否则本部分中描述的方法不是本公开中的权利要求的现有技术，并且不通过包括在本部分中而被承认是现有技术。
线性加速器(即直线加速器)用于诸如精密医疗、安全检查、通信和雷达系统的系统中。线性加速器可用作产生x射线或放大射频(RF)或微波电磁信号的系统的一部分。一些线性加速器通过使供应到粒子源(例如，电子枪)的功率和供应到RF源(例如，磁控管)的功率脉动来产生加速粒子的脉冲。一些线性加速器具有用于供应到粒子源的功率和供应到RF源的功率的固定电压电平和定时，从而固定脉冲的能量和剂量率(例如，定时和幅度)。其他线性加速器可以在两个或更多个工厂定义的模式之间切换，其中每个模式具有供应到粒子源的关联功率和供应到RF源的功率。对于每种模式，所供应的功率的定时是相同的。此外，该模式基于在两个模式之间交替的预定义型式来切换。提供给电子粒子源也称为电子枪(例如，二极管枪或三极管枪)的功率和脉冲通常由电子枪驱动器(也称为电子枪调制器)提供。
附图说明
图1示出了根据一些实施方案的三极管枪驱动器的示意图或框图。
图2示出了根据一些实施方案的高压侧电源的示意图或框图。
图3示出了根据一些实施方案的三极管枪驱动器的替代驱动器模块的示意图或框图。
图4示出了根据一些实施方案的三极管枪驱动器的替代驱动器模块的示意图或框图。
图5是示出根据一些实施方案的控制三极管枪驱动器的方法的示例的流程图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施方案之前，应当理解，本发明在其应用中不限于在以下描述中阐述的或在以下附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够存在其他实施方案并且能以各种方式实施或进行。提供流程图和过程中提供的数字是为了清楚地说明步骤和操作，而不一定表示特定的顺序或次序。除非另有定义，否则术语“或”可以指选项的选择(例如，析取运算符或异或)或选项的组合(例如，连接运算符、与/或、逻辑或，或者布尔或)。DC是指直流电，而AC是指交流电。
本公开涉及三极管电子枪驱动器，其能够以高切换速度将电子枪栅极的脉冲的幅度、宽度和延迟从一个脉冲调制到下一个脉冲。所公开的实施方案总体上涉及以从一个脉冲到下一个脉冲的不同脉冲幅度、宽度和延迟来驱动三极管枪的栅极的机构、方法和系统。所公开的实施方案总体上还涉及用于电子枪的栅极驱动器电路。
线性加速器通常使用被配置为产生粒子束的粒子源，诸如电子源。粒子束被引导通过加速器结构。加速器结构是使用输入RF信号来加速粒子束中的粒子的谐振结构。通过使粒子源脉动以产生指向加速器结构的粒子脉冲来产生加速粒子束。RF信号加速粒子以产生加速粒子束。如下面将进一步详细描述的，电子粒子源可以由枪驱动器控制。另外，枪驱动器可以被配置为提供具有可变幅度、宽度和延迟的脉冲，这将在下面进一步详细描述。
通常，线性加速器的粒子源使用热阴极或热电子阴极，该热阴极或热电子阴极是具有加热元件或细丝的阴极电极，加热元件或细丝被加热以由于热电子发射而发射电子。加热元件通常是由通过它的电流加热的电细丝。在真空设备中可以使用两种类型的热阴极：直接加热的阴极和间接加热的阴极。在直接加热的阴极中，细丝是阴极并直接发射电子。在间接加热的阴极中，细丝不是阴极，而是加热单独的阴极，诸如围绕细丝的薄片金属圆筒，并且细丝或圆筒发射电子。通常，线性加速器使用间接加热的阴极。
对于在材料辨别应用(诸如货物筛选)中有用的线性加速器，x射线脉冲需要使其每脉冲的脉冲能量和剂量从一个脉冲到下一个脉冲被精确地控制。为了控制直线加速器中每个脉冲的剂量和能量，需要逐个脉冲地调制到射频(RF)源(例如，磁控管)和电子枪(例如，二极管枪或三极管枪)的脉冲的幅度、宽度和延迟。
在线性加速器中可以使用两类电子枪：二极管电子枪和三极管电子枪(或栅控电子枪)。二极管电子枪或二极管枪具有两个独立的电势：阴极和聚焦电极，阴极和聚焦电极被设置为某个负电压(通常在几十千伏(kV)的量级)；以及阳极，阳极被保持在地面或接近地面。在一些实施方案中，阴极连接可以具有两个引线：阴极引线和加热器引线(或细丝引线)。有时，二极管枪的两个分开的电势是指阴极电势和加热器电势。在三极管电子枪或三极管枪中，在阴极表面的正上方添加控制栅极(或栅极)。栅极保持在第三电势，通常在阴极电势的约100伏(V)内。虽然二极管电子枪可适合用于简单的低能量直线加速器和x射线源中，但大多数高能量直线加速器利用三极管电子枪，因为三极管枪通过使用栅极比二极管枪允许对脉冲的能量和定时有更多的控制和灵活性。栅极是真空封围件中阴极和阳极之间的电极，其用作“门极”以控制到达阳极的电子电流。栅极上更大的负电压会将电子排斥回阴极，因此到达阳极的电子会更少。栅极上较小的负电压或正电压将允许更多的电子通过，从而增加阳极电流(也称为束电流)。
如将在下面进一步详细描述的，枪驱动器可被配置为控制阴极、加热器和栅极。如本文所用，加热器也可以被称为细丝或阴极细丝，其在被加热或变热时产生电子发射。通常，枪驱动器不控制聚焦电极，并且聚焦电极的控制由其他部件或电源提供。
由于在三极管枪中使用相对于参考(例如，阳极)的三个电压电位(例如，阴极、加热器和栅极)，因此在设计和操作三极管枪时可考虑至少四个输入或控制。首先，阳极参考底盘接地，或者安装有枪的加速器主体，该加速器主体作为接地连接。第二，阴极需要相对于阳极升高到高的负电压。在一个示例中，最大阴极电压具有-12kV至-15kV的电压。在另一示例中，阴极电压具有0V到-18kV的电压范围。在一个示例中，高压可以指在相对于阳极的阴极电压的范围内的电压幅值。例如，高压可以指大于1kV的电压幅值(正或负)。第三，以相对于阴极较低的电压幅度驱动加热器，该电压幅度可以是正的或负的。在一个示例中，加热器具有相对于阴极在2V与10V之间的电压幅度或相对于阴极从4V到7V的电压幅度。第四，栅极相对于阴极具有-200V至200V的电压。例如，在一些设计中，当阴极处于高压时，栅极通常可以防止具有被驱动到相对于阴极-50V和-70V之间(也称为截止电压)的栅极电压的束电流的流动，并且当阴极处于高压时，栅极通常可以允许具有被驱动到相对于阴极50V和100V之间(也称为驱动电压)的栅极电压的束电流的流动。在其他示例中，截止电压可以截止具有大于-50V(或电压幅度小于-50V)或小于-70V(或电压幅度大于-70V)的电压的束电流，并且栅极可以允许具有小于50V或大于100V的电压的完全束电流。在一个示例中，与栅极电压相关的高压可以具有大于50V的幅值。
对于一些应用，栅极需要通过以具有快速上升时间和下降时间(以避免脉冲失真)的指定脉冲宽度从截止电压切换到驱动电压并返回到截止电压，来以快速速率产生处于编程幅度的脉冲，这会降低系统的效率。在一个示例中，脉冲宽度可能需要在0.5微秒(μS)与5μS之间，速率高达500脉冲每秒(pps)或优选地高达2000脉冲每秒。在其他示例中，栅极脉冲宽度和/或脉冲速率可以不同。另外，枪驱动器对阴极电压、加热器电压、栅极驱动电压、栅极截止电压、栅极脉冲延迟和栅极脉冲宽度的可调节性或可编程性可以给予用户对脉冲能量和剂量的更大控制，这可以为电子枪或系统(例如，直线加速器)提供更多功能和应用。
传统的枪驱动器提供幅度、宽度和延迟参数的一些调节，但是通常在非常长的时间尺度上(秒的数量级)，这使得它们不适合用于材料辨别x射线成像系统，其中栅极调节需要在毫秒(ms)或亚毫秒级(μS)上进行，优选地在脉冲到脉冲的基础上进行调制或调节。例如，传统的枪驱动器可具有脉冲到脉冲调制的栅极驱动电压，但仅可在两个不同电压或模式之间切换，也称为交错模式，如由在2017年5月23日授权的标题为“Linear AcceleratorSystem with Stable Interleaved and Intermittent Pulsing”的美国专利9,661,734(本文中引用为“Nighan专利”)说明，所述专利全部公开内容通过引用并入本文。如在Nighan专利中所公开的，用于栅极的驱动器使用由电源直接产生的电压，并且基于逐个脉冲在这两个固定电压(称为模式)之间切换。电源通常仅能够最多在至少数十(10s)或数百(100s)毫秒(ms)内切换电压幅度，这不足以以每秒至少500个脉冲的速率在多于两个电压幅度之间切换。通过为每个附加模式增加电源并在这些电源的固定电压之间切换，可以减轻在快速切换速度(在毫秒和亚毫秒级内)时双模式枪驱动器的两个电压幅度的限制。但是这种方法会增加更多的设计复杂性和成本，尤其是随着不同模式数目的增加。另外，可以使用的不同模式的数目仍然受到所使用的电源数目的限制。
在其他传统的枪驱动器示例(未图示或参考)中，枪驱动器可使用单个电源，该单个电源使用相对昂贵的固态开关在高压电容器组之间切换以驱动栅极，其中每个电容器组经设计以产生特定电压幅度或模式。类似地，使用多个高压电容器组来驱动栅极的枪驱动器具有这样的限制，即，可使用的模式的数目受到所使用的高压电容器组的数目以及相关联的设计复杂性和成本的限制。
相比之下，所公开的设计允许在亚毫秒级上对栅极驱动电压和栅极截止电压两者进行调节，从而使得这两个参数(例如，在枪驱动器的可用动态范围内的某一有限分辨率下的栅极驱动电压和栅极截止电压)基于逐个脉冲可用于用户。
通常，能够基于逐个脉冲在两个模式之间切换的系统(例如，直线加速器)被称为交织系统或交错系统，其中每个x射线模式具有x射线束的指定或限定的剂量和能量。通常，剂量由RF源脉冲幅度和宽度结合电子枪脉冲幅度、宽度和延迟决定。能量主要由RF源脉冲幅度决定，其中电子枪脉冲幅度、宽度和延迟也可具有影响。例如，交织直线加速器可以被配置为在剂量A和能量A的x射线束与剂量B和能量B的另一x射线束之间逐个脉冲地切换。具有交织能力的枪驱动器允许直线加速器在两种脉冲模式之间逐个脉冲地进行选择。因此，第一脉冲模式是幅度A、宽度A和延迟A的脉冲，而第二脉冲模式可以是幅度B、宽度B和延迟B。
相比之下，具有交错能力的系统(例如，直线加速器)可以基于逐个脉冲在多于两个模式(即，n个模式，其中n是正整数)之间进行选择。具有交错能力的枪驱动器可以在其动态范围内(具有某一有限分辨率)逐个脉冲产生任何幅度、宽度和延迟的脉冲。具有交错能力的枪驱动器(与磁控管调制器或RF调制器一起)允许系统作为交错系统操作，其相对于交织系统或交错系统提供用于x射线成像(诸如材料辨别)的更大通用性和功能性。
在一个实施方案中，如图1所示，三极管枪驱动器100被分成至少两个主要部分：(1)控制侧或低压侧102，该控制侧或低压侧可包括控制板、控制电路或控制模块110(或在被形成为单个印刷电路板时的控制板110)和(2)高压侧140，有时称为热平台侧(作为对高压的另一参考)。“低压侧”102和“高压侧”160具有相对于系统接地(例如，直线加速器系统接地)的电压幅度的参考。低压侧102参考在系统的其余部分中使用的相同的底盘接地(或直线加速器系统接地)116和信号接地108，而高压侧140参考高压电容器充电电源、高压电容器充电模块或电容器充电电源(CCPS)144的高压输出端146(例如，负电压)。
CCPS对高压电容器106充电。高压电容器106是存储电容器，其累积用于在脉冲期间提供瞬时电流的电荷，该脉冲主要从枪的阴极流向阳极，并且在栅极导通时部分地从栅极流向阳极。由于脉冲宽度通常比脉冲之间的时间小得多(例如，脉冲占空比，或脉冲“接通”时间与脉冲“断开”时间的比率可在0.0001到0.05的范围内)，因此高压电容器106可在脉冲之间缓慢地(相对于脉冲宽度)充电，并且接着在脉冲期间快速放电或部分放电。高压电容器106允许系统使用比在用于阴极的高压电源本身必须提供脉冲期间所需的峰值电流而不是用于对高压电容器106充电的涓流充电的情况下所需的高压电源小得多的高压电源。
低压侧102和高压侧140两者可以使用低压控制电路，诸如微控制器或现场可编程门阵列(FPGA)120、160以及低压电源104、148、147。尽管低压控制器120可以由FPGA 120的示例来引用。类似地，高压控制器160被称为FPGA 160。在高压侧140，用于低压控制电路的“接地”或“参考”是CCPS 144的输出端(或阴极电压)，因为该控制电路被配置为驱动加热器194和栅极192，这些电压是相对于阴极196指定的。因此，低压侧102与高压侧140隔离，并且被称为两个分离的部分或侧。在一些示例中，高压封围件用于将高压侧140部件与低压侧102部件隔离。在其他示例中，高压侧140部件和低压侧102部件可在同一封围件或壳体中，其中高压侧140部件中的至少一些部件使用高压支座作为与低压侧102部件的分离和隔离。隔离电源130向高压侧140供电，并且在低压侧102和高压侧140之间提供电压隔离。在一个示例中，隔离电源130可以是DC/DC转换器。电源130的隔离电压额定值应当大于CCPS 144的电压输出(通常以某个因子)。例如，CCPS 144被配置为产生高达-18kV的阴极电压，隔离电源额定值可以是30kVDC。
高压侧140可以包括具有栅极驱动器模块161的驱动器模块150以及加热器驱动器176以及通信电路152、154、156和转换电路(例如，模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC))158、166。栅极驱动器模块161可以包括提供交错能力的电路，该电路可以被配置为产生在其动态范围内的任何幅度、宽度和延迟的脉冲。例如，栅极驱动器模块161可以包括驱动控制器160、驱动电压放大器172、截止电压放大器174、门极驱动器180和开关182，184。栅极驱动器模块161可以被配置为半桥电路，其中门极驱动器180快速地控制开关182、184以施加驱动电压放大器172的电压168或截止电压放大器174的电压170，从而在栅极192的栅极连接186上产生脉冲。驱动电压放大器172可以由驱动放大器电源143供电，并且截止电压放大器174可以由截止放大器电源145供电。驱动电压放大器172的输入端可以由驱动DAC 162配置，并且截止电压放大器174的输入端可以由截止DAC 164配置。驱动控制器160可以应用来自用户接口114的参数，以通过到驱动DAC 162和截止DAC 164的输入逐个脉冲地调节脉冲幅度，并且经由门极驱动器180和开关182、184调节脉冲宽度和延迟。
使用高压功率放大器172和174的一个优点，尤其是与高压电源的输出端(利用开关)到栅极的直接连接相比，是放大器输出可以以高达每秒500个脉冲的速率逐个脉冲地快速改变或重新配置。在一些示例中，高压功率放大器172和174的输出可以以每秒高达1000个脉冲，2000个脉冲，4000个脉冲或8000个脉冲的速率逐个脉冲地改变或重新配置。一些高压功率放大器172和174可以具有大于25V/μS的转换速率，从而提供快速的放大器输出上升和下降时间。因此，每个脉冲的脉冲幅度可以变化，从而允许可配置模式处于高达每秒500个脉冲的速率。
传统枪驱动器的部件的(电压的)缓慢切换速度是对利用系统中的交错能力以可用脉冲速率(例如，大于500pps)执行栅极切换功能(类似于栅极驱动器模块161的功能)的限制。高压功率放大器172和174的使用可以将枪驱动器的脉冲速率限制从栅极驱动器模块161转移到高压电容器106的再充电速度。在一些示例中，高压电容器106在脉冲期间放电之后的再充电速度为约8000pps。因此，在一些示例中，高压功率放大器172、174的输出以高达每秒8000个脉冲的速率逐个脉冲地改变或重新配置。
驱动控制器160还可以提供应用参数以改变到加热器DAC 166的输入，这可以产生加热器放大器176的输入，从而产生加热器电压178。加热器放大器176可以由加热器放大器电源147供电。
如前所述，高压侧140可以包括一个或多个高压侧电源142。图2示出了可以包括在一个或多个高压侧电源142中的一些电源，诸如一个或多个低压电源148、驱动放大器电源143、截止电源145和加热器放大器电源147；然而，在其他实施方案中，电源的数目和类型可以不同。在一个示例中，高压侧电源142可以产生3.3V、+/-15V、-10V(例如，加热器放大器电源147)、24V和+/-200V(例如，驱动放大器电源143和截止放大器电源145)的电压。
以下提供关于三极管枪驱动器100的功能、连接和接口的额外细节。返回参考图1，控制功能和电路可以在低压侧102和高压侧140之间分开。例如，控制功能和电路可以在控制模块100和驱动器模块150之间分开。在一个示例中，低压侧控制器120可被配置为：触发控制脉冲速率和宽度(当处于外部触发模式时)；触发发生器(当处于内部触发模式时)；监测联锁信号以允许或禁止某些枪驱动器功能、与用户接口114进行交互以处理监督用户数据；与用于服务的用户人机界面(HMI)进行交互；与其他离散用户信号进行交互；控制CCPS；经由光纤通信链路122与高压侧控制器160进行交互；与模数转换器(ADC)128进行交互；以及与数模转换器(DAC)进行交互。高压侧控制器160可以被配置为：接收来自控制器120的触发信号，并且使用该触发信号为半桥中的开关182、184产生门极驱动信号；与用户接口进行交互，该用户接口包含来自用户的要被施加到下一个脉冲的脉冲幅度、宽度和延迟参数；与ADC 158进行交互，其提供各种部件的传感器或电读数或测量值，诸如加热器电压和电流、栅极驱动和截止放大器电压、枪电流以及栅极驱动和截止电源电压；与DAC进行交互，DAC对栅极驱动和截止放大器以及加热器电源进行编程；以及打开和关闭加热器。
枪驱动器100可包括用在传统枪驱动器中的功能，以与传统枪驱动器向后兼容，从而所公开的枪驱动器还可用作传统枪驱动器的替代物，并且提供附加模式功能。例如，某些模拟信号可以由CCPS 144(例如，电压和电流监测信号)或用户接口114(例如，加热器设置、阴极电压设置、栅极驱动电压设置和栅极截止电压设置)产生。ADC 128可将那些模拟信号转换成数字格式以供处理器120处理。模拟用户信号可以在不使用脉冲到脉冲交错的情境下使用。处理器120可以经由DAC(未示出)转换数字信号，该数字信号可以被传输到CCPS144或用户接口114。
低压侧102使用功率输入端112并使用用户接口114与用户(例如，直线加速器控制系统)进行交互，使用CCPS控制装置118来控制CCPS，并且向高压侧140提供通信122、触发124以及可能的附加信号。在一个示例中，功率输入端112可以被配置为产生15V或24V DC。低压侧102包括控制器或处理器，诸如微控制器或FPGA 120和ADC 128。用户接口114耦合到低压控制器120并交换各种通信信号，诸如触发信号、联锁信号、离散输入/输出(I/O)信号和安全信号，并且可使用各种通信协议，诸如以太网。以太网是在局域网(LAN)、城域网(MAN)和广域网(WAN)中常用的计算机联网协议族。互联网协议(IP)通常在以太网上承载，并且因此其被认为是构成互联网的关键技术之一。触发是当处于外部触发模式时用于使栅极脉动的用户触发信号。应满足备用联锁，以允许用户打开加热器。应满足触发联锁，以允许触发栅极。应满足高压联锁，以允许用户打开阴极高压。离散I/O信号允许用户控制枪驱动器的某些功能，否则这些功能将经由低压侧控制器120来控制(例如，高压接通、加热器打开、触发启用/禁用和故障复位)。安全信号可以允许用户监测某些状态，否则这些状态将经由低压侧控制器120来监测(例如，联锁状态、故障状态、高压接通状态、触发状态、预热状态和加热器状态)。另外，可以使用附加的用户模拟输出，从而用户可以任选地监测加热器电压、加热器电流、阴极电压和栅极驱动电压。尽管以太网被用作示例，但是在其他实施方案中，可以使用其他通信协议。
低压侧102和高压侧140之间的一些光纤链路提供两侧(即，低压侧102和高压侧140)之间的通信装置(例如，光纤通信链路132、低压侧或控制光纤通信链路[连接器或接口]122以及高压侧光纤通信链路[连接器或接口]152)以及触发信号(例如，光纤触发链路134、低压侧或控制光纤触发链路[连接器或接口]124和高压侧140光纤触发链路[连接器或接口]154)和任选的一些附加信号及其相关联的链路(连接器或接口)。光纤通信链路132和光纤触发链路134被示出为在低压侧控制器120和高压侧控制器160之间。在一个示例中，光纤通信链路136(包括低压侧或控制光纤通信链路[连接器或接口]126和高压侧光纤通信链路[连接器或接口]156)可以将用户接口114耦合到高压控制器160。在一个示例中，控制器120和160之间的通信链路132可以在相对“慢”的总线上传输，该总线用于从用户传输不需要以脉冲速率调节的较慢数据(例如，加热器设置、系统状态和阴极电压设置)。用户接口114和控制器160之间的通信链路136可以使用“快”总线，该“快”总线被配置为基于逐个脉冲设置可以调节的参数(例如，栅极脉冲幅度、宽度和延迟)。总线协议可以这样操作，使得控制器160可以在每个脉冲之前接收和/或处理通信链路136上来自用户的新消息。在一个示例中，通信链路132和136以及触发链路134可以使用同步或异步通信协议。例如，通信链路132可以使用通用异步接收器-发射器(UART)，而通信链路136可以使用灵活的通信总线，诸如控制器区域网络(CAN)总线、传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)总线、内部集成电路(I2C)总线、串行外围接口(SPI)总线或任何其他合适的通信总线。CAN总线是最初为车辆设计的稳健总线标准，以允许微控制器和设备在没有主机计算机的应用中彼此通信。CAN总线可以在噪声通信信道(例如，物理层)上提供可靠的通信，该噪声通信可以发生在成像系统(包括直线加速器)中。CAN总线信令也可以发生在用户接口114和低压控制器120之间。尽管光纤通信链路、连接器和接口已经被用作示例，但是也可以使用其他类型的隔离通信链路，无论是光通信还是非光通信。
高压侧140包括一个或多个高压侧电源142和其他高压侧部件，诸如高压控制器160、高速数模转换器(DAC)162、164和166、放大器172、174和176、门极驱动器180和开关182和184以及模数转换器(ADC)158。
高压侧140部件可单独定位，诸如包括在至少两个印刷电路板(PCB)上。一个PCB可以包括具有一个或多个高压侧电源142的电源板，所述一个或多个高压侧电源可以使用来自隔离电源130的低压输出(例如，24V)来产生在第二板、高压侧板、驱动器板或驱动器模块150上使用的电压中的一些电压。更具体地，电源板上的一个或多个高压侧电源142将来自隔离电源130的低压输出作为输入，并且产生电压轨以用于驱动电压放大器172(例如，～+200V和～-15V)、截止电压放大器174(例如，～+24V和～-200V)和加热器驱动器176。电源轨或电压轨是指由电源提供的单个电压。在另一示例中，驱动电压具有从0V到120V的范围，并且截止电压具有从0V到-120V的范围。在一个示例中，一个或多个高压侧电源142与驱动器模块150集成在单个PCB(称为驱动器板150)中。驱动器板的功能中的一个功能是产生用于加热器194的细丝电压和用于栅极192的栅极截止电压和栅极驱动电压。在一些实施方案中，这些功能可以是驱动器板150的主要功能中的一些。驱动器板150获得CCPS输出端146(例如，-12kV到-15kV)并且使用此电压作为其“接地”或参考电压，同时还将参考电压传递到电子枪190的阴极196。如前所述，阳极198参考底盘接地，或者安装有枪的线性加速器的主体，该加速器主体作为接地连接。产生栅极驱动电压168和栅极截止电压170的方法是通过使用两个高压功率放大器(一个放大器用于驱动172[或驱动放大器]，并且一个放大器用于截止174[或截止放大器])来产生半桥驱动器电路的高电压轨和低电压轨。这些放大器172和174被配置为以至少1kHz的频率产生方波，并且可以以枪驱动器的期望脉冲速率改变。在一个示例中，高压放大器可提供对枪驱动器的速度和动态电压范围的限制，所述枪驱动器可具有高达400V(+/-200V轨)的供应电压范围，其中转换速率为50V/微秒(μS)且增益为100。在脉冲之间，用户可以向枪驱动器发送消息(例如，串行消息)，请求下一个脉冲的期望脉冲幅度、宽度和延迟，以及以高达期望脉冲速率的速率改变截止电压。然后，控制板110将所需信息中继到驱动器板150。驱动器板150上的FPGA 160然后可以设置高速数模转换器(DAC)162和164的输出，该输出驱动半桥放大器以为下一个脉冲做准备。当从用户接收到触发的前沿时，施加适当的延迟(如先前由用户请求的)，并且由门极驱动器180将适当的信号施加到半桥中的开关(例如，驱动开关182和截止开关184)的门极，以产生其宽度先前由用户所请求的脉冲。枪驱动器还可以具有馈通模式，其中输出脉冲将简单地跟随输入触发信号134的上升沿和下降沿。驱动开关182和截止开关184可以包括高压n沟道增强型场效应晶体管(FET)或金属氧化物半导体FET(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或类似的高功率晶体管。加热器放大器176可以类似于驱动放大器172或截止放大器174，或者可以具有较慢的响应时间。例如，加热器放大器可以由DC输入驱动。加热器DAC 166可以类似于驱动DAC162或截止DAC 164，或者可以具有较慢的响应时间、较低的动态范围和/或较低的分辨率。细丝电压178和阴极电压146也可由用户编程，尽管这些电压可能不以与栅极电压相同的高速率响应。
图3示出了类似于图1所示的三极管枪驱动器110的三极管枪驱动器的另选驱动器模块250的示意图或框图，其中栅极驱动器模块161被栅极驱动器模块261代替。栅极驱动器模块261可以包括驱动控制器160、栅极DAC 262和栅极电压放大器272，该栅极电压放大器可以耦合到栅极192的栅极连接186。栅极电压放大器272可由驱动放大器电源143和截止放大器电源145两者(或为栅极电压放大器272提供负高压和正高压两者的电源)供电。栅极电压放大器272的输入可由栅极DAC 262配置。驱动控制器160可以应用来自用户接口114的参数，以通过到栅极DAC 262的输入逐个脉冲地调节脉冲幅度，并且经由栅极电压放大器272的响应时间调节脉冲宽度和延迟。栅极电压放大器272的动态范围可以限制由栅极电压放大器272实现的脉冲幅度或脉冲宽度，因为栅极电压放大器272需要从大的负截止电压(例如，<-50V)摆动到大的正驱动电压(例如，>50V)。相对于图1中所示的半桥配置栅极驱动器模块161，栅极电压放大器272的输出电压的摆动可以是来自驱动放大器172或截止放大器174的电压摆动的大约两倍，这可以导致枪驱动器的更长的脉冲宽度(例如，大于0.5μs)、更长的脉冲边沿上升和下降时间(例如，大于100ns)、更大的脉冲形状失真(例如，不太像矩形脉冲形状)或更慢的脉冲速率能力(例如，小于500pps)。
图4示出了类似于图1所示的三极管枪驱动器110的三极管枪驱动器的另选驱动器模块252的示意图或框图，其中栅极驱动器模块161被栅极驱动器模块263代替。栅极驱动器模块262可以包括驱动控制器160、栅极DAC 264、模拟开关280和栅极电压放大器274，该栅极电压放大器可以耦合到栅极192的栅极连接186。栅极电压放大器274可由驱动放大器电源143和截止放大器电源145两者(或为栅极电压放大器274提供负高压和正高压两者的电源)供电。栅极电压放大器274的输入可由具有至少两个输出的栅极DAC 264配置，以(经由模拟开关280)产生到栅极电压放大器274的输入，从而产生栅极驱动电压(例如，较高的高压)和栅极截止电压(例如，较低的高压)。驱动控制器160可以应用来自用户接口114的参数或触发信号，以通过到栅极DAC 264的输入逐个脉冲地调节脉冲幅度，并且经由模拟开关280调节脉冲宽度和延迟。栅极电压放大器274的动态范围可以限制由栅极电压放大器274实现的脉冲幅度或脉冲宽度，因为栅极电压放大器274需要从大的负截止电压(例如，<-50V)摆动到大的正驱动电压(例如，>50V)。相对于图1中所示的半桥配置栅极驱动器模块161，栅极电压放大器274的输出电压的摆动可以是来自驱动放大器172或截止放大器174的电压摆动的大约两倍，这可以导致枪驱动器的更长的脉冲宽度(例如，大于0.5μs)、更长的脉冲边沿上升和下降时间(例如，大于100ns)、更大的脉冲形状失真(例如，不太像矩形脉冲形状)或更慢的脉冲速率能力(例如，小于500pps)。
如图1-4所示，所公开的栅极驱动器电路提供了相对于传统枪驱动器的脉冲幅度和定时的高速变化。栅极驱动器电路为用户提供了基于逐个脉冲选择其动态范围内的任何驱动电压和截止电压的能力。在驱动器的动态范围内对用户可用的模式数目的一个限制是驱动半桥轨放大器172、174或栅极电压放大器272的DAC 162、164、262的分辨率。例如，10位DAC将向用户提供1024个驱动电压和1024个截止电压以在半桥配置栅极驱动器模块161中进行选择。例如，10位DAC将向用户提供1024个栅极电压以从栅极放大器配置栅极驱动器模块261中进行选择。例如，利用10位DAC的0V到120V的驱动电压动态范围将向用户提供117mV的栅极驱动分辨率。在使用不同DAC的实施方案中，枪驱动器电路能够在1024和16384个不同电压电平的范围内切换。
所公开的枪驱动器的实施方案为电子枪的有用操作提供了这些功能。在一个示例中，阴极电压、加热器电压、栅极驱动电压、栅极截止电压、栅极脉冲延迟和栅极脉冲宽度各自是可调节，其中栅极驱动电压、栅极截止电压、栅极脉冲延迟和栅极脉冲宽度各自以至少500赫兹(Hz)的速率可编程，用于基于逐个脉冲的调节。在一些示例中，栅极驱动电压、栅极截止电压、栅极脉冲延迟和栅极脉冲宽度各自以至少1000Hz或2000Hz的速率可编程，以用于基于逐个脉冲的调节。
在一个示例中，电子枪的脉冲(通常在千伏范围内)被直线加速器放大以产生具有0.5MeV到10MeV能量的脉冲。
图5示出了根据一些实施方案的用于控制电子枪驱动器的方法300的流程图。使用图1的电子枪驱动器110作为示例，在310中，驱动控制器160和驱动DAC 162为电子枪190的栅极连接186设置驱动高压功率放大器172上的栅极驱动电压。在320中，驱动控制器160和截止DAC 164为电子枪190的栅极连接186设置截止高压功率放大器174上的截止电压。在320中，驱动控制器160、驱动电源开关182、截止电源开关184和门极驱动器180提供栅极驱动电压和栅极截止电压之间的切换，以在栅极连接186上产生脉冲。
一些实施方案包括电子枪驱动器，该电子枪驱动器包括：半桥驱动器电路，该半桥驱动器电路包括：驱动电路，该驱动电路被配置为产生用于电子枪190的栅极连接186的栅极驱动电压(例如，较高的高压)168；以及截止电路，该截止电路被配置为产生用于电子枪190的栅极连接186的栅极截止电压(例如，较低的高压)170；以及门极驱动器180，该门极驱动器被配置为在栅极驱动电压168和栅极截止电压170之间切换；以及驱动控制器160，该驱动控制器被配置为产生到驱动电路和截止电路的脉冲输入以及用于门极驱动器180的栅极切换信号。
在一些实施方案中，该驱动电路还包括：驱动高压功率放大器172，该驱动高压功率放大器被配置为向半桥驱动器电路提供栅极驱动电压(例如，较高的电压)；驱动高速DAC162，该驱动高速DAC被配置为向驱动高压功率放大器172产生编程电压；以及驱动电源开关182，该驱动电源开关被配置为向栅极连接186施加驱动电压。截止电路还包括：截止高压功率放大器174，该截止高压功率放大器被配置为向半桥驱动器电路提供栅极截止电压(例如，较低的电压)；截止高速DAC 164，该截止高速DAC被配置为向截止高压功率放大器产生编程电压；以及截止电源开关184，该截止电源开关被配置为向栅极连接186施加截止脉冲。门极驱动器180被配置为将栅极控制信号施加到驱动电源开关182和截止电源开关184。
在一些实施方案中，电子枪驱动器还包括：加热器电路，该加热器电路被配置为产生用于电子枪190的加热器连接188的加热器电压178，该加热器电路包括：加热器功率放大器176，该加热器功率放大器被配置为向电子枪190的加热器连接188提供加热器电压178；加热器高速DAC 166，该加热器高速DAC被配置为向加热器功率放大器176产生脉冲；并且其中驱动控制器160被配置为产生到加热器电路的加热器输入。
在一些实施方案中，电子枪驱动器还包括：控制电路110，该控制电路被配置为将用户输入转换为驱动器控制器输入，该控制电路包括：用户接口114，该用户接口被配置为接收线性加速器控制系统输入；低压侧控制器120，该低压侧控制器被配置为产生用于驱动控制器160的驱动控制信号；以及电容器充电电源(CCPS)控制器118，该电容器充电电源(CCPS)控制器被配置为产生用于CCPS 144的CCPS控制信号。在一些实施方案中，驱动控制信号包括光纤通信链路132、136和光纤触发链路134。在一些实施方案中，电子枪驱动器还包括：隔离电源130，该隔离电源被配置为在控制电路110和半桥驱动器电路之间提供电压隔离。
在一些实施方案中，驱动控制器160被配置为调节由栅极驱动电压和栅极截止电压产生的每个脉冲的幅度、宽度和延迟，其中每个脉冲可以被配置为不同于先前脉冲。
在一些实施方案中，由栅极驱动电压和栅极截止电压产生的每个脉冲的幅度、宽度或延迟中的至少一者被配置为在脉冲之间改变。
在一些实施方案中，由栅极驱动电压和栅极截止电压产生的每个脉冲的幅度、宽度或延迟中的至少一者被配置为以每秒至少500个脉冲的速率改变。
一些实施方案包括一种系统，该系统包括：电子枪驱动器，该电子枪驱动器包括驱动器模块150；高压电容器106；电容器充电电源(CCPS)144，该电容器充电电源被配置为对高压电容器充电；一个或多个高压侧电源142，所述一个或多个高压侧电源被配置为产生用于电子枪驱动器的高压侧140的电力；以及电子枪190，该电子枪包括：阳极198，该阳极耦合到接地108；阴极196，该阴极耦合到CCPS的输出端146；栅极192，该栅极耦合到栅极连接186；以及加热器194。
一些实施方案使用用于控制枪驱动器的方法，其中该方法包括：对于电子枪190的栅极连接186，在驱动高压功率放大器172上设置栅极驱动电压；对于电子枪190的栅极连接186，在截止高压功率放大器174上设置栅极截止电压；以及在栅极驱动电压脉冲和栅极截止电压脉冲之间切换以在栅极连接186上产生脉冲。
在一些实施方案中，该方法还包括调节由栅极驱动电压或栅极截止电压产生的每个脉冲的幅度、宽度或延迟，其中可以使用至少三个不同的幅度、至少三个不同的宽度和至少三个不同的延迟。
在一些实施方案中，该方法还包括以每秒至少500个脉冲的速率在脉冲之间改变栅极驱动电压脉冲和栅极截止电压脉冲的幅度、宽度或延迟中的至少一者。
在一些实施方案中，包括多个指令的至少一个非暂态机器可读存储介质适于被执行以实现上述方法。
一些实施方案包括电子枪驱动器，该电子枪驱动器包括：栅极电压产生装置，该栅极电压产生装置用于产生用于电子枪的栅极连接的栅极驱动电压(例如，较高的高压)和栅极截止电压(例如，较低的高压)；切换装置，该切换装置用于通过在栅极驱动电压和栅极截止电压之间切换而在栅极连接上产生脉冲；以及电压控制装置，该电压控制装置用于产生到栅极电压产生装置和切换装置的输入。栅极电压产生装置的示例包括驱动高压功率放大器172、截止高压功率放大器174、栅极电压放大器272、栅极电压放大器274、驱动放大器电源143和截止放大器电源145。切换装置的示例包括门极驱动器180、驱动电源开关182、截止电源开关184、驱动控制器160和模拟开关280。电压控制装置的示例包括驱动控制器160。
在一些实施方案中，电子枪驱动器还包括转换装置，该转换装置用于将到栅极电压产生装置的输入转换为来自电压控制装置的数字输出的模拟输入。转换装置的示例包括驱动高速DAC 162、截止高速DAC 164、栅极DAC 262和栅极DAC 264。
在一些实施方案中，电子枪驱动器还包括命令控制装置，以用于将用户输入转换成电压控制装置的输入。命令控制装置的示例包括用户接口114和低压侧控制器120。
在一些实施方案中，电子枪驱动器被配置为调节由电压控制装置、栅极电压产生装置和切换装置产生的每个脉冲的幅度、宽度和延迟，其中每个脉冲可以被配置为不同于先前的脉冲，并且幅度、宽度和延迟中的每一者可以在至少三个不同的值之间改变。
在一些实施方案中，电子枪驱动器被配置为以每秒至少500个脉冲的速率改变脉冲之间的每个脉冲的幅度、宽度和延迟中的至少一者。
以上提供的概述是说明性的，而不旨在以任何方式进行限制。除了上述示例之外，通过参考附图、以下详细描述和所附权利要求，本发明的其他方面、特征和优点将变得显而易见。
电路可以包括硬件、固件、程序代码、可执行代码、计算机指令和/或软件。非暂态计算机可读存储介质可以是不包括信号的计算机可读存储介质。
应当理解，本说明书中描述的许多功能单元被标记为模块，以便更具体地强调它们的实施独立性。例如，模块可以实现为包括定制超大规模集成(VLSI)电路或门阵列的硬件电路，包括但不限于逻辑芯片、晶体管或其他部件。模块还可以在可编程硬件设备中实现，包括但不限于现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备或类似的设备。
在整个说明书中对“示例”或“实施方案”的引用意味着结合该示例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书中的各个部分出现的词语“示例”或“实施方案”不一定都指相同的实施方案。
此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案中以合适的方式组合。在以下描述中，提供了许多具体细节(例如，布局和设计的示例)以提供对本发明实施方案的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下，或者利用其他方法、部件、布局等来实践本发明。在其他情况下，未示出或详细描述公知的结构、部件或操作，以避免模糊本发明的各方面。
本书面公开之后的权利要求由此被明确地并入到本书面公开中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施方案。本公开包括独立权利要求及其从属权利要求的所有排列。此外，能够从随后的独立权利要求和从属权利要求衍生的另外的实施方案也明确地并入本书面描述中。这些另外的实施方案是通过用短语“以权利要求[x]开始并且以紧接在所述权利要求之前的权利要求结束的权利要求中的任一个”来替换给定从属权利要求的从属关系来确定的，其中括号内的术语“[x]”被用最近引用的独立权利要求的编号来替换。例如，对于以独立权利要求1开始的第一权利要求组，权利要求4可以从属于权利要求1和3中的任一项，这些独立的从属关系产生两个不同的实施方案；权利要求5可以从属于权利要求1、3或4中的任一项，这些独立的从属权利要求产生三个不同的实施方案；权利要求6可以从属于权利要求1、3、4或5中的任一项，这些独立的从属权利要求产生四个不同的实施方案；等等。
权利要求中关于特征或要素的术语“第一”的叙述不一定意味着第二或附加的此类特征或要素的存在。以装置加功能格式具体引用的要素(如有)旨在根据35 U.S.C.§112(f)解释为覆盖本文描述的对应的结构、材料或行为以及它们的等同物。要求排他性属性或特性的本发明的实施方案限定如下。

Claims (20)

1.一种电子枪驱动器，其包括：
半桥驱动器电路，所述半桥驱动器电路包括：
驱动电路，所述驱动电路被配置为产生用于电子枪的栅极连接的栅极驱动电压；以及
截止电路，所述截止电路被配置为产生用于所述电子枪的所述栅极连接的栅极截止电压；以及
门极驱动器，所述门极驱动器被配置为在所述栅极驱动电压和所述栅极截止电压之间切换；以及
驱动控制器，所述驱动控制器被配置为产生到所述驱动电路和所述截止电路的脉冲输入以及用于所述门极驱动器的栅极切换信号。
2.如权利要求1所述的电子枪驱动器，其中：
所述驱动电路还包括：
驱动高压功率放大器，所述驱动高压功率放大器被配置为向所述半桥驱动器电路提供所述栅极驱动电压，
驱动高速数模转换器(DAC)，所述驱动高速数模转换器被配置为向所述驱动高压功率放大器产生编程电压，以及
驱动电源开关，所述驱动电源开关被配置为向所述栅极连接施加所述栅极驱动电压；并且
所述截止电路还包括：
截止高压功率放大器，所述截止高压功率放大器被配置为向所述半桥驱动器电路提供所述栅极截止电压，
截止高速DAC，所述截止高速DAC被配置为向所述截止高压功率放大器产生编程电压，以及
截止电源开关，所述截止电源开关被配置为向所述栅极连接施加所述截止电压；并且
所述门极驱动器被配置为将栅极控制信号施加到所述驱动电源开关和所述截止电源开关。
3.如权利要求1至2中任一项所述的电子枪驱动器，还包括：
加热器电路，所述加热器电路被配置为产生用于所述电子枪的加热器连接的加热器电压，所述加热器电路包括：
加热器功率放大器，所述加热器功率放大器被配置为向所述电子枪的所述加热器连接提供所述加热器电压，
加热器高速DAC，所述加热器高速DAC被配置为向所述加热器功率放大器产生编程信号；并且
其中所述驱动控制器被配置为产生到所述加热器电路的加热器输入。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电子枪驱动器，还包括：
控制电路，所述控制电路被配置为将用户输入转换为驱动器控制器输入，所述控制电路包括：
用户接口，所述用户接口被配置为接收线性加速器控制系统输入；
低压侧控制器，所述低压侧控制器被配置为产生用于所述驱动控制器的驱动控制信号；以及
电容器充电电源(CCPS)控制器，所述电容器充电电源控制器被配置为产生用于CCPS的CCPS控制信号。
5.如权利要求4所述的电子枪驱动器，其中所述驱动控制信号包括光纤通信链路和光纤触发链路。
6.如权利要求4至5中任一项所述的电子枪驱动器，还包括：
隔离电源，所述隔离电源被配置为在所述控制电路和所述半桥驱动器电路之间提供电压隔离。
7.如权利要求1至6中任一项所述的电子枪驱动器，其中所述驱动控制器被配置为调节由所述栅极驱动电压和所述栅极截止电压产生的每个脉冲的幅度、宽度和延迟，其中每个脉冲能够被配置为不同于先前脉冲。
8.如权利要求1至7中任一项所述的电子枪驱动器，其中由所述栅极驱动电压和所述栅极截止电压产生的每个脉冲的幅度、宽度或延迟中的至少一者被配置为在脉冲之间改变。
9.如权利要求1至8中任一项所述的电子枪驱动器，其中由所述栅极驱动电压和所述栅极截止电压产生的每个脉冲的幅度、宽度或延迟中的至少一者被配置为以每秒至少500个脉冲的速率改变。
10.一种系统，其包括：
如权利要求1至9中任一项所述的电子枪驱动器；
高压电容器；
电容器充电电源(CCPS)，所述电容器充电电源被配置为对所述高压电容器充电；
一个或多个高压侧电源，所述一个或多个高压侧电源被配置为产生用于所述电子枪驱动器的高压侧的电力；以及
电子枪，所述电子枪包括：
阳极，所述阳极耦合到接地；
阴极，所述阴极耦合到所述CCPS的输出端；
栅极，所述栅极耦合到栅极连接；以及
加热器。
11.一种用于控制电子枪驱动器的方法，所述方法包括：
对于电子枪的栅极连接，在驱动高压功率放大器上设置栅极驱动电压；
对于所述电子枪的所述栅极连接，在截止高压功率放大器上设置栅极截止电压；以及
在所述栅极驱动电压和所述栅极截止电压之间切换，以在所述栅极连接上产生脉冲。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
调节由所述栅极驱动电压或所述栅极截止电压产生的每个脉冲的幅度、宽度或延迟，其中能够使用至少三个不同的幅度、至少三个不同的宽度和至少三个不同的延迟。
13.如权利要求11至12中任一项所述的方法，还包括：
以每秒至少500个脉冲的速率改变所述脉冲的幅度、宽度或延迟中的至少一者，其中所述幅度、所述宽度和所述延迟中的每一者能够在至少三个不同的值之间改变。
14.至少一种非暂态机器可读存储介质，其包括适于被执行以实现如权利要求11至13中任一项所述的方法的多个指令。
15.一种电子枪驱动器，其包括：
栅极电压产生装置，所述栅极电压产生装置用于产生用于电子枪的栅极连接的栅极驱动电压和栅极截止电压；
切换装置，所述切换装置用于通过在所述栅极驱动电压和所述栅极截止电压之间切换而在所述栅极连接上产生脉冲；以及
电压控制装置，所述电压控制装置用于产生到所述栅极电压产生装置和所述切换装置的输入。
16.如权利要求15所述的电子枪驱动器，还包括：
转换装置，所述转换装置用于将到所述栅极电压产生装置的所述输入转换为来自所述电压控制装置的数字输出的模拟输入。
17.如权利要求15至16中任一项所述的电子枪驱动器，还包括：
加热器电压装置，所述加热器电压装置用于产生用于所述电子枪的加热器连接的加热器电压；并且
其中所述电压控制装置产生到所述加热器电压装置的输入。
18.如权利要求15至17中任一项所述的电子枪驱动器，还包括：
命令控制装置，所述命令控制装置用于将用户输入转换为用于所述电压控制装置的输入。
19.如权利要求15至18中任一项所述的电子枪驱动器，其中所述电子枪驱动器被配置为调节由所述电压控制装置、所述栅极电压产生装置和所述切换装置产生的每个脉冲的幅度、宽度和延迟，其中每个脉冲能够被配置为不同于先前的脉冲，并且所述幅度、所述宽度和所述延迟中的每一者能够在至少三个不同的值之间改变。
20.如权利要求15至19中任一项所述的电子枪驱动器，其中所述电子枪驱动器被配置为以每秒至少500个脉冲的速率改变脉冲之间的每个脉冲的幅度、宽度和延迟中的至少一者。
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