CN115243437A - X射线发生器中嵌入式电子设备的光纤通信 - Google Patents
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Abstract
X射线源包括光通信链路，以提供系统控制器和枪控制器之间的电流隔离的通信。在特定示例中，通过一根或更多根光纤提供链路。此外，枪控制器优选地在启动期间由系统控制器远程编程。这解决了在难以访问的位置/环境中重新编程处理器的问题。监视定时器对于枪控制器的枪数字处理器也很有用。
Description
技术领域
本申请涉及电子发射领域，更具体地涉及一种X射线源。
背景技术
X射线因其短波长和穿透物体的能力而广泛用于显微镜检查。通常，最好的X射线源是同步加速器，但这些都是昂贵的系统。因此，通常使用所谓的管式或实验室X射线源，其中产生的电子波束轰击靶。产生的X射线包括由靶的成分和广泛的韧致辐射确定的特征线。
X射线显微镜检查系统有一些基本配置。一些采用聚光器将X射线集中到研究物体和/或物镜上在与物体相互作用后对X射线进行成像。与这些类型的显微镜相关的分辨率和像差通常由X射线的光谱特征决定。一些显微镜检查系统采用投影配置，其中通常使用小X射线源光斑与几何放大倍率一起对物体进行成像。
性能，尤其是分辨率受不同因素影响。因为投影配置没有像差，所以分辨率通常由X射线源光斑的大小决定。理想情况下，X射线源光斑是一个点位。在实践中，X射线源光斑要大得多。通常，源光斑尺寸由电子光学器件和这些光学器件将电子波束聚焦到点的能力决定。源光斑尺寸一般在50-200微米(μm)左右，具有良好的电子光学；尽管在其他示例中，当功率是更重要的品质因数时，X射线源的光斑尺寸可能为1-5毫米(mm)。对于透射靶X射线源，通常为几微米的光斑尺寸，例如1μm到5μm。事实上，一些透射源的光斑尺寸低至150纳米(nm)。无论如何，X射线源的尺寸通常会限制X射线投影显微镜的分辨率。
对于许多显微镜检查应用，经常使用透射靶X射线源。在X射线管的基本配置中，热离子发射或场发射电子在真空管中的阴极(灯丝)处产生并被加速到阳极(形成由不同的静电和(电)磁性光学元件成形的电子波束)。例如，磁性透镜通常在铁极片内使用铜线线圈。通过线圈的电流在极片的孔中产生磁场。静电透镜采用带电电介质来产生静电场。然后电子波束在其背面撞击通常很薄的靶。常见的靶材料是钨、铜和铬。然后从靶正面发出的X射线用于照射物体。
X射线源通常需要控制电子设备来调节、控制和/或监测电子发射系统(或电子“枪”)。这些电子设备通常被称为“枪控制器”。
枪控制器电连接到电子枪部件，例如灯丝、抑制器阴极、引出阴极等。
在许多设计中，在操作过程中，枪电子设备会升高到数千伏的高压电位，并且需要提供电流隔离。这是因为电子向更正的电极(阳极)加速。如果靶需要靠近样品，那么它也需要接地以避免对样品产生电弧。因此，灯丝需要处于高负电压。而且，现在枪控制器还需要处于非常高的负电压。
通常，枪控制电子设备也封装在环氧树脂中或浸没在绝缘油中。在任何情况下，枪控制电子设备都位于维修人员难以或无法到达的地方。
发明内容
更复杂的枪控制器需要更智能的控制系统，该控制系统通过诸如中央处理单元(centralprocessing units，CPUs)、数字信号处理器(digital signalprocessors，DSPs)或现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate arrays，FPGAs)等数字处理器采用数字控制。所有这些数字控制子系统都需要编程，如果可能的话，还需要“在现场”重新编程。由于它们通常位于物理上难以接近的高压环境中，因此数字控制通过为该高压环境提供的电流隔离而远程地实现。
本发明涉及光通信链路以提供系统控制器和枪控制器之间的电流隔离通信。在特定示例中，通过一根或更多根光纤提供链路。
在该实施方式中，每根光纤可以一起传输一个或多个信号，并通过特定的通信协议对这些信号进行编码。甚至可以采用通过公共光纤的双向光通信。
主要优点是通信方法的多功能性以及总共只需要一根或两根光纤以在每个方向上携带实际上无限数量的信号的事实。特定协议包括一根或更多根光纤上的千兆以太网。
本发明还涉及枪控制器的数字控制系统和远程编程。枪控制器的枪数字处理器需要某种配置才能运行。通常，此配置是程序(用于CPU和DSP)或配置文件(用于FPGA)并存储在靠近处理器的非易失性存储器中。上电后，程序或配置文件由数字处理器加载和执行。有时信息直接存储在处理芯片内部，有时存储在附加存储器(如快闪存储器)中。
这种典型设置的唯一缺点是枪控制器可能在恶劣的X射线环境中运行的事实，这使得使用快闪存储器非常危险。持续的X射线轰击会慢慢擦除内存并使其不可靠。如果程序可以“即时”加载会更好。
在本方法中，枪控制器包括枪数字处理器，并且系统控制器在上电后为数字处理器提供配置。这样，数字处理器的运行就不会受到枪控制器周围的长期辐射的损害。
可以通过光纤链路提供该配置。此后链路的一根或更多根光纤优选地用于连续地向枪控制器发送数据。另一光纤或同一光纤可以将信息从枪控制器传回主系统数字控制器。这包括所有所需的遥测数据，如数字化电压、电流、温度等。
本发明还涉及用于枪数字处理器的监视定时器。如果在一段时间内没有发生通信，枪数字处理器将被重置。这允许随时对处理器进行重新编程。
通常，根据一个方面，本发明的特征在于一种X射线源，包括系统控制器，靶，用于产生电子以形成波束从而撞击靶以产生X射线的电子源，用于加速波束的高压发生器，以及用于控制电子源并在每次启动时从系统控制器接收配置的枪控制器。
源可以包括由枪控制器控制的源线圈。
枪控制器可以包括现场可编程门阵列(FPGA)，并且系统控制器在上电后为数字处理器提供配置文件。在其他情况下，枪控制器包括中央处理单元(CPU)或数字信号处理器(DSP)，系统控制器在上电后为数字处理器提供程序。
可以在系统控制器和枪控制器之间使用光通信链路，系统控制器通过该光通信链路向枪控制器提供配置。该光通信链路可以包括用于将数据从所述系统控制器传输到所述枪控制器的至少下行链路光纤和用于将数据从所述枪控制器传输到所述系统控制器的至少上行链路光纤。
在示例中，光通信链路将检测到的枪控制器的电压编码为光脉冲的频率。通常，该链路包括用于将数据从所述系统控制器传输到所述枪控制器的至少下行链路光纤和用于将数据从所述枪控制器传输到所述系统控制器的至少上行链路光纤。
枪控制器可以是或包括现场可编程门阵列(FPGA)或复杂可编程逻辑设备(CPLD)，并且系统控制器在上电后为数字处理器提供配置文件。然而，枪控制器也可以是中央处理单元(CPU)或数字信号处理器(DSP)，系统控制器在上电后为数字处理器提供程序。
通常，根据又一方面，本发明的特征在于一种X射线源，包括系统控制器，靶，用于产生电子以形成波束以撞击靶从而产生X射线的电子源，用于加速波束的高压发生器，以及用于在系统控制器的控制下控制电子源和波束形成的枪控制器。枪控制器包括数字处理器和监视定时器，用于在一段时间无响应后重置数字处理器。
在操作中，监视定时器接收来自所述系统控制器的保活信号并且在未能接收到所述保活信号(keep-alive signal)之后重置所述数字处理器。
通常，根据又一方面，本发明的特征在于一种X射线源，包括系统控制器，靶，用于产生电子以形成波束从而撞击靶以产生X射线的电子源，用于加速所述波束的高压发生器，以及用于控制电子源的枪控制器。光纤链路用于实现系统控制器和枪控制器之间的通信。
通常，根据又一方面，本发明的特征在于一种X射线源，包括靶，用于监测所述靶的靶电流的系统控制器，用于产生电子以形成波束从而撞击靶以产生X射线的电子源，在系统控制器的控制下为电子源供电的高压发生器，用于操纵波束的源线圈，以及用于控制所述电子源和所述源线圈并接收用于控制所述源线圈的靶电流信息的枪控制器。
通常，根据又一方面，本发明的特征在于一种X射线源，包括靶，用于监测所述靶的靶电流的系统控制器，用于产生电子以形成波束从而撞击靶以产生X射线的电子源，用于加速所述波束的高压发生器，用于控制电子源的枪控制器，枪控制器包括用于将所述枪控制器的参数数字化并产生模拟控制信号的模拟接口单元。
一般而言，根据又一方面，本发明的特征在于一种枪控制器，用于控制所述电子源，并监测用于枪控制器的电源从而控制所述电源的操作。
一般而言，根据又一方面，本发明的特征在于一种用于监测到电子源的电流的枪控制器。
现在将参照附图更具体地描述本发明的上述和其他特征，包括各种新颖的构造细节和部件组合以及其他优点，并在权利要求中指出。应当理解，体现本发明的具体方法和装置是通过说明的方式示出的，而不是对本发明的限制。在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的原理和特征可以用于各种和众多的实施例中。
附图说明
在附图中，附图标记在不同视图中始终指代相同的部分。附图不一定按比例绘制；相反，重点放在说明本发明的原理上。图中：
图1是根据本发明的X射线源的示意性截面图；
图2是根据本发明原理在系统控制器和枪控制器之间控制X射线源的示意图；
图3是显示系统数字处理器210和枪数字处理器305在重置、配置和操作期间的操作的泳道图；以及
图4是表示枪控制器的详细情况的概略框图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的说明性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。
如本文所用，术语“和/或”包括一个或更多个相关列出的项目的任何和所有组合。此外，所有使用的连词都应在可能的最包容的意义上理解。因此，“或”一词应被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文另有明确需要。此外，单数形式和冠词“一个(a)”、“一个(an)”和“这(the)”也旨在包括复数形式，除非另有明确说明。将进一步理解，术语：包含(includes)，包括(comprises)，包含(including)和/或包括(comprising)，当在本说明书中使用时，指定所述特点、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个附加特点、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。此外，应当理解，当包括部件或子系统的元件被提到和/或显示为连接或耦合到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件或者可以存在中间元件。
应当理解，尽管本文使用诸如“第一”和“第二”之类的术语来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。因此，以下讨论的元件可以称为第二元件，并且类似地，第二元件可以称为第一元件而不背离本发明的教导。
除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解，术语，例如在常用词典中定义的术语，应被解释为具有与其在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且不会以理想化或过于正式的意义来解释，除非在此明确定义。
图1是根据本发明的原理构造的X射线源100的示意性截面图。
所示实施例是“透射靶”源。电子波束B撞击靶组件500的靶，并且从靶的相对侧发射的X射线用于照亮物体。也就是说，以下创新的许多方面同样适用于其他X射线管源配置，包括侧窗、旋转阳极和金属喷射阳极。
通常，X射线源包括真空容器112和布置在真空容器内的油容器114。优选地，真空容器112是金属，例如铝或不锈钢，用于抵抗真空的强度。油容器114优选地由诸如陶瓷之类的非导电材料(例如烧结氧化铝)构造，提供电绝缘以防止对油容器所包含的高压部件产生电弧。
真空发生器118用于在真空容器112上抽吸和/或保持真空。在一个示例中，使用离子泵。
布置在油容器内部的是热交换器119。为此，板式热交换器可用于将热能(热量)从油中转移到冷却剂中，例如在交换器中循环的水。一些实施例进一步采用油浸泵121在油容器114内循环油。在优选实施例中，循环器152用于使冷却剂流过热交换器119并带走油中的热量。
通常，真空容器112限定了体积抽空区域，电子波束B通过该区域从通常位于油容器114的远端附近的电子发射器126(灯丝或阴极)传播到由靶组件500保持的靶。抽空区域还优选地围绕油容器的包含高压部件的至少一部分以提供高压绝缘。
系统控制器200位于两个容器112、114的外部。它包含主控制器和到外部设备的数据接口。它还包含用于连接到主电力供应的电源。此外，它还控制真空发生器118和循环器152。
高压发生器116位于油容器114中。高压发生器的基部位于油容器114的近端，允许高压发生器从系统控制器200接收电力。高压发生器116浸入在油容器114包含的油中，用于热控制和高压绝缘。使发生器116相对较小主要需要油。然而，发生器116也可以是密封的。向远侧移动，高压发生器116通过油和真空容器112周围的真空进一步与环境电隔离。
当前示例中的高压发生器116产生负的20-160kV加速电压并且为控制电子源(发射器或灯丝)等的枪控制器300提供电力。高压发生器将整个枪控制器偏置到这个大的负电压，以便产生的电子将朝向较小的负电压和地面加速。
内容器120位于高压发生器116远端的远侧。内容器120浸入油容器114的油中。在当前实施例中，内容器优选地由如铝和软铁的金属构成。它还充满了油，这有助于传递来自电子设备的热量，以及来自源线圈的热量，这将在后面解释。
枪控制器300封装在内容器120内，内容器还用作法拉第笼以电保护控制器300。枪控制器300驱动电子发射器并提供对电子发射器、波束生成、调节和操纵的控制。
电子发射器，例如灯丝，126保持在灯丝底座124中。在当前示例中，电子发射器126包括六硼化镧(LaB6)晶体和碳加热器棒。它投射到真空容器的真空中，用作热电子源或电子发射器(阴极)。其他配置也是可能的，例如W、CeB6、HfC和碳纳米管灯丝。
真空馈入装置122通过包含在油容器114中的油，提供内容器120中的枪控制器300与油容器114的外壁之间的电连接。
抑制器电极或韦尔内特盖127安装到灯丝底座124的远侧并覆盖灯丝126。从灯丝126发射的电子穿过抑制器电极127的中心孔。抑制器电极127电压由枪控制器300控制。
保护场盖138具有一般的钟形，在电子发射器126及其灯丝座124上方延伸并环绕回油容器114的远端。保护场盖138远端承载第一或提取阳极140。第一阳极和盖的电压由枪控制器300控制以加速发射的电子变成波束B并通过第一阳极140的中心孔141。因此，在操作中，电子波束通过第一阳极140的中心孔141。
然而，第一阳极不是必需的。该系统也可以设计为没有第一阳极，并依靠其他方式来加速电子。
波束B被引导通过真空容器112远端壁中的飞行管孔组件142的孔。该光管孔组件用作第二阳极并且当前保持在接地电位143。因此，随着枪控制器被偏置到大的负电压，电子在第一阳极140和飞行管孔组件142之间的间隙中被进一步加速。
另一方面，在其他实施例中，光管孔组件142通过诸如金刚石的绝缘垫圈与真空容器112电隔离。并且，增加了电压发生器以向飞行管孔组件提供受控电位。在该配置中，系统控制器200还控制第二阳极的电压，以提供对电子波束B的进一步控制，例如进一步加速。飞行管组件400将真空延伸到靶组件500的靶处。飞行管歧管150利用来自循环器152的诸如水的冷却剂通过飞行管组件壁向靶组件提供液体冷却。
沿着飞行管组件400布置飞行管波束操纵以及成形系统600以调节电子波束并将波束引导到靶上的任意位置。这是由飞行管组件400和波束操纵以及成形系统600完成的，波束操纵以及成形系统引导电子波束B以期望的角度和位置通过磁聚焦透镜700。通常，当靶在操作期间被消耗时，波束操纵会将光斑定位在靶上的不同位置。
进一步沿着飞行管组件400布置磁聚焦透镜700以将波束B聚焦在靶上。
优选地，飞行管波束操纵以及成形系统600和磁聚焦透镜700均由循环器152循环的冷却剂冷却，并由系统控制器200控制。
一组源线圈132N、132S(未示出(在图像平面之前和之后)：132E、132W)和它们各自的芯134N、134S(未示出：134E和134W)与油容器114、枪控制器内容器120和保护场盖138集成在一起。线圈位于真空容器的真空之外。在一个示例中，它们可以位于真空容器的外壁上，暴露于环境大气中。在所示示例中，源线圈132N、132S、132E、132W位于油容器中并且因此被所含的油有效地冷却，尽管线圈可以替代地被密封。
更一般地，油可以用灌封材料或任何其他高压兼容冷却材料代替，例如SigmaAldrich的Fr-77、3M的Sf6-Novec4710或C3F7CN。
更详细地，两个源线圈132N、132S通常位于灯丝126的上方和下方。另外两个源线圈132E、132W分别位于图平面下方和上方的另外两个轴处。北极片130N和南极片130S分别从源线圈132N、132S的芯134N和134S延伸，环绕保护场盖138的内侧，分别在第一阳极140的中心孔141的上方和下方汇聚。并且，以类似的方式，东极片130E和西极片130W(分别在图平面下方和上方的另外两个轴处)从源线圈132E、132W的芯134E和134W延伸，环绕保护场盖138的内横向侧，分别会聚到中心口141的左侧和右侧，从而在真空中形成围绕发射器的磁路。
极片130N、130S、130E和130W可以机械地连接到发射器区域中的几乎任何东西。因此，虽然它们在所示实施例中由保护场盖承载，但它们不需要直接连接。也就是说，在当前示例中，极片130N、130S、130E和130W连接到保护盖，保护场盖电力上处于第一阳极140的电位。
环状的环形轭135位于芯134N、134S、134E和134W的近侧，并被制造为容器120的一部分以改善磁路。事实上，在当前实施例中，内容器120的远端是软铁，因此通过引导芯之间的磁通量来完成磁路。
在优选实施例中，源线圈132N、132S、132E、132W的磁路通过可磁化的或铁磁的壁式插板136N、136S、136E、136W进一步改进。这些壁式插板插入形成在油容器114中的洞中，这些洞与各个芯134N、134S、134E和134W的远端相对。这提高了通过电路的磁通量。具体地，插板使线圈芯134N、134S、134E和134W与相应的极片130N、130S、130E和130W之间的间隙最小化。
可能的是，插板136N、136S、136E、136W插入到先前钻入陶瓷油容器114中的洞中。可替代地，上述可以通过将镍钴铁合金或软铁插板焊接到不锈钢真空腔室112的预钻洞来实现。其他组合也是可能的。
在当前实施方式中，源线圈132N、132S、132E、132W由枪控制器300以电流控制模式驱动和操作。通过系统控制器200测量穿过“阳极孔”到达靶的波束量，间接获得反馈，系统控制器200将该信息提供给枪控制器。源线圈由枪控制器300控制，在其源附近操纵电子波束，并且具体地在灯丝126和第一阳极140之间的间隙中操纵电子波束，从而在电子波束初始加速时操纵波束。
然而，应当注意，在其他实施例中，高压发生器可以是真空容器外部的单独部件。
图2示出了根据本发明的原理，X射线源100的控制如何在系统控制器200和枪控制器300之间分配，以及它们的通信。
系统控制器200具有用作X射线源100的主控制器的系统数字处理器210。通常，这是一个中央处理单元，通过诸如以太网(IEEE 802.3)接口的数字接口接收用户指令到主机。系统数字处理器210使用系统存储器212。该系统存储器存储系统数字处理器的配置，即程序，以及枪处理器配置214。它通常还存储系统校准数据215。
枪处理器305可以采取多种不同的形式。如果枪处理器305是CPU或DSP或其他类型的微控制器，则存储在系统存储器212中的枪处理器配置214是包括用于枪数字处理器305的引导程序的程序。另一方面，如果枪数字处理器305是FPGA或CPLD，那么枪处理器配置214通常被称为配置文件。在任何情况下，枪数字处理器305的配置都存储在不受X射线源100产生的任何辐射的环境中。每次将配置发送到枪控制器的另一个原因是即时配置，无需对枪控制器内的快闪存储器重新编程。然而，处理器305通常还包括存储器306。在一些示例中，添加辐射屏蔽以保护该存储器306。
此外，系统控制器200包含用于操作源100的许多其他驱动器和监视设备。具体地，它包括靶电流接收器220，靶电流接收器220检测来自靶组件500的靶电流。还包括磁透镜驱动器222，其使得系统数字处理器210能够控制磁聚焦透镜700的操作。此外，波束操纵以及成形系统驱动器224使系统数字处理器210能够控制波束操纵以及成形系统600。真空驱动器232允许系统数字处理器向真空发生器例如离子泵116提供电力以维持真空。它还接收来自该真空泵的模拟反馈。
系统数字处理器210通过高压发生器驱动器226控制高压发生器116。它还包括电源228。
在高压发生器216中，高压倍增器170用于产生提供给枪控制器300的高压。此外，隔离变压器172将从电源228接收的电力提供给枪控制器300。该变压器将系统控制器200的电源228与枪控制器300操作的高电位隔离。
在一些示例中，不使用隔离变压器172。相反，电力是从高压倍增器提供的高压电力中获取的。然而，单独的隔离变压器172的优点是，枪控制器300可以与其枪数字处理器305一起上电，而无需高压倍增器的高压输出。
在电子枪控制器300上，电子枪数字处理器305控制与电子波束形成相关的部件。具体地，灯丝加热器和驱动器312提供功率以加热灯丝126。灯丝U/I传感模块314监测灯丝126的操作并向枪数字处理器305提供反馈。
抑制器电压控制器316控制抑制器电极127的电位。第一阳极电压控制器318允许数字处理器305调节第一阳极140的电压。枪数字处理器305通过控制源线圈132N、132S、132E、132W的源线圈驱动器310控制电子波束的操纵。
双向光纤链路180提供系统控制器200的系统数字处理器210和枪控制器300的枪数字处理器305之间的通信。光纤链路保持在系统控制器光电接口230和枪控制器光电接口320之间。通常，光纤链路包括一根或更多根，通常包括两根或更多根光纤。优选地，这些是多模光纤，但也可以使用单模光纤。另一方面，每个光电接口230、330包括发送器，该发送器包括对信息进行光学编码以通过光纤传输的二极管激光器。此外，每个光电接口230、330包括接收器，通常是光电二极管，该接收器检测来自另一个激光二极管的调制光，以将该光解码为用于系统数字处理器210和枪数字处理器305的电子信号。
在操作期间，枪数字处理器305通过光链路180向系统数字处理器报告灯丝126、抑制器电极127、第一阳极140和发射器操纵线圈132的操作。通常，枪数字处理器305传输状态数元(过电流、系统健康)、温度、供电电压、供电电流。另一方面，系统数字处理器210将以下信息传送到枪数字处理器：联锁状态(用于紧急波束关闭)、软件监视信号、所有子系统的启用数元以及所有请求的电压和电流(韦尔内特(Wehnelt)，第一阳极140，灯丝，源线圈)。
在启动操作期间，枪数字处理器305通过隔离变压器172从系统控制器接收电力，并立即开始寻找通过光纤链路180经由光电接口320接收的配置。结果，在启动期间系统数字处理器210读取枪处理器配置214，并将其转发到光电接口230以通过光纤链路182传输到枪数字处理器305，枪处理器配置214存储在其系统存储器212中。在当前示例中，枪数字处理器305是FPGA并且处理器305被设置为被编程为“从串行”，其在重置后接收异步时钟配置比特流。
枪控制器中还包括监视器322。它监视光纤链路上的通信，以获得由系统控制器200发送的周期性保活时钟信号。如果监视器322在设定的超时时间段(例如小于5毫秒)后未能检测到时钟，则监视器322重置枪数字处理器。
在重置时，枪数字处理器305的输出引脚具有指定状态。FPGA通常在复位时将所有引脚拉高。枪控制电子设备的实施方式是在重置时关闭电子波束、灯丝加热器和操纵线圈。
枪数字处理器305控制源线圈132N、132S、132E、132W。更详细地，在当前实施方式中，系统数字处理器210通过靶电流接收器220监测靶电流。该靶电流信息用于确定到各个源线圈132N、132S、132E、132W的驱动电流。然后这些期望的驱动电流通过光纤链路180被中继到枪数字处理器305。枪数字处理器使用这些电流设置来控制源线圈132N、132S、132E、132W，以便在操作过程中操纵波束通过孔到达靶。
然而，在其他实施例中，靶电流信息被发送到枪数字处理器，然后枪数字处理器确定不同线圈的驱动电流。
图3显示了系统数字处理器210和枪数字处理器305之间的通信。
更详细地，在复位期间，系统数字处理器210没有通过光纤链路180向枪数字处理器305发送通信，光纤链路180在示例中包括两根光纤F1、F2。结果，在步骤610等待预先确定的超时时间段，例如一秒，然后在步骤612枪数字处理器305执行自重置，等待配置。
在配置期间，第一光纤F1发送时钟并且第二光纤F2发送对枪数字处理器305的枪配置214进行编码的比特流。在此通信期间，枪数字处理器305在步骤614中接收其配置，然后执行该配置。
在连接和正常操作状态期间，光纤F1和F2将数据流发送到枪数字处理器305，第三光纤F3按照枪配置214提供的操作将数据流从枪数字处理器305传输到系统数字处理器210。
在其他示例中，仅使用一根光纤。代替F1(时钟)和F2(数据)，只有F1具有预先确定的比特率和协议，例如标准的RS232或RS485通信。
然后，在随后的重置阶段，如果在超时616之后没有从系统数字处理器接收到信号，然后在步骤618枪数字处理器305经历另一个自重置，等待配置。
图4是表示枪控制器细节的示意框图。
在所示示例中，双向光纤链路180包括三根光纤F1、F2、F3。它们终止于光/电模块320。在当前示例中，系统功能类似于直接存储器访问，其中来自光纤的数据直接写入存储器306。同时，存储器的内容从枪数字处理器305发送到系统控制器200。
枪电源340从隔离变压器172接收20伏交流电。然后它产生12伏直流电和3.3伏直流电用于枪控制器300的操作。
模拟接口单元342用作枪数字处理器305和模拟部件之间的接口，模拟部件包括源线圈驱动器阵列310、灯丝加热器/驱动器312、灯丝传感单元314、第一阳极电压控制器318和抑制器电压控制器316。具体地，对于该操作，模拟接口342包括若干模数转换器344的级和若干数模转换器346的级。
源线圈驱动器阵列310包括用于驱动北线圈132N的北线圈驱动器348、用于驱动南线圈132S的南线圈驱动器350、用于驱动东线圈132E的东线圈驱动器352和用于驱动西线圈132W的西线圈驱动器354。这些线圈驱动器348-354中的每一个从数模转换器级346接收分开的电流选择信号。这些选择信号用于设置相应驱动器/线圈对的电流电平。
灯丝加热器/驱动器132包括直流-直流转换器356。它从枪电源340接收12VDC。由数模级346提供的电压选择信号设置由直流-直流转换器356生成的电压，从而控制到灯丝126的驱动电流。
灯丝U/I传感单元314包括电流传感器358和电压传感器360。它们产生由模数转换器级344数字化的电流传感信号和电压传感信号，使得灯丝126的电流和电压(由直流-直流转换器356产生)可以由枪数字处理器305监测。此外，处理器305现在可以监测灯丝中耗散的功率并使用该信息来间接估计灯丝温度。
在一个示例中，枪数字处理器监测灯丝126两端的电压和通过灯丝126的电流，尤其是随着时间的推移。根据该信息，监测灯丝126的电阻，特别是该电阻随时间的变化，以评估灯丝126的磨损和当前状态。在许多示例中，该信息进一步用于优化控制灯丝，以提高其长期运行和使用寿命。这在使用钨灯丝时特别有用。
第一阳极电压控制器318包括直流-直流转换器362。来自数模级346的电压选择信号允许枪数字处理器305设置施加到第一阳极140的电压。电压传感信号允许枪数字处理器305通过模数转换器级344监测第一阳极140的实际电压。
抑制器电压控制器316还包括直流-直流转换器364，直流-直流转换器364产生施加到抑制器电极127的电压。电压传感信号允许枪数字处理器305通过模数转换器级344监测抑制器127的实际电压。
枪控制器300还读取由隔离变压器172的输出提供的电压，并向系统控制器200的电源228提供反馈控制，以将电压调节到标称20VAC。随着枪控制器中负载的变化(通过改变线圈电流和用不同功率加热灯丝)，该供电电压也随着负载的变化而变化。模拟接口342对来自隔离变压器172的电压进行采样，并将数字化电压报告给枪数字处理器305，枪数字处理器305将电压读数发送回系统控制器200。系统控制器200依次调节从电源228到隔离变压器172的功率输出，直到来自枪控制器300的反馈表明枪控制器的电源处于所需电压。
在当前实施例中，电源228对隔离变压器实施脉冲宽度调制。在其期间输送电力的“开启时间”根据来自枪控制器300的电力需求而改变。更详细地，电源228在持续时间t1内开启交流正相电源，在持续时间t2内关闭，在持续时间t1内开启负相电源，在持续时间t2内关闭。电源控制t1/(t1+t2)的比率以实现所需的输出功率和电压，并控制(t1+t2)以实现所需的开关频率。在相同的开关频率下，随着t1变大，t2变小相同的量。
尽管本发明已参照其优选实施例进行了具体展示和描述，但本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所涵盖的本发明范围的情况下，可以对其中的形式和细节进行各种改变。
相关申请的交叉引用
本申请涉及于同日提交的美国申请号为17/238,785，名称为“具有液冷源线圈的X射线源”，发明人为Claus Flachenecker和ThomasA.Case，代理人卷号为0002.0085US1(2020ID00440)，美国专利公开号现为：______的申请；和
于同日提交的美国申请号为17/238,799，名称为“用于液体冷却隔离X射线透射靶的方法和系统”，发明人为Claus Flachenecker、Bruce Borchers和ThomasA.Case，代理人卷号为0002.0086US1(2020ID00442)，美国专利公开号现为：______的申请。
所有上述申请均通过引用整体并入本文。
Claims (20)
1.一种X射线源，包括：
系统控制器；
靶；
电子源，其用于产生电子以形成波束从而撞击所述靶以产生X射线；
高压发生器，其用于加速所述波束；以及
枪控制器，其用于控制所述电子源并在每次启动时从所述系统控制器接收配置。
2.根据权利要求1所述的源，还包括由所述枪控制器控制的源线圈。
3.根据权利要求1所述的源，其中，所述枪控制器包括现场可编程门阵列FPGA，并且所述系统控制器在上电后为所述数字处理器提供配置文件。
4.根据权利要求1所述的源，其中，所述枪控制器包括中央处理单元CPU或数字信号处理器DSP，并且所述系统控制器在上电后为所述数字处理器提供程序。
5.根据权利要求1所述的源，还包括在所述系统控制器和所述枪控制器之间的光通信链路，所述系统控制器通过所述光通信链路向所述枪控制器提供配置。
6.根据权利要求5所述的源，其中，所述系统控制器和所述枪控制器之间的光通信链路包括用于将数据从所述系统控制器传输到所述枪控制器的至少下行链路光纤和用于将数据从所述枪控制器传输到所述系统控制器的至少上行链路光纤。
7.一种X射线源，包括：
系统控制器；
靶；
电子源，其用于产生电子以形成波束从而撞击所述靶以产生X射线；
高压发生器，其用于加速所述波束；
枪控制器，其用于在所述系统控制器的控制下控制所述电子源和所述波束的形成，所述枪控制器包括数字处理器和用于在一段时间无响应后重置数字处理器的监视定时器。
8.根据权利要求7所述的源，其中，所述监视定时器接收来自所述系统控制器的保活信号并且在未能接收到所述保活信号之后重置所述数字处理器。
9.根据权利要求7所述的源，还包括在所述系统控制器和所述枪控制器之间的光通信链路，所述系统控制器通过所述光通信链路向所述枪控制器提供配置。
10.根据权利要求9所述的源，其中所述系统控制器和所述枪控制器之间的所述光通信链路包括用于将数据从所述系统控制器传输到所述枪控制器的至少下行链路光纤和用于将数据从所述枪控制器传输到所述系统控制器的至少上行链路光纤。
11.一种X射线源，包括：
系统控制器；
靶；
电子源，其用于产生电子以形成波束从而撞击所述靶以产生X射线；
高压发生器，其用于加速所述波束；和
枪控制器，其用于控制所述电子源；以及
光纤链路，其用于实现所述系统控制器和所述枪控制器之间的通信。
12.根据权利要求11所述的源，其中，所述枪控制器是现场可编程门阵列FPGA，并且所述系统控制器在上电时为所述数字处理器提供配置文件。
13.根据权利要求11所述的源，其中，所述枪控制器是中央处理单元CPU或数字信号处理器DSP，并且所述系统控制器使用所述光纤链路为所述数字处理器提供程序。
14.根据权利要求11所述的源，其中，所述系统控制器和所述枪控制器之间的所述光纤链路包括用于将数据从所述系统控制器传输到所述枪控制器的至少下行链路光纤和用于将数据从所述枪控制器传输到所述系统控制器的至少上行链路光纤。
15.一种X射线源，包括：
靶；
系统控制器，其用于监测所述靶的靶电流；
电子源，其用于产生电子以形成波束从而撞击所述靶以产生X射线；
高压发生器，其用于在所述系统控制器的控制下为所述电子源供电；
源线圈，其用于操纵所述波束；以及
枪控制器，其用于控制所述电子源和所述源线圈，并接收用于控制所述源线圈的靶电流信息。
16.根据权利要求15所述的源，其中，所述系统控制器将所述靶电流信息转发给所述枪控制器。
17.根据权利要求15所述的源，还包括光纤链路，用于实现所述系统控制器和所述枪控制器之间的通信并传输所述靶电流信息。
18.一种X射线源，包括：
靶；
电子源，其用于产生电子以形成波束从而撞击所述靶以产生X射线；
高压发生器，其用于加速所述波束；
枪控制器，其用于控制所述电子源，包括用于将所述枪控制器的参数数字化并产生模拟控制信号的模拟接口单元。
19.一种X射线源，包括：
靶；
系统控制器，其用于监测所述靶的靶电流；
电子源，其用于产生电子以形成波束从而撞击所述靶以产生X射线；
高压发生器，其用于加速所述波束；
枪控制器，其用于控制所述电子源，并监测用于所述枪控制器的电源，以便控制所述电源的操作。
20.一种X射线源，包括：
靶；
系统控制器，其用于监测所述靶的靶电流；
电子源，其用于产生电子以形成波束从而撞击所述靶以产生X射线；
高压发生器，其用于加速所述波束；
枪控制器，其用于监测到所述电子源的电流。
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