CN208271827U - 集成高压电源的场发射自聚焦脉冲x射线发生装置 - Google Patents
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Abstract
一种集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，由X射线发生部分和高压发生器组成，它们之间的连接关系是：高压发生器的正极与X射线发生部分的阳极相连，高压发生器的负极与X射线发生部分的阴极相连；X射线发生部分采用基于碳纳米管场发射器件的二极管结构，包括X射线发生部分的阴极和X射线发生部分的阳极；碳纳米管场发射器件作为X射线发生部分的阴极；高压发生器包括控制电路、变压器及高压耦合电路；高压发生器由外接低压直流电源供电；变压器采用高匝数比的升压变压器；变压器初级线圈与控制电路相连，变压器次级线圈通过耦合电路分别与X射线发生部分的阴极和X射线发生部分的阳极连接；耦合电路由整流二极管及耦合电容组成。
Description
【技术领域】
本实用新型一种集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，应用于真空电子设备、X射线、电子枪、计算机断层扫描及无损检测等技术领域。
【背景技术】
X射线是通过高速电子轰击高原子量的金属靶产生的。典型的X射线管包括金属阳极靶，阴极电子源，高压电源。传统的X射线管采用热发射钨丝阴极产生电子束。由于钨丝的升温和降温过程相对缓慢，传统的X射线管无法实现高速开关。采用热阴极的X射线管的结构如附图1A所示。热阴极X射线管中X射线阳极113和基于钨丝的X射线发生部分的热阴极114置于真空室112中。高压电源和阴极灯丝电源111分别为X射线阳极113和基于钨丝的X射线发生部分的热阴极114供电。
随着碳纳米管场发射技术的发展，一些采用场发射冷阴极的X射线管被开发出来，如附图1B-1D所示，请参阅专利公开号：CN101521135A的文件，并被用于一些实验性的X射线成像系统，请参阅专利公开号：CN104768467A的文件。最简单的二级结构的场发射X射线管如图1B所示。二极结构的场发射X射线管中X射线阳极113和基于场发射的X射线发生部分的阴极124置于真空室112中。高压电源121为X射线阳极113供电。
然而，当普通碳纳米管场发射阴极连续工作几秒后会出现热失控而烧毁，因此碳纳米管阴极必须工作在脉冲状态。栅极控制成为场发射X射线管的常用结构，如附图1C所示。带有控制栅极的X射线管中X射线阳极113、控制栅极135和基于场发射的X射线发生部分的阴极124置于真空室112中。高压电源和栅极控制电路131分别为X射线阳极113和控制栅极135供电。
此外，为了能够实现精确聚焦和栅极控制，一些现有技术采用复杂的多极结构，如附图1D所示，请参考文献：J.-W.Kim et al.,“Electrostatic Focusing Lens ModuleWith Large Focusing Capability in Carbon Nanotube Emitter-Based X-RaySources,”IEEE Electron Device Lett.,vol.36,no.4,pp.396–398,Apr.2015.。带有控制栅极和聚焦结构的X射线管中X射线阳极113、控制栅极135，电子束聚焦结构146和场发射阴极124置于真空室112中。复合控制电路141分别为X射线阳极113，电子束聚焦结构146和控制栅极135供电。
多极结构不仅增加了X射线管的成本和复杂程度，同时由于元器件的增多，可靠性也会显著下降。现有技术中，高压电源与X射线管是两个相互独立的部件通过高压电缆相连。高压电缆和高压连接器非常笨重，大大影响了系统的便携性和可移动性。
【实用新型内容】
本实用新型主要针对上述的场发射X射线管结构过于复杂，电路复杂，可靠性差，聚焦性能差以及碳纳米管寿命短的问题，提供一种小型中低功率的X射线发生装置。该装置将脉冲高压电源与X射线发生部件集成为一体(如图2和图3所示)。通过变压器产生的磁场对电子束聚焦。本装置具有结构简单，性能可靠，寿命长等优点。
本实用新型是一种集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，由X射线发生部分和高压发生器组成，它们之间的连接关系是：高压发生器的正极与X射线发生部分的阳极相连，高压发生器的负极与X射线发生部分的阴极相连。
该发生装置除低压电源与控制电路外，其他部件(包括X射线阴极和阳极、变压器及高压耦合电路)全部置于高真空或超高真空的真空室中。真空室的压强低于1x10-6Pa。
X射线发生部分采用基于碳纳米管场发射器件的二极管结构，包括X射线发生部分的阴极和X射线发生部分的阳极。碳纳米管场发射器件作为X射线发生部分的阴极，X射线发生部分的阳极由高熔点高原子量的金属材料制成，例如钨、金、钼等。
高压发生器包括控制电路、变压器及高压耦合电路。高压发生器由外接低压直流电源供电。变压器采用高匝数比(匝数比大于200：1)的升压变压器。变压器初级线圈与控制电路相连，变压器次级线圈通过耦合电路分别与X射线发生部分的阴极和X射线发生部分的阳极连接。变压器的初级线圈和次级线圈由铜或银导线制作，绝缘层采用低真空排气的材料制作，常用材料为聚酰亚胺、陶瓷或者玻璃等。变压器磁芯采用高频性能好的铁氧体陶瓷材料。耦合电路由整流二极管及耦合电容组成。
本实用新型的优点及有益效果在于：
1、X射线发生部分和高压发生器集成，高压电路全部在真空中，无需高压电缆和高压连接器(如图2所示)；本实用新型采用高度优化的小型高压升压变压器，变压器工作在谐振频率上。变压器的升压比为匝数比与线圈品质因数的乘积，因此体积小，升压效率高，可满足中小功率X射线应用对电压和电流的要求。变压器采用真空排气低的耐高温材料制成，可以在真空环境中稳定工作，同时，工作时产生的高温不会降低真空度。电路中所有高压部分都在真空中，外部电路中无需高压绝缘，因此整个装置的尺寸和重量大大降低，同时提高了本装置的安全性和可靠性。
2、变压器采用开放磁路设计，利用磁通量的不均匀性聚焦电子束(如图4所示)；由于变压器采用开放磁路设计，在靠近磁芯的位置磁通密度高，远离磁芯的位置，磁通密度低。本实用新型中，X射线发生部分的阴极置于磁通密度较低的位置，X射线发生部分的阳极置于磁通密度高的位置。当电子离开X射线发生部分的阴极之后，受电场力的作用飞向X射线发生部分的阳极。由于磁场的存在，电子沿着以磁力线为轴线的螺旋线运动。电子的动能是由电场提供的电势能转化而来，磁场仅改变电子运动方向，不会引起能量变化。随着磁通密度的增加，电子束在飞向X射线发生部分的阳极的同时逐渐汇聚，达到聚焦的目的。
3、X射线发生部分的阴极伏安特性的非线性特性抑制了低能量电子的产生，提高了X射线管的效率；同时变压器的最大电流限制了最大X射线发生部分的阴极电流，避免了过流引起的X射线发生部分的阴极烧毁。X射线发生部分的阴极的伏安特性曲线是一个指数函数。在阈值电压以下时，X射线发生部分的阴极几乎没有电子发射，因此没有功率消耗，变压器产生的高压用于给电容充电；当变压器的输出电压与电容电压之和超过阈值电压，X射线发生部分的阴极开始发射电子产生X射线，当场发射电流超过变压器最大输出电流，变压器两端电压开始下降，抑制了电流的进一步增加，从而实现了避免X射线发生部分的阴极热失控。
【附图说明】
图1A是传统热阴极X射线管。
图1B是二极结构的场发射X射线管。
图1C是带有控制栅极的场发射X射线管。
图1D是带有控制栅极和聚焦结构的场发射X射线管。
图2是本实用新型的实施案例一的电路原理图。
图3是本实用新型的实施案例一的剖面图。
图4是磁场聚焦原理的示意图。
图5是本实用新型的实施案例二的电路原理图。
图6是本实用新型的实施案例二的剖面图。
图7是本实用新型实施例二中所使用的罐状磁芯的结构图。
图中标号说明如下：
111高压电源和阴极灯丝电源； 112真空室； 113X射线阳极；
114基于钨丝的X射线发生部分的热阴极； 121高压电源；
124基于场发射的X射线发生部分的阴极；
131高压电源和栅极控制电路； 135控制栅极；
146电子束聚焦结构； 141复合控制电路；
201低压电源和控制电路； 202玻璃真空室； 203X射线发生部分的阳极；
204基于场发射的X射线发生部分的阴极； 211变压器初级线圈；212变压器次级线圈；
213圆筒形变压器磁芯； 214整流二极管； 215耦合电容；
421电子轨迹； 422磁力线；
520电压倍增耦合电路；
613罐状变压器磁芯； 614尖锥状X射线发生部分的阳极。
【具体实施方式】
下面结合附图对本实用新型具体实施方式做进一步说明。
实施例一的电路原理图和结构剖面图示于图2和图3中。本实施例中部件包括低压电源和控制电路201、玻璃真空室202、X射线发生部分的阳极203、基于场发射的X射线发生部分的阴极204、变压器初级线圈211、变压器次级线圈212、圆筒形变压器磁芯213、整流二极管214及耦合电容215。
整个装置由12至24伏的低压直流电源或电池供电，低压电源和控制电路201产生与变压器谐振频率相等的高频信号，本实施例中为72kHz。在低压电源和控制电路201内部，高频信号通过半导体场效应管组成的H形全桥电路控制电源的切换产生高频低压大电流为变压器供电。低压电源和控制电路201置于玻璃真空室202外，通过引线与玻璃真空室202内的变压器初级线圈相连。
变压器是匝数比为500的升压变压器，初级线圈5匝，次级线圈2500匝，谐振频率为72kHz，品质因数为8。当采用12V电源时，变压器工作在谐振频率时的输出电压为12×500×8＝48千伏。变压器的次级线圈通过由高压电容和高压二极管组成的耦合电路与X射线发生部分的阴极和X射线发生部分的阳极相连。
本实施例中，基于场发射的X射线发生部分的阴极204采用垂直排列的碳纳米管阵列，碳纳米管顶端直径约5到20纳米，长度为5到10微米。间距10微米。基于场发射的X射线发生部分的阴极204由超过八千根碳纳米管构成，基于场发射的X射线发生部分的阴极204有效面积约0.8平方毫米。可提供超过20毫安的脉冲场发射电流。X射线发生部分的阳极203可为钨、钼、金等高原子量的金属或铜、银等导热率高的金属。也可以将高原子量的金属作为靶材嵌入高导热的阳极以提高X射线产生量，同时提高散热性能。X射线发生部分的阳极203做成细圆柱状置于圆筒形变压器磁芯213的中心，因为在本实施例中，该圆筒形变压器磁芯213的中心的磁通密度最大，能够达到最好的聚焦效果。X射线发生部分的阳极203要尽可能小的横截面积以避免涡电流引起阳极发热。
本实施例的原型产品在实际测量中通过空气中电弧长度测量确定输出电压超过60千伏。测得变压器输出功率为120W，可知变压器的输出电流为2毫安，能够满足实际使用需要。实际测量中，本实施例原型可以连续产生5到200毫秒的X射线脉冲。
以上实施例一是已经进行过生产和测试的原型。该实施例的一些部件可以用其他的替代方式实现。例如，制作基于场发射的X射线发生部分的阴极204的碳纳米管可以采用其他的场发射材料代替，例如石墨烯，氧化锌纳米线，硅纳米线，钨纳米线等。
本实用新型中电子束聚焦的原理示于图4中。磁力线422显示出由变压器初级和次级线圈中的电流产生的磁场的磁通密度的变化。电子轨迹421是以磁力线422为轴线的螺旋线。磁通量在靠近X射线发生部分的阳极203的位置密度较大，在靠近基于场发射的X射线发生部分的阴极204的位置密度较小。从基于场发射的X射线发生部分的阴极204发出的电子束由X射线发生部分的阳极203和基于场发射的X射线发生部分的阴极204之间的电场加速飞向X射线发生部分的阳极203，在磁场的作用下，电子束以磁力线422为轴线做螺旋线运动，且电子轨迹421直径逐渐缩小，最终实现电子束的聚焦。
实施例二采用与实施例一相同的总体结构。
本实施例中，实施例一中整流二极管214和耦合电容215由电压倍增耦合电路520替代(示于图5)。电压倍增电路可以成倍增加高压发生器输出的电压值，可以将X射线的能量提高至100千伏以上，用于需要更高能量的应用。
本实施例中，实施例一中的X射线发生部分的阳极203由尖锥状X射线发生部分的阳极614(示于图6)。尖锥状阳极可以更好地聚焦电子束，产生更小的焦点提高图像分辨率。
本实施例中，实施例一中的圆筒形变压器磁芯213由罐状变压器磁芯613替代(示于图6和图7)。罐状磁芯可以减少漏磁，提高变压器效率，以增加变压器次级线圈212的输出电流。同时，由于漏磁的减少，在X射线发生部分的阳极203和基于场发射的X射线发生部分的阴极204之间的磁通密度较使用圆筒形变压器磁芯时更大，电子束聚焦能力有所增强。
Claims (10)
1.一种集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，由X射线发生部分和高压发生器组成，其特征在于：它们之间的连接关系是：高压发生器的正极与X射线发生部分的阳极相连，高压发生器的负极与X射线发生部分的阴极相连；
该发生装置除低压电源与控制电路外，其他部件全部置于高真空或超高真空的真空室中；
X射线发生部分采用基于碳纳米管场发射器件的二极管结构，包括X射线发生部分的阴极和X射线发生部分的阳极；碳纳米管场发射器件作为X射线发生部分的阴极，X射线发生部分的阳极由高熔点高原子量的金属材料制成；
高压发生器包括控制电路、变压器及高压耦合电路；高压发生器由外接低压直流电源供电；变压器采用高匝数比的升压变压器；变压器初级线圈与控制电路相连，变压器次级线圈通过耦合电路分别与X射线发生部分的阴极和X射线发生部分的阳极连接；变压器的初级线圈和次级线圈由铜或银导线制作，绝缘层采用低真空排气的材料制作；变压器磁芯采用铁氧体陶瓷材料；耦合电路由整流二极管及耦合电容组成。
2.根据权利要求1所述的集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，其特征在于：所述其他部件包括X射线阴极和阳极、变压器及高压耦合电路。
3.根据权利要求1所述的集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，其特征在于：真空室的压强低于1x10-6Pa。
4.根据权利要求1所述的集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，其特征在于：高熔点高原子量的金属材料为钨、金、钼。
5.根据权利要求1所述的集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，其特征在于：变压器采用的高匝数比大于200：1。
6.根据权利要求1所述的集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，其特征在于：绝缘层采用材料为聚酰亚胺、陶瓷或者玻璃。
7.根据权利要求1所述的集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，其特征在于：发生装置由12至24伏的低压直流电源或电池供电，低压电源和控制电路产生与变压器谐振频率相等的高频信号。
8.根据权利要求1所述的集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，其特征在于：在低压电源和控制电路内部，高频信号通过半导体场效应管组成的H形全桥电路控制电源的切换，产生高频低压电流为变压器供电；低压电源和控制电路置于真空室外，通过引线与真空室内的变压器初级线圈相连。
9.根据权利要求1所述的集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，其特征在于：X射线发生部分的阴极采用垂直排列的碳纳米管阵列，碳纳米管顶端直径约5到20纳米，长度为5到10微米；间距10微米；X射线发生部分的阴极由超过八千根碳纳米管构成，有效面积约0.8平方毫米；提供超过20毫安的脉冲场发射电流。
10.根据权利要求1所述的集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，其特征在于：X射线发生部分的阳极做成细圆柱状置于圆筒形变压器磁芯的中心；该圆筒形变压器磁芯的中心的磁通密度最大；X射线发生部分的阳极要横截面积小，以避免涡电流引起发热。
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| CN201820819694.5U CN208271827U (zh) | 2018-05-30 | 2018-05-30 | 集成高压电源的场发射自聚焦脉冲x射线发生装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN108493087A (zh) * | 2018-05-30 | 2018-09-04 | 姚智伟 | 集成高压电源的场发射自聚焦脉冲x射线发生装置 |
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