本發(fā)明總體上涉及電子發(fā)射領(lǐng)域，更具體地涉及x射線源裝置以及利用其防止在冷陰極x射線源測(cè)試與老化過(guò)程中持續(xù)打火的方法。

背景技術(shù)：

x射線源作為計(jì)算機(jī)斷層掃描(computedtomography，ct)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件之一，在一定程度上決定ct系統(tǒng)成像方式與成像性能。傳統(tǒng)的x射線源采用熱陰極作為電子源，由熱電子發(fā)射方式產(chǎn)生電子束，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速轟擊陽(yáng)極靶，通過(guò)電子的韌致輻射產(chǎn)生x射線。熱陰極由于工作溫度高、功耗大等原因，不利于x射線源的小型化和單個(gè)x射線源內(nèi)集成多個(gè)陰極。而且，熱電子發(fā)射時(shí)間的延長(zhǎng)性，導(dǎo)致傳統(tǒng)x射線源難以實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨和可編程的x射線發(fā)射。采用冷陰極的場(chǎng)致發(fā)射x射線源，通過(guò)場(chǎng)致電子發(fā)射的方式產(chǎn)生電子束，場(chǎng)致發(fā)射陰極工作溫度低、功耗小，易于集成。同時(shí)，由于場(chǎng)致電子發(fā)射不存在時(shí)間延遲性，采用冷陰極的場(chǎng)致發(fā)射x射線源可實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨和可編程x射線發(fā)射。冷陰極作為一種新型陰極材料，同樣存在發(fā)射電流穩(wěn)定性和高壓打火問(wèn)題，因此需要開(kāi)發(fā)一套針對(duì)陰極測(cè)試與老化階段的場(chǎng)發(fā)射x射線源裝置。現(xiàn)有的冷陰極測(cè)試與老化裝置分為兩種，一種真空腔采用開(kāi)放式，外加真空泵維持真空環(huán)境，陰極可以替換，裝置可重復(fù)使用；另一種，直接封裝成玻璃或者陶瓷球管進(jìn)行測(cè)試，陰極不可替換，陰極打火損壞后不能重復(fù)使用。

現(xiàn)有技術(shù)中第一種方式真空腔采用開(kāi)放式，雖然陰極可以替換，但是整個(gè)裝置自動(dòng)化控制程度不高，不能有效的避免陰極持續(xù)打火導(dǎo)致的損壞。另外一種采用直接封裝方式，雖然成本比第一種低，但是一旦在測(cè)試與老化過(guò)程中陰極打火損壞，整個(gè)球管將報(bào)廢。

有鑒于此，需要開(kāi)發(fā)一種新的技術(shù)來(lái)克服這些缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種x射線源裝置，針對(duì)冷陰極x射線源，在測(cè)試與老化階段采用逐步提高陽(yáng)極高壓、陰極脈沖式電子發(fā)射、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)真空度等方式，以實(shí)現(xiàn)陰極測(cè)試與老化過(guò)程的自動(dòng)控制，并避免陰極老化過(guò)程中持續(xù)打火導(dǎo)致的陰極損壞。

在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種x射線源裝置，其可以包括三極式x射線源、真空腔、真空泵機(jī)組、陽(yáng)極高壓電源、柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元、真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元和控制平臺(tái)，所述三極式x射線源可以設(shè)置于所述真空腔內(nèi)，由陰極、柵極和陽(yáng)極組成，并且所述陽(yáng)極高壓電源經(jīng)所述真空腔的第一法蘭連接至所述三極式x射線源的所述陽(yáng)極，所述柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元經(jīng)經(jīng)所述真空腔的第二法蘭連接至所述三極式x射線源的所述柵極，所述三極式x射線源的所述陰極接地，所述真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元經(jīng)所述真空腔的第三法蘭連接至所述真空腔，所述真空泵機(jī)組經(jīng)所述真空腔的第四法蘭連接至所述真空腔，所述控制平臺(tái)經(jīng)通訊線纜分別連接至所述陽(yáng)極高壓電源、所述真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元和所述柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元。

在一種實(shí)施方案中，所述柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元可以制成一個(gè)整體。所述柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元可以包括柵極高壓電源和脈沖驅(qū)動(dòng)單元，所述脈沖驅(qū)動(dòng)單元的第一端可以與所述真空腔連接，第二端可以與所述柵極高壓電源連接，并且第三端與所述控制平臺(tái)連接；所述柵極高壓電源的一端可以與所述脈沖驅(qū)動(dòng)單元的第二端連接，而所述柵極高壓電源的另一端可以與所述控制平臺(tái)連接。

在一種實(shí)施方案中，所述陰極可以為生長(zhǎng)在金屬襯底上的碳納米管，所述柵極為定制柵網(wǎng)，所述柵極與所述陰極之間的距離介于100μm和200μm之間，所述陽(yáng)極采用具有一定傾角的鎢靶，所述陽(yáng)極與所述柵極之間的距離介于3厘米和8厘米之間；所述真空腔是定制的，并通過(guò)所述真空泵機(jī)組維持所述真空腔內(nèi)的真空度介于10^-6pa與10^-4pa之間。

在一種實(shí)施方案中，所述柵極與所述陰極之間的距離可以為100μm左右，所述傾角介于10度和15度之間，所述真空度為10^-5pa左右，所述陽(yáng)極與所述柵極之間的距離為5厘米左右。

在一種實(shí)施方案中，所述脈沖驅(qū)動(dòng)單元可以采用自行設(shè)計(jì)的電路，可以包括低壓脈沖驅(qū)動(dòng)模塊和高壓切換模塊，所述低壓脈沖驅(qū)動(dòng)模塊用于產(chǎn)生高壓切換模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述高壓切換模塊可以用于把所述柵極高壓電源持續(xù)輸出高壓調(diào)節(jié)為脈沖式輸出；所述陰極經(jīng)所述真空腔引出后接地。

在一種實(shí)施方案中，所述真空泵機(jī)組可以由前級(jí)機(jī)械泵和分子泵組成，以用于維持所述真空腔的真空環(huán)境。

在一種實(shí)施方案中，在所述陽(yáng)極高壓電源和所述三極式場(chǎng)發(fā)射電子源陽(yáng)極之間可以串聯(lián)有高壓電阻，所述柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元和所述三極式場(chǎng)發(fā)射電子源柵極之間可以串聯(lián)有高壓電阻。所述高壓電阻可以為玻璃釉棒狀高壓電阻器。

在一種實(shí)施方案中，所述真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元可以包括真空計(jì)和真空電離規(guī)管，所述真空電離規(guī)管的測(cè)量端經(jīng)所述第三法蘭嵌入所述真空腔中，引出的電極端連接所述真空計(jì)。

在一種實(shí)施方案中，所述控制平臺(tái)可以與所述陽(yáng)極高壓電源、所述柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元、以及真空檢測(cè)單元進(jìn)行通訊連接，并且所述控制平臺(tái)可以采用labview上位機(jī)軟件進(jìn)行集成控制。

在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種利用上述的x射線源裝置防止在冷陰極x射線源測(cè)試與老化過(guò)程中持續(xù)打火的方法，其可以包括以下步驟：首先，通過(guò)所述柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元把加載在所述三極式x射線源的所述柵極與所述陰極之間的持續(xù)高壓調(diào)節(jié)為脈沖式高壓，以降低打火時(shí)所述陰極與所述柵極之間的過(guò)長(zhǎng)的接觸時(shí)間；其次，當(dāng)打火現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，所述真空腔內(nèi)的殘余氣體發(fā)生電離，導(dǎo)致所述真空度急劇上升，所述真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元檢測(cè)到所述真空腔內(nèi)的真空度的變化情況，并反饋給所述控制平臺(tái)，再由所述控制平臺(tái)的上位機(jī)軟件判斷本次打火是否超過(guò)所述陰極的承受范圍，當(dāng)所述真空度的波動(dòng)范圍超過(guò)預(yù)定的閾值范圍時(shí)，則由所述控制平臺(tái)的上位機(jī)軟件發(fā)送指令給所述陽(yáng)極高壓電源和柵極高壓電源，暫停高壓輸出，且當(dāng)所述真空度恢復(fù)到所述預(yù)定的閾值范圍時(shí)，先重啟所述柵極高壓電源的輸出，然后使所述陽(yáng)極的電壓以逐步提升方式達(dá)到預(yù)設(shè)值，以有效地降低在同時(shí)施加陽(yáng)極高壓和柵極高壓的瞬間發(fā)生再次打火的概率。

在一種實(shí)施方案中，整個(gè)過(guò)程可以采用動(dòng)態(tài)反饋調(diào)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)控制，以有效地避免持續(xù)打火導(dǎo)致的損壞，并減少人員操作時(shí)間。

在一種實(shí)施方案中，所述陽(yáng)極高壓電源可以提供160kv以下的電壓、30ma以下的電流；所述柵極高壓電源可以提供5kv以下的電壓、200ma以下的電流。

在一種實(shí)施方案中，工作時(shí)可以先開(kāi)啟所述真空泵機(jī)組的前級(jí)機(jī)械泵，由該機(jī)械泵將所述真空腔的真空度抽排至介于0pa和100pa之間，優(yōu)選10pa左右，然后再開(kāi)啟所述真空泵機(jī)組的分子泵，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的抽取維持所述真空腔的真空度在介于10^-6pa與10^-4pa之間，優(yōu)選10^-5pa左右。

本發(fā)明的一些方面也可以描述如下：(1)本發(fā)明針對(duì)的是冷陰極x射線源，具體實(shí)施中陰極材料采用碳納米管陰極作為電子發(fā)射源；(2)x射線源采用三極式結(jié)構(gòu)，由場(chǎng)發(fā)射陰極、柵極和陽(yáng)極組成。其中，陽(yáng)極由陽(yáng)極高壓電源引出，柵極由柵極高壓電源引出，陰極接地。(3)柵極高壓電源采用恒壓直流電源，用于加載到柵極上，提供激發(fā)陰極電子逸出所需能量。(4)脈沖驅(qū)動(dòng)單元用于把柵極高壓電源持續(xù)輸出的恒流高壓調(diào)節(jié)為脈沖式輸出，具體實(shí)施可以采用高壓切換器或者自主進(jìn)行電路設(shè)計(jì)；(5)陽(yáng)極高壓電源用于加速陰極逸出的電子束轟擊陽(yáng)極靶，通過(guò)電子的韌致輻射過(guò)程產(chǎn)生x射線。(6)真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元主要由真空計(jì)與真空電離規(guī)管組成，用于監(jiān)測(cè)x射線源裝置中的真空度；(7)陽(yáng)極高壓電源、真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元、柵極高壓電源和脈沖驅(qū)動(dòng)單元都與控制平臺(tái)進(jìn)行通訊連接，并進(jìn)行集成控制，具體實(shí)施可采用labview上位機(jī)控制平臺(tái)。(8)真空腔按照設(shè)計(jì)需求進(jìn)行定制，用于提供冷陰極x射線源陰極材料測(cè)試與老化過(guò)程的真空實(shí)驗(yàn)條件。(9)真空泵機(jī)組由前級(jí)機(jī)械泵和分子泵組成，用于維持真空腔的真空環(huán)境。

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷設(shè)計(jì)了一套開(kāi)放式x射線源裝置，采用自動(dòng)化的控制方法，避免陰極持續(xù)打火導(dǎo)致的損壞。更具體而言，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：(1)本發(fā)明x射線源裝置采用開(kāi)放式，相對(duì)于直接封裝成球管方式，不需要球管封裝所涉及的復(fù)雜工藝，并且裝置可以重復(fù)使用，尤其在冷陰極x射線源測(cè)試與老化階段，提高工作效率。(2)本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有的開(kāi)放式冷陰極x射線源裝置，通過(guò)外加脈沖驅(qū)動(dòng)單元，以及真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元，并采用集成控制方式，實(shí)現(xiàn)測(cè)試與老化過(guò)程的自動(dòng)控制，有效的避免陰極持續(xù)打火導(dǎo)致的損壞。

附圖說(shuō)明

圖1為根據(jù)一實(shí)施方式示出的x射線源裝置整體結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2為根據(jù)一實(shí)施方式示出的x射線源裝置整體結(jié)構(gòu)的另一示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。在下文所描述的本發(fā)明的具體實(shí)施例中，為了能更好地理解本發(fā)明而描述了一些很具體的技術(shù)特征，但顯而易見(jiàn)的是，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，并不是所有的這些技術(shù)特征都是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的必要技術(shù)特征。下文所描述的本發(fā)明的一些具體實(shí)施例只是本發(fā)明的一些示例性的具體實(shí)施例，其不應(yīng)被視為對(duì)本發(fā)明的限制。另外，為了避免使本發(fā)明變得難以理解，對(duì)于一些公知的技術(shù)沒(méi)有進(jìn)行描述。

圖1示出了x射線源裝置的整體結(jié)構(gòu)，其包括如圖所示連接的三極式x射線源110、真空腔610、真空泵機(jī)組710、陽(yáng)極高壓電源510、柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元310、真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元810和控制平臺(tái)410。真空腔610有4個(gè)法蘭911-914。x射線源裝置還包括連接在回路中的高壓電阻210和高壓電阻220。

三極式x射線源110由陰極110a、柵極110c和陽(yáng)極110b組成，陰極110a為生長(zhǎng)在金屬襯底上的碳納米管，柵極110c為定制柵網(wǎng)，柵極110c與陰極110a距離100μm左右，陽(yáng)極采用具有一定傾角的鎢靶，陽(yáng)極與柵極相距幾厘米；三極式x射線源110放置在定制的真空腔610中，并由真空泵機(jī)組710持續(xù)抽取真空腔610內(nèi)剩余空氣，維持真空腔610內(nèi)真空度在10^-5pa左右。

三極式x射線源110的陽(yáng)極引出線經(jīng)真空腔610的法蘭接陽(yáng)極高壓電源510，并在高壓電源前串聯(lián)一個(gè)高壓電阻，具體可采用玻璃釉棒狀高壓電阻器，高壓電源最高提供電壓160kv、電流30ma；柵極引出線同樣經(jīng)過(guò)真空腔610法蘭串聯(lián)高壓電阻后接入柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元310，柵極高壓電源最高提供電壓5kv、電流200ma，脈沖驅(qū)動(dòng)單元可以采用自行設(shè)計(jì)的電路，包括低壓脈沖驅(qū)動(dòng)模塊和高壓切換模塊，低壓脈沖驅(qū)動(dòng)模塊用于產(chǎn)生高壓切換模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高壓切換模塊用于把柵極高壓電源持續(xù)輸出高壓調(diào)節(jié)為脈沖式輸出；陰極引出線經(jīng)真空腔610的法蘭912引出后接地。

真空泵機(jī)組710由前級(jí)機(jī)械泵和分子泵組成，工作時(shí)先開(kāi)啟前級(jí)機(jī)械泵，由該機(jī)械泵把真空腔610的真空度抽至10pa左右，然后再開(kāi)啟分子泵，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的抽取維持真空度在10^-5pa左右。

真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元810包括真空計(jì)和真空電離規(guī)管，真空電離規(guī)管測(cè)量端經(jīng)真空腔610的法蘭913嵌入真空腔610中，引出的電極端接真空計(jì)。

控制平臺(tái)410與陽(yáng)極高壓電源510、柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元310、真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元810進(jìn)行通訊連接，并采用labview上位機(jī)平臺(tái)進(jìn)行集成控制，以解決冷陰極x射線源測(cè)試與老化過(guò)程中持續(xù)打火導(dǎo)致的陰極損壞問(wèn)題。

冷陰極x射線源測(cè)試與老化過(guò)程中防止持續(xù)打火的控制方法如下：冷陰極x射線源在加高壓時(shí)，由于所采用的陰極材料碳納米管在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，由自然生長(zhǎng)時(shí)的狀態(tài)改變?yōu)檠刂鴸艠O方向被拉直，導(dǎo)致部分過(guò)長(zhǎng)的碳納米管會(huì)碰觸到柵極，引起打火。瞬時(shí)打火可以燒掉過(guò)長(zhǎng)的碳納米管，起到老化作用，但是持續(xù)打火則會(huì)造成陰極損壞。本發(fā)明提供的x射線源裝置可以避免上述持續(xù)打火造成的陰極損壞。首先通過(guò)柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元310可以把加載在三極式x射線源110柵極與陰極間持續(xù)高壓調(diào)節(jié)為脈沖式高壓，降低打火時(shí)過(guò)長(zhǎng)的碳納米管與柵極接觸時(shí)間。其次，當(dāng)打火現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，真空腔610內(nèi)殘余氣體發(fā)生電離，導(dǎo)致真空度急劇上升；真空環(huán)境監(jiān)測(cè)單元810檢測(cè)到真空度變化情況，然后反饋給控制平臺(tái)410，再由控制平臺(tái)410上位機(jī)軟件進(jìn)行判斷本次打火是否超過(guò)陰極承受范圍；當(dāng)真空度波動(dòng)范圍過(guò)大，有持續(xù)打火風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，由控制平臺(tái)410的上位機(jī)軟件發(fā)送指令給陽(yáng)極高壓電源510和柵極高壓電源，關(guān)閉高壓輸出；當(dāng)真空度恢復(fù)正常水平時(shí)，先重啟柵極高壓輸出，然后陽(yáng)極電壓采用逐步提升方式達(dá)到預(yù)設(shè)值，有效的降低同時(shí)施加陽(yáng)極高壓和柵極高壓的瞬間發(fā)生再次打火的概率。整個(gè)過(guò)程采用動(dòng)態(tài)反饋調(diào)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)控制，能夠有效的避免持續(xù)打火導(dǎo)致的陰極損壞，并減少人員操作時(shí)間。

圖2為根據(jù)一實(shí)施方式示出的x射線源裝置整體結(jié)構(gòu)的另一示意圖。在圖2中，柵極高壓及脈沖驅(qū)動(dòng)單元310包括脈沖驅(qū)動(dòng)單元310a和柵極高壓電源310b。脈沖驅(qū)動(dòng)單元310a的三端分別連接至真空腔610、柵極高壓電源連接310b和控制平臺(tái)410。柵極高壓電源310b的兩端分別連接脈沖驅(qū)動(dòng)單元310a和控制平臺(tái)410。

本發(fā)明關(guān)鍵點(diǎn)主要針對(duì)冷陰極x射線源測(cè)試與老化階段，發(fā)明一種x射線源裝置能夠有效的避免持續(xù)打火導(dǎo)致的陰極損壞。本發(fā)明保護(hù)點(diǎn)主要包括所述x射線源裝置及上述防止陰極持續(xù)打火的控制方法。

本發(fā)明在基于碳納米管的冷陰極x射線源測(cè)試與老化階段已經(jīng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用，裝置運(yùn)行安全可靠，可以達(dá)到預(yù)期效果。本發(fā)明還可以適用于類似碳納米管的冷陰極x射線源測(cè)試與老化裝置。

盡管已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但是存在落入本發(fā)明范圍之內(nèi)的改動(dòng)、置換以及各種替代等同方案。還應(yīng)當(dāng)注意的是，存在多種實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的可選方式。因此，意在將隨附的權(quán)利要求書解釋為包含落在本發(fā)明的主旨和范圍之內(nèi)的所有這些改動(dòng)、置換以及各種替代等同方案。