[發明專利]集成高壓電源的場發射自聚焦脈沖X射線發生裝置

有效

• 申請號: 201810535911.2
• 申請日: 2018-05-30
• 公開（公告）號: CN108493087B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 孫泳海;姚智偉
• 申請（專利權）人: 姚智偉
• 主分類號: H01J35/04
• 分類號: H01J35/04;H01J35/14;H01J35/24
• 代理公司: 11232 北京慧泉知識產權代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

一種集成高壓電源的場發射自聚焦脈沖X射線發生裝置，由X射線發生部分和高壓發生器組成，它們之間的連接關系是：高壓發生器的正極與X射線發生部分的陽極相連，高壓發生器的負極與X射線發生部分的陰極相連；X射線發生部分采用基于碳納米管場發射器件的二極管結構，包括X射線發生部分的陰極和X射線發生部分的陽極；碳納米管場發射器件作為X射線發生部分的陰極；高壓發生器包括控制電路、變壓器及高壓耦合電路；高壓發生器由外接低壓直流電源供電；變壓器采用高匝數比的升壓變壓器；變壓器初級線圈與控制電路相連，變壓器次級線圈通過耦合電路分別與X射線發生部分的陰極和X射線發生部分的陽極連接；耦合電路由整流二極管及耦合電容組成。

【技術領域】

本發明一種集成高壓電源的場發射自聚焦脈沖X射線發生裝置，應用于真空電子設備、X射線、電子槍、計算機斷層掃描及無損檢測等技術領域。

【背景技術】

X射線是通過高速電子轟擊高原子量的金屬靶產生的。典型的X射線管包括金屬陽極靶，陰極電子源，高壓電源。傳統的X射線管采用熱發射鎢絲陰極產生電子束。由于鎢絲的升溫和降溫過程相對緩慢，傳統的X射線管無法實現高速開關。采用熱陰極的X射線管的結構如附圖1A所示。熱陰極X射線管中X射線陽極113和基于鎢絲的X射線發生部分的熱陰極114置于真空室112中。高壓電源和陰極燈絲電源111分別為X射線陽極113和基于鎢絲的X射線發生部分的熱陰極114供電。

隨著碳納米管場發射技術的發展，一些采用場發射冷陰極的X射線管被開發出來，如附圖1B-1D所示，請參閱專利公開號：CN101521135A的文件，并被用于一些實驗性的X射線成像系統，請參閱專利公開號：CN104768467A的文件。最簡單的二級結構的場發射X射線管如圖1B所示。二極結構的場發射X射線管中X射線陽極113和基于場發射的X射線發生部分的陰極124置于真空室112中。高壓電源121為X射線陽極113供電。

然而，當普通碳納米管場發射陰極連續工作幾秒后會出現熱失控而燒毀，因此碳納米管陰極必須工作在脈沖狀態。柵極控制成為場發射X射線管的常用結構，如附圖1C所示。帶有控制柵極的X射線管中X射線陽極113、控制柵極135和基于場發射的X射線發生部分的陰極124置于真空室112中。高壓電源和柵極控制電路131分別為X射線陽極113和控制柵極135供電。

此外，為了能夠實現精確聚焦和柵極控制，一些現有技術采用復雜的多極結構，如附圖1D所示，請參考文獻：J.-W.Kim et al.,“ElectrostaticFocusing Lens Module WithLarge Focusing Capability in Carbon NanotubeEmitter-Based X-Ray Sources,”IEEEElectron Device Lett.,vol.36,no.4,pp.396–398,Apr.2015.。帶有控制柵極和聚焦結構的X射線管中X射線陽極113、控制柵極135，電子束聚焦結構146和場發射陰極124置于真空室112中。復合控制電路141分別為X射線陽極113，電子束聚焦結構146和控制柵極135供電。

多極結構不僅增加了X射線管的成本和復雜程度，同時由于元器件的增多，可靠性也會顯著下降。現有技術中，高壓電源與X射線管是兩個相互獨立的部件通過高壓電纜相連。高壓電纜和高壓連接器非常笨重，大大影響了系統的便攜性和可移動性。

【發明內容】

本發明主要針對上述的場發射X射線管結構過于復雜，電路復雜，可靠性差，聚焦性能差以及碳納米管壽命短的問題，提供一種小型中低功率的X射線發生裝置。該裝置將脈沖高壓電源與X射線發生部件集成為一體(如圖2和圖3所示)。通過變壓器產生的磁場對電子束聚焦。本裝置具有結構簡單，性能可靠，壽命長等優點。

本發明是一種集成高壓電源的場發射自聚焦脈沖X射線發生裝置，由X射線發生部分和高壓發生器組成，它們之間的連接關系是：高壓發生器的正極與X射線發生部分的陽極相連，高壓發生器的負極與X射線發生部分的陰極相連。