场致发射电子源的驱动控制电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种场致发射电子源的驱动控制电路，包括场致发射电子源，还包括脉冲信号输入端、保护电阻、可调电阻以及开关管；所述脉冲信号输入端与所述保护电阻的一端连接，用于输入脉冲信号；所述保护电阻的另一端连接所述开关管的控制端，所述开关管的低压端接地，所述开关管的高压端与所述可调电阻的一端连接，所述可调电阻的另一端连接所述场致发射电子源的场发射阴极，所述场致发射电子源的栅控门极用于连接直流电源。本发明在IGBT的输入极（即栅极）接入保护电阻，当有过冲电流时，保护电阻两端电压增大，IGBT栅极与发射极之间的电压减小，从而抑制电流过冲。
【专利说明】场致发射电子源的驱动控制电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及场致发射装置，特别是涉及一种场致发射电子源的驱动控制电路。
【背景技术】
[0002]X射线源是计算机断层扫描(CT)系统的关键核心部件之一，一定程度上决定着CT系统的成像方式与成像性能。传统X射线源采用热阴极作为电子源，通过热电子发射的方式产生电子束。阴极在加热到1000°c以上的温度时，大量的电子获得大于发射体表面势垒的动能而逸出。这种X射线管体积较大、频率响应慢，且需要加热阴极的电源，由于热阴极工作温度高、功耗大等原因，不易于实现单个X射线源内集成多个阴极，也不利于X射线源的小型化。
[0003]以碳纳米管为阴极材料的场致发射X射线源能够克服以上局限性。场致发射是利用强电场在固体表面上形成隧道效应而将固体内部的电子拉到真空中，是一种实现大功率高密度电子流的方法。场致发射X射线源采用场致发射阴极作为电子源，通过场致电子发射的方式产生电子束，在外加电场的作用下，阴极表面势垒的高度降低、宽度变窄，发射体内的大量电子由于量子隧道效应穿透表面势垒而逸出。相比传统热电子发射X射线源而言，碳纳米管X射线源采用冷阴极电子发射具有高时间分辨率、可编程式发射等优势，且可以制成多光束X射线源，避免了单个源对应单个阳极靶的机械扫描转动，可进行静态X射线CT成像。
[0004]由于动态X射线CT成像需要短的曝光时间，以减少运动伪影，所以需要进行短时间的脉冲发射，这就需要给X射线源的场发射电子源提供具有一定占空比的脉冲高电压。
[0005]传统的脉冲高压多数是由超高压脉冲电源提供，而超高压脉冲电源不仅制作成本高，而且由其提供的脉冲高压的精度和稳定度非常难实现。一种新的场发射脉冲控制方法是用低压脉冲信号控制高压电路来实现脉冲发射的目的，这种方法将控制场发射的低压脉冲通过开关器件接到样品的阴极，当给开关器件的控制端提供一定的电压，便可以在电子枪的栅极和阴极间形成完整的通路，从而使得阴极能够发射出电子，在阳极靶上形成焦点，并产生X射线束。采用这种方法只需要提供超高压直流电源，就可以通过用低压信号控制高压信号的方法来实现场发射X射线源的脉冲发射控制。
[0006]然而这种方法在开关器件导通的瞬间可能会存在瞬时高压漏电，导致电流过冲现象，可能会对场致发射X射线源的阴极材料造成破坏。
【发明内容】
[0007]基于此，有必要提供一种能够解决电流过冲问题的场致发射电子源的驱动控制电路。
[0008]一种场致发射电子源的驱动控制电路，包括场致发射电子源，还包括脉冲信号输入端、保护电阻、可调电阻以及开关管；所述脉冲信号输入端与所述保护电阻的一端连接，用于输入脉冲信号；所述保护电阻的另一端连接所述开关管的控制端，所述开关管的低压端接地，所述开关管的高压端与所述可调电阻的一端连接，所述可调电阻的另一端连接所述场致发射电子源的场发射阴极，所述场致发射电子源的栅控门极用于连接直流电源。
[0009]在其中一个实施例中，所述保护电阻是第一可调电位器，所述可调电阻是第二可调电位器；所述第一可调电位器的最大阻值大于10千欧姆。
[0010]在其中一个实施例中，所述第一可调电位器的最大阻值为1000千欧姆。
[0011]在其中一个实施例中，所述开关管是绝缘栅双极型晶体管，所述控制端是绝缘栅双极型晶体管的栅极，所述高压端是绝缘栅双极型晶体管的集电极，所述低压端是绝缘栅双极型晶体管的发射极。
[0012]在其中一个实施例中，还包括接于所述脉冲信号输入端与所述保护电阻之间的升压模块，用于提升所述脉冲信号输入端输入的脉冲信号的电压。
[0013]上述场致发射电子源的驱动控制电路，在IGBT的输入极(即栅极)接入保护电阻，当有过冲电流时，保护电阻两端电压增大，IGBT栅极与发射极之间的电压减小，从而抑制电流过冲。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是一实施例中场致发射电子源的驱动控制电路的电路原理图；
[0015]图2是保护电阻Rl的阻值为0欧姆时，场致发射X射线源高压回路的电流波形图；
[0016]图3是保护电阻Rl的阻值为10千欧姆时，场致发射X射线源高压回路的电流波形图；
[0017]图4是保护电阻Rl的阻值为180千欧姆时，场致发射X射线源高压回路的电流波形图。
【具体实施方式】
[0018]为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0019]图1是一实施例中场致发射电子源的驱动控制电路的电路原理图，包括脉冲信号输入端、升压模块10、保护电阻R1、开关管20、可调电阻R2、场致发射电子源30。
[0020]脉冲信号输入端用于输入脉冲信号，其通过升压模块10与保护电阻Rl的一端连接。保护电阻Rl的另一端连接开关管20的控制端，开关管20的低压端接地，高压端与可调电阻R2的一端连接，可调电阻R2的另一端连接场致发射电子源30的场发射阴极32，场致发射电子源30的栅控门极34用于连接高压直流电源。其中，为了使场致发射电子源30能够工作(利用强电场在固体表面上形成隧道效应而将固体内部的电子拉到真空中)，高压直流电源需要够提供电压高达数千伏特的直流电。
[0021]在本实施例中，采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称IGBT)作为低压脉冲控制高压电路的开关管。在其他实施例中，开关管20也可以采用其它器件，例如金属氧化物半导体场效应管(M0SFET，简称MOS管)。使用IGBT作为开关器件，具有控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，能够获得较快的开关速度和较强的载流能力。[0022]在本实施例中，通过用Verilog语言编程得到的FPGA (现场可编程门阵列)，来获得脉冲信号输入端输入的脉冲信号。因FPGA输出的该脉冲信号只有3.3V的电压,而用于控制高压电路通断的IGBT的开启电压在5-15伏之间，所以为了使IGBT正常工作，需要设置升压模块10以提升脉冲信号的电压。本实施例选用驱动芯片IR2104(s)，其工作电压为10-20V，可以将FPGA输出的脉冲信号由原来的3.3V提升到12V。在其它实施例中也可以根据实际需求选用本领域习知的其它升压电路。
[0023]上述场致发射电子源的驱动控制电路接好通电后，改变脉冲信号输入端输入的脉冲信号的占空比，即可控制场发射电子源的发射时长。保护电阻Rl选择适当的阻值，即可有效抑制场发射电子源的脉冲过冲。在本实施例中，为了便于为保护电阻Rl选择合适的阻值，用一个可调电位器作为保护电阻Rl。调节可调电阻R2的阻值即可改变场发射电子源的电流大小，本实施例中可调电阻R2同样为一个可调电位器。
[0024]为了抑制电流脉冲的过冲，上述场致发射电子源的驱动控制电路在IGBT的输入极(即栅极)接入保护电阻R1，当有过冲电流时，保护电阻Rl两端电压增大，对IGBT栅极与发射极之间的电压进行分压，从而抑制电流过冲。通过调节保护电阻Rl的阻值，就可以得到最优化的脉冲波形。
[0025]可以理解的，为了获得保护效果，保护电阻Rl的阻值必须足够大。在一个实施例中，Rl和R2的最大阻值均大于10千欧姆。优选的，Rl和R2的最大阻值为1000千欧姆。
[0026]以上是通过本发明的场致发射电子源的驱动控制电路应用于X射线源发射控制场合来进行说明，但上述场致发射电子源的驱动控制电路的应用不限于X射线源发射控制场合，也可应用于作为电子场发射控制的场合。例如:某些场发射样品测试应用中，要求驱动电源具有较高的输出电压，如果采用持续的直流高压驱动，会导致阴极温度升高，而且持续发射电子的冷阴极发射性能会不断下降，这时就需要一定频率和占空比的脉冲发射控制。
[0027]发明人通过实验对上述场致发射电子源的驱动控制电路的效果进行验证。由FPGA输出高电平I毫秒，占空比为1/1000的脉冲信号，将可调电阻R2调到1000千欧姆，高压直流电源输出3千伏电压，用专用电流探头和示波器检测IGBT的集电极C点的电流波形。图
2、图3、图4分别为保护电阻Rl的阻值为0欧姆、10千欧姆、180千欧姆时，用示波器测出的场致发射X射线源高压回路的电流波形图。通过调节保护电阻Rl从0欧姆到180千欧姆，可以看到随着Rl阻值的增大，电流波形过冲逐渐减小，说明接入保护电阻Rl并选择合适的阻值，可以有效抑制场致发射X射线源高压回路的电流过冲现象，对场致发射电子源进行保护。
[0028]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种场致发射电子源的驱动控制电路，包括场致发射电子源，其特征在于，还包括脉冲信号输入端、保护电阻、可调电阻以及开关管； 所述脉冲信号输入端与所述保护电阻的一端连接，用于输入脉冲信号；所述保护电阻的另一端连接所述开关管的控制端，所述开关管的低压端接地，所述开关管的高压端与所述可调电阻的一端连接，所述可调电阻的另一端连接所述场致发射电子源的场发射阴极，所述场致发射电子源的栅控门极用于连接直流电源。
2.根据权利要求1所述的场致发射电子源的驱动控制电路，其特征在于，所述保护电阻是第一可调电位器，所述可调电阻是第二可调电位器；所述第一可调电位器的最大阻值大于10千欧姆。
3.根据权利要求2所述的场致发射电子源的驱动控制电路，其特征在于，所述第一可调电位器的最大阻值为1000千欧姆。
4.根据权利要求1所述的场致发射电子源的驱动控制电路，其特征在于，所述开关管是绝缘栅双极型晶体管，所述控制端是绝缘栅双极型晶体管的栅极，所述高压端是绝缘栅双极型晶体管的集电极，所述低压端是绝缘栅双极型晶体管的发射极。
5.根据权利要求1所述的场致发射电子源的驱动控制电路，其特征在于，还包括接于所述脉冲信号输入端与所述保护电阻之间的升压模块，用于提升所述脉冲信号输入端输入的脉冲信号的电压。
【文档编号】H01J35/02GK103531421SQ201310476396
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】陈垚, 郑海荣, 胡信菊, 曾成志, 李彦明, 张其阳, 洪序达 申请人:深圳先进技术研究院