本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种医用电子枪栅极电源。
背景技术
中高能医用电子直线加速器可以提供电子线和x射线两种不同模式的治疗束，每种治疗束又可以分成不同的能量档次；电子线用于治疗浅层的肿瘤，x射线用于治疗深层肿瘤。将不同模式和能量的治疗束适当加权组合，使剂量分布更加接近病灶的形状，可提高治疗效果。
在中高能医用电子直线加速器应用中，能够稳定发射可控束流的栅控电子枪是系统的重要组成部分。为满足系统的多种工作模式，电子枪发射束流需要宽范围(1～500ma)调节，对应的栅极电源需与之相匹配，尤其在低档电子线时发射束流要求较小，栅极电源的稳定性及纹波尤为关键。需要设计一种栅极电源及其调制电路，其产生的高稳定度、低纹波栅极电源，从而保证电子枪发射束流的稳定输出和精确调节。
目前中高能医用电子直线加速器，栅极电源采用开关电源体制，输出电压调节范围为(3v～300v)，无法实现0v及负电压的输出；尤其在低档电子线应用场合下，其开关噪声及纹波，造成实际控制灵敏度和有效性不足，实际使用中，将电子枪栅极电源设置为额定值的1％(3v)，再通过适时调节电子枪灯丝电压(等效调节阴极温度)来控制和调节束流强度。
现有技术方案的缺点主要表现如下：
(1)电子枪发射束流(特别在低档电子线下)不能稳定输出和精确调节，无法与系统多工作模式完全匹配；
(2)调节电子枪灯丝电压来控制发射束流，将会造成电子枪阴极中毒，严重影响电子枪使用寿命；
(3)由于电子枪温度热惯性的限制，发射束流动态响应慢，无法满足系统多工作模式快速调节的要求。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种医用电子枪栅极电源，具有宽量程正负输出、低噪声、低纹波、幅度精确可控的优点。
本发明的具体实施方式如下：
一种医用电子枪栅极电源，包括电压控制模块、栅极脉冲电源、负压线性电源、栅极调制器以及栅极输出电路；
所述电压控制模块为各电路供电，并输出基准电压、调制脉冲给栅极脉冲电源，同时通过反馈信号来修正输出的调制脉冲，所述反馈信号根据接收外部采样信号与栅控电子枪栅极加载的脉冲对比得到；
所述栅极脉冲电源采用开关电源、线性电源组合拓扑形式，根据要求调节接收的基准电压然后输出正向电压给栅极调制器；
所述栅极调制器输出端连接负压线性电源，用于调制所述调制脉冲，控制由栅极脉冲电源传递给负压线性电源的正向电压加载的通断；
所述负压线性电源用于输出定值负压，与接收的正向电压叠加后输出给栅极输出电路；
所述栅极输出电路输入端与负压线性电源相连，输出端与栅控电子枪栅极相连，用于保护栅控电子枪栅极。
进一步地，所述电压控制模块包括：低压侧控制模块、隔离传输模块以及高压侧控制模块，低压侧控制模块、隔离传输模块、高压侧控制模块依次串联；
初始电源经低压侧控制模块变换为功率脉冲，输出给隔离传输模块初级侧，低压侧控制模块接收来自外部采样信号和栅控电子枪栅极加载的脉冲反馈信号，并将基准脉冲和调制脉冲输出至隔离传输模块初级侧；
隔离传输模块用于低压侧控制模块和高压侧控制模块之间的功率及脉冲的隔离传输；高压侧控制模块为高压侧各电路供电，基准脉冲经f/v变换后输出给栅极脉冲电源，调制脉冲经解调后输出给栅极调制器，同时接收来自高压侧各电路的故障信号生成故障信号脉冲，并将故障信号脉冲通过隔离传输模块传输至低压侧控制模块。
进一步地，所述栅极电源还包括负偏压电源，负偏压电源输入端与高压侧控制模块相连，输出端与栅极调制器相连，用于产生脉冲间隔期间的截止电压。
进一步地，所述栅极调制器采用双开关推挽馈电模式，包括开通管和截尾管，所述开通管与栅极脉冲电源相连，所述截尾管与负偏压电源相连。
进一步地，所述栅极脉冲电源包括半桥变换电路、变压器、第一整流滤波电路、串联调整电路、第二滤波电路、半桥变换控制电路、线性压降采样电路、调整管控制电路及输出电压电流采样电路；
所述半桥变换电路、变压器、第一整流滤波电路、串联调整电路、第二滤波电路依次串联，所述线性压降采样电路的输入端与串联调整电路相连，输出端与半桥变换控制电路的输入端相连，所述半桥变换控制电路的输出端与半桥变换电路相连，所述输出电压电流采样电路与串联调整电路相连，输出端与调整管控制电路的输入端相连，所述调整管控制电路的输出端与串联调整电路相连；
线性压降采样电路对串联调整电路的输出进行线性压降采样，输出至半桥变换控制电路，进行误差量计算后，产生pwm脉冲驱动信号，输出给半桥变换电路，经变压器、第一整流滤波电路产生预稳直流电压，同时，所述预稳直流电压经串联调整电路、第二滤波电路后输出正向电压；所述输出电压电流采样电路对第二滤波电路输出的电压电流进行采样，输出给调整管控制电路，调整管控制电路与来自电压控制模块的基准电压进行误差量计算，产生调整管驱动电压信号，输出给串联调整电路，完成线性稳压控制。
进一步地，所述负压线性电源包括电阻r71、电阻r72、电阻r73、电阻r74、电阻r75、电阻r76、电阻r77、电阻r78、电容c71、电容c72、电容c73、二极管v71、二极管v72、二极管v73、二极管v74、mos管v75、三极管v76、稳压二极管v77、稳压二极管v78及基准源；
二极管v71、二极管v72、二极管v73、二极管v74组成桥式整流电路，输出端与电阻r71一端相连，电阻r71的另一端与电阻r72、电阻r73及电阻r74的一端连接，电阻r71的另一端同时与电容c72的正端、mos管v75的漏极连接；电阻r72的另一端与电阻r77、电容c73的一端连接，作为电源输出的正端；电阻r77的另一端与电阻r76、电阻r78的一端连接，并与基准源的反馈端连接；电阻r78及电容c73的另一端、基准源的阳极接电源输出的负端；电阻r76的另一端与电容c72串联，并联在基准源的反馈端与阴极之间；基准源的阴极同时与电阻r73的另一端、三极管v76的基极、稳压二极管v78的阴极连接；三极管v76的发射极同时与电阻r74的另一端、稳压二极管v77的阴极连接；三极管v76的集电极同时与电阻r75的一端、mos管v75的栅极连接；稳压二极管v77及稳压二极管v78的阳极、电阻r75的另一端、电容c72的负端、mos管v75的源极同时接电源输出的负端。
进一步地，所述低压侧控制模块包括辅助电源、信号接口电路、信号隔离电路、串口电平转换电路、mcu微处理器及脉冲信号调制电路；
所述信号隔离电路、信号接口电路、mcu微处理器依次串联，所述脉冲信号调制电路分别与信号隔离电路、mcu微处理器相连，所述串口电平转换电路与mcu微处理器相连；
辅助电源经dc/dc变换，为低压控制模块电路供电，经dc/ac变换，产生功率脉冲；信号隔离电路，用于对信号进行隔离及电平转换处理，并经信号接口电路进行v/f变换、f/v变换，输出给mcu微处理器；mcu微处理器根据系统工作模式、发射束流及射线能量，为栅极脉冲电源提供不同频率的电压基准脉冲；脉冲信号调制电路，结合外同步脉冲、微波检波包络、栅极包络脉冲，对调制脉冲信号的延时进行动态调整；串口电平转换电路，实现与外部控制系统通讯，将工作状态和实时数据上传，进行远程监测和控制。
有益效果：
1、本发明采用开关线性组合拓扑的栅极电源，结合了开关电源的高效和线性电源的低噪声、低纹波，电子枪发射束流(特别在低档电子线下)能稳定输出和精确调节，与系统多工作模式完全匹配；电子枪灯丝电源实现稳压工作，改变了依赖灯丝电压调节束流强度的控制方式，保证了电子枪使用寿命，且级联负压线性电源，实现了栅极脉冲电压宽范围调节。
2、本发明电压控制模块包括低压侧控制模块、隔离传输模块以及高压侧控制模块，实时修正调制脉冲延时，从而能动态调整束流脉冲时序，保证束流能在指定微波检波包络期间注入，使系统动态响应快，能够快速适应中高能医用电子直线加速器的多种工作模式要求；其次，故障信号脉冲通过低压侧控制模块传输给外部控制系统，实现栅极脉冲快速关断和高压联锁保护功能，达到保护栅极电源及电子枪的目的。
3、本发明双开关调制器，便于获得较好的脉冲波形，容易实现重频和脉宽的快速变化，分布参数引起的振荡小，降低了对电子枪的影响。
4、本发明开关稳压部分通过改变占空比实现了栅极脉冲电源的粗调，线性稳压部分通过调整管压降实现了栅极脉冲电源的细调，两级稳压实现了ug电源(0v～350v)连续可调。
5、本发明栅极输出电路电路设计简单，成本较低，且输出噪声低、纹波小。
附图说明
图1为本发明栅极电源的原理框图；
图2为本发明低压侧控制模块的电路框图；
图3为本发明高压侧控制模块的电路框图；
图4为本发明栅极脉冲电源的电路框图；
图5为本发明-50v线性电源的电路框图；
图6为本发明栅极调制器的电路框图；
图7为本发明栅极输出电路的电路框图。
其中，1-低压侧控制模块，2-隔离传输模块，3-高压侧控制模块，4-栅极脉冲电源，5-负压线性电源，6-栅极调制器，7-负压线性电源，8-栅极输出电路，9-栅控电子枪栅极，11-辅助电源，12-信号接口电路，13-信号隔离电路，14-串口电平转换电路，15-mcu微处理器，16-脉冲信号调制电路，31-辅助电源，32-硬件逻辑保护电路，33-信号接口电路，34-脉冲信号解调电路，41-半桥变换电路，42-变压器，43-第一整流滤波电路，44-串联调整电路，45-第二滤波电路，46-半桥变换控制电路，47-线性压降采样电路，48-调整管控制电路，49-输出电压电流采样电路，61-开通管驱动电路，62-截尾管驱动电路。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种医用电子枪栅极电源，如图1所示，包括低压侧控制模块1、隔离传输模块2、高压侧控制模块3、栅极脉冲电源4、负偏压电源5、栅极调制器6、负压线性电源7和栅极输出电路8。
低压侧控制模块1、隔离传输模块2、高压侧控制模块3依次串联；高压侧控制模块3的输出端同时与栅极脉冲电源4、负偏压电源5、栅极调制器6相连；栅极脉冲电源4、负偏压电源5分别连接栅极调制器6的开通管和截尾管；栅极调制器6、负压线性电源7、栅极输出电路8依次串联，栅极输出电路8的输出端与栅控电子枪9的栅极相连。
低压侧控制模块1，用于产生功率脉冲、电压基准脉冲、调制脉冲；电路框图如图2所示，是基于微控制单元mcu(microcontrollerunit)为核心的全数字式程控系统，包括辅助电源11、信号隔离电路13、信号接口电路12、mcu微处理器15、脉冲信号调制电路16及与串口电平转换电路14。
工作过程和原理：辅助电源11利用初始电源+24v，一路经dc/ac变换产生ac40v/40khz高频功率脉冲，此高频功率脉冲经隔离传输模块2传输至高压侧控制模块3，为各模块工作提供所需的供电，另一路经dc/dc变换产生低压侧电路工作所需的低压电源(d±12v、d+5v等)。
信号隔离电路13主要完成对采样信号、输出信号的隔离及电平转换，以抑制电子直线加速器的强脉冲干扰。采样信号包括ug电压反馈信号、-eg电压反馈信号、故障信号和栅极包络脉冲信号，输出信号包括ug电压基准及调制脉冲，运用光电隔离或磁隔离完成信号的隔离，输出至信号接口电路12。ug代表正电压，-eg代表负电压。
信号接口电路12主要完成基准脉冲的v/f变换和电压信号的f/v变换，并将基准发生电路设置的ug基准脉冲和调制脉冲送至高压隔离传输变压器初级侧，同时将经高压隔离传输变压器隔离的ug电压信号、-eg电压信号和栅极脉冲包络信号，送至采样信号隔离电路。
mcu微处理器15是控制模块的核心，主要完成以下功能：
1)生成ug电源的电压基准。它接收来自外部的工作模式系统要求、电子枪束流采样信号和射线能量采样信号，将以上信号进行综合处理，给出合适的栅极电源基准信号，产生不同频率的电压基准，实时动态调整栅极脉冲电压，达到精确控制电子枪发射束流的目的。
2)生成延时可调的调制脉冲。根据脉冲信息对比结果，实时修正调制脉冲延时，从而能动态调整束流脉冲时序，使控制束流能在指定微波检波包络期间注入。
3)串口通讯。经串口电平转换电路14与外部控制系统的通讯，采用标准rs485串口将工作状态和实时数据上传，实现对电子枪栅极电源及调制电路的远程监测和控制。
4)接收外部的脉冲使能信号决定调制脉冲的输出。
脉冲信号调制电路16，接收来自外部的外同步脉冲、微波检波包络，结合经采样隔离的栅极包络脉冲信号进行波形信息对比计算，将结果送mcu微处理器15，并对修正后的脉冲信号进行调制，调制后的脉冲信号经信号隔离电路13输出至隔离传输模块2。
高压侧控制模块3，用于产生辅助电源、电压基准、解调脉冲，电路框图如图3所示，包括辅助电源31、硬件逻辑保护电路32、信号接口电路33及脉冲信号解调电路34。
工作过程和原理：辅助电源31利用隔离传输模块输入的ac40v/40khz高频功率脉冲，一路完成ac/dc变换产生a+24v，为各模块工作提供所需的供电，再经dc/dc变换产生高压侧电路工作所需的低压电源(a±12v)，另一路则变换为负压线性电源7的交流输入。
硬件逻辑保护电路32具有完善的故障检测保护功能，当高压侧各电路如ug电源过压、-eg电源欠压、栅极打火等任一故障出现时，首先向脉冲信号解调电路34输出脉冲封锁信号，再处理生成故障信号脉冲，通过隔离传输模块2传输送入低压侧控制模块1，通过检测故障脉冲有无来判断栅极电源及调制电路状态，故障脉冲有为正常状态，故障脉冲无为故障状态，将故障状态传输给外部系统故障联保环路，实现栅极脉冲快速关断和高压联锁保护功能，达到保护栅极电源及电子枪的目的。信号接口电路33，完成ug电源基准脉冲的f/v变换、ug电源电压的v/f变换、-eg电源电压的v/f变换及包络脉冲采样信号的整形处理；由于隔离变压器隔离电位高，漏感较大，波形畸变严重，利用施密特触发器对输入的基准脉冲进行了整形、限幅、钳位处理，提高了抗干扰能力。脉冲信号解调电路34，对调制脉冲信号进行解调，分离出开通脉冲和截尾脉冲，用于驱动栅极调制器6的开通管和截尾管。
结合图1～图3对隔离传输模块2进行详细描述。
隔离传输模块2用于低压侧控制模块1和高压侧控制模块3之间的功率及脉冲信号隔离传输，包括ac40v/40khz高频功率脉冲、电压基准脉冲、电压反馈脉冲、栅极包络脉冲、调制脉冲及故障信号脉冲，此模块由七个高频高隔离电压变压器组成，初次级隔离电压不低于70kv。
下面结合图1、图4～图7对高压侧各组成部分进行详细描述。
栅极脉冲电源4：
如图4所示，栅极脉冲电源4用于根据系统要求进行变换，产生输出可调的脉内正向电压ug，包括半桥变换电路41、变压器42、第一整流滤波电路43、串联调整电路44、第二滤波电路45、半桥变换控制电路46、线性压降采样电路47、调整管控制电路48及输出电压电流采样电路49。
线性压降采样电路47对串联调整电路44的输出进行线性压降采样，输出至半桥变换控制电路46，进行误差量计算后，产生pwm脉冲驱动信号，输出给半桥变换电路41，经变压器42、第一整流滤波电路43产生预稳直流电压，由此开关稳压部分通过改变占空比实现了栅极脉冲电源4的粗调，同时，预稳直流电压经过串联调整电路44、第二滤波电路45后输出低噪声、低纹波的栅极脉冲电源；输出电压电流采样电路49对第二滤波电路45输出的电压电流进行采样，输出给调整管控制电路48，调整管控制电路48与ug基准电压进行误差量计算，产生调整管驱动电压信号，输出给串联调整电路44，完成线性稳压控制。线性稳压部分通过调整管压降实现了栅极脉冲电源4的细调，两级稳压实现了ug电源(0v～350v)连续可调。开关、线性电源的组合拓扑，结合了开关电源的高效和线性电源的低噪声、低纹波。
较佳地，半桥变换控制电路46控制芯片采用电流型pwm控制器uc3856。
较佳地，串联调整电路44调整管采用n沟道mos管stp12nm50n。
较佳地，第二滤波电路45采用π型滤波电路。
负偏压电源5：
负偏压电源5输入端与高压侧控制模块3相连，输出端与栅极调制器6相连，用于产生脉冲间隔期间的截止电压-eg，由于栅极对负偏压电源5的稳定度要求不高，因此负偏压电源设置为-650v，采用推挽电源拓扑，并采用倍压整流滤波电路产生。为保证电子枪栅极的可靠截止，当负偏压电源低于所设门限值时，送出-eg欠压故障，防止损坏电子枪。
栅极调制器6：
栅极调制器6用于调制输入的调制脉冲控制正向电压或负压的加载，包括开通管驱动电路61、截尾管驱动电路62、开关管v61、开关管v62、开关管v63、开关管v64、二极管v65、电阻r61、电阻r62、电阻r63、电阻r64、电阻r65、电阻r66、电容c61及电容c62。
高压侧控制模块3解调调制脉冲生成开通脉冲和截尾脉冲，分别送入开通管驱动电路61及截尾管驱动电路62，用来驱动栅极调制器6的开通和截尾mos管；调制器主开关电路采用双开关即开通管、截尾管推挽馈电形式，产生栅极调制脉冲；开通管即开关管v62、开关管v63和截尾管即开关管v63、开关管v64选用两只功率mos管串联使用，较佳地，采用2sk1317。在脉冲工作期间开通管导通，截尾管关断，加载正向电压；脉冲间隔期间开通管关断，截尾管导通，加载负压；在脉冲关断状态下截尾管导通，此时将栅极电压置于负偏压电源5的电压，确保电子枪栅极处于有效截止状态。电容c1、c2分别为ug、-eg电源的储能电容，可减小栅极调制器6的脉冲顶降。电阻r61～r64，为限制mos管电流的限流电阻，v65、r65及r66构成了包络脉冲采样电路，完成栅极脉冲的波形采样，为脉冲时序调整提供参考。
负压线性电源7采用-50v的线性电源：
-50v线性电源用于产生-50v固定输出的线性电源，包括电阻r71、电阻r72、电阻r73、电阻r74、电阻r75、电阻r76、电阻r77、电阻r78、电容c71、电容c72、电容c73、二极管v71、二极管v72、二极管v73、二极管v74、mos管v75、三极管v76、稳压二极管v77、稳压二极管v78及基准源u1。
ac80v/40khz的高频交流经二极管v71～v74组成桥式整流电路整流，输出约70v不稳直流电压，电阻r71、电容c71和电阻r72、电容c73组成rc滤波网络输出；输出电压经电阻r77、电阻r78完成分压反馈，与基准源u1的内置基准值2.5v进行误差量计算，输出电压的波动将影响基准源u1阴极的电压值，那么三极管v76的导通电阻将变大，因电阻r75并接在mos管v75栅极和源极之间，则mos管v75的导通电压随之改变，从而补偿了输出电压的波动，完成-50v线性电源的稳压。
较佳地，基准源u1采用ti公司精密基准源tl431。
较佳地，三极管v76采用pnp管s8550。
较佳地，稳压二极管v77采用zmm12。
较佳地，稳压二极管v78采用zmm15。
较佳地，mos管v75采用n沟道mos管irfp640。
栅极输出电路8：
用于栅极输出脉冲的保护，如果电子枪栅极对地打火，在栅极-阴极间就会生成70kv的瞬变高压，常会使调制器电路中的开通管和截尾管击穿，也会引起栅极损耗。因此在栅极输出电路设计有阴-栅电压尖峰抑制保护电路，采用压敏电阻r84、r85、火花放电器ve81、ve82及高压瓷片电容c81来保护栅极调制器6电路中的4只mos管v61～v64，也可有效地保护电子枪的栅极不受损坏。电阻r81为无感限流电阻，在电子枪打火时，对电子枪承受的能量进行限制，一般选用50～100欧姆。电流互感器ta81，用于电子枪栅极打火的信号采样，出现故障时能实现栅极脉冲快速关断。电路设置了负偏压直流馈电电路，通过电阻r82、r83将负偏压电压送至栅极，这样是为了在截尾管电路故障不能正常导通时，确保栅极输出负偏压电压正常。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。