一种场致发射X射线源的驱动控制电路、装置及系统的制作方法

本发明属于场致发射技术领域，尤其涉及一种场致发射x射线源的驱动控制电路、装置及系统。

背景技术：

冷阴极x射线源是通过场致发射的方式产生电子束，即在外加电场作用下使得阴极表面势垒高度变低、宽度变窄，阴极处电子凭借隧道效应逸出至真空，实现电子高速、高密度发射，与采用热阴极作为x射线源产生x射线的方法相比，其具有常温下工作、体积小、时间分辨率高、可编程发射的优势，并且可制成多焦斑x射线阵列源，实现静态x射线ct成像，避免产生运动伪影。由于在x射线ct成像过程中，要求曝光时间极短，因此需要给电子源提供短脉冲高压源。目前，传统的场致发射脉冲控制方法是利用低压短脉冲通过将单一的绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极分别连接至样品的阴极和栅极，当加载在绝缘栅双极型晶体管栅极和发射极之间的电压大于开启电压时，绝缘栅双极型晶体管导通工作，样品的阴极和栅极间加载高压，电子逸出轰击阳极靶产生x射线。

然而，绝缘栅双极型晶体管进行通断的延迟时间为微秒级，电压等级越高的绝缘栅双极型晶体管其通断延迟时间越长，相对于低压短脉冲而言，绝缘栅双极型晶体管的延迟时间过长。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种场致发射x射线源的驱动控制电路、装置及系统，旨在解决传统的场致发射x射线源驱动技术中存在的绝缘栅双极型晶体管通断延迟时间过长的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种场致发射x射线源的驱动控制电路，所述驱动控制电路连接高压直流电源，所述高压直流电源连接x射线源，所述驱动控制电路包括：

栅极驱动电路，用于接入优化脉冲信号，并根据所述优化脉冲信号相应输出正向偏压或者反向偏压；

推挽电路，与所述栅极驱动电路连接，所述推挽电路用于传输所述正向偏压或所述反向偏压，并增强驱动能力；以及

多个相互串联的mos管，多个所述mos管分别与所述推挽电路连接，多个所述mos管用于根据所述正向偏压进行同时导通，以使所述x射线源在所述高压直流电源的电场作用下产生x射线，多个所述mos管还用于根据所述反向偏压进行同时关断。

进一步的，还包括：

多个均压电阻，分别并联于多个所述mos管的漏极和源极之间，多个所述均压电阻的阻值相同，用于平衡多个所述mos管接收到的所述正向偏压和所述反向偏压。

进一步的，还包括：

多个缓冲电路，分别并联于多个所述mos管的漏极和源极之间，多个所述缓冲电路用于吸收相应的所述mos管导通时产生的尖峰电压和关断时产生的过冲电压。

进一步的，所述栅极驱动电路包括：

多个mos管驱动器，多个所述mos管驱动器相互串联，并分别与所述推挽电路连接；所述优化脉冲信号处于高电平状态时，多个所述mos管驱动器同时输出所述正向偏压，所述优化脉冲信号处于低电平状态时，多个所述mos管驱动器同时输出所述反向偏压。

进一步的，所述推挽电路包括：

多个推挽子电路，多个所述推挽子电路分别与多个所述mos管驱动器以及多个所述mos管对应连接，以将所述正向偏压或者所述反向偏压传输至相应的所述mos管的栅极，并增强驱动能力。

进一步的，还包括：

多个栅极电阻，多个所述栅极电阻分别与多个所述mos管的栅极串联，多个所述栅极电阻的阻值、型号以及生产批次均相同。

进一步的，每个所述缓冲电路均包括：

电阻、快速二极管以及电容；

所述电容的第一端连接相应的所述mos管的漏极，所述电容的第二端、所述快速二极管的阳极以及所述电阻的第一端共接，所述快速二极管的阴极、所述电阻的第二端以及相应的所述mos管的源极共接。

本发明实施例的第二方面提供了一种场致发射x射线源的驱动控制装置，包括：

上述的驱动控制电路；

用于输出原始脉冲信号的脉冲发生器；以及

与所述脉冲发生器以及所栅极驱动电路连接，用于对所述原始脉冲信号进行升压处理后，输出所述优化脉冲信号至所述栅极驱动电路的升压组件。

进一步的，所述脉冲发生器采用现场可编程门阵列实现。

本发明实施例的第三方面提供了一种场致发射x射线源的驱动控制系统，包括：

上述的驱动控制装置；和

所述高压直流电源，连接所述驱动控制电路，所述高压直流电源用于多个所述mos管同时导通时进行工作，以在预设区域内产生电场，使得所述x射线源在所述高压直流电源的电场作用下产生x射线。

上述的一种场致发射x射线源的驱动控制电路、装置及系统，通过栅极驱动电路根据接入的优化脉冲信号相应输出正向偏压或者反向偏压，由推挽电路传输正向偏压和反向偏压并增强驱动能力，多个mos管根据正向偏压同时导通，以使x射线源在高压直流电源的电场作用下产生x射线，多个mos管还用于根据反向偏压同时关断，以控制曝光时长，完成ct成像。上述的驱动控制电路、装置及系统，采用多个相互串联的mos管作为开关组件，延迟时间短，可迅速根据优化脉冲信号作出响应，进行导通和关断，多个mos管串联连接，负载能力强，推挽电路则增强了电路的驱动能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种场致发射x射线源的驱动控制电路的模块结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的一种场致发射x射线源的驱动控制电路的模块结构示意图；

图3为图2所示的驱动控制电路的示例电路原理图；

图4为本发明又一实施例提供的一种场致发射x射线源的驱动控制装置的模块结构示意图；

图5为本发明再一实施例提供的一种场致发射x射线源的驱动控制系统的模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，为本发明一实施例提供的一种场致发射x射线源200的驱动控制电路的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种场致发射x射线源200的驱动控制电路，包括栅极驱动电路10、推挽电路20以及多个mos管，图1仅示出了4个mos管(图1采用q1、q2、q3以及qn表示)。驱动控制电路连接高压直流电源100，高压直流电源100连接x射线源200。

其中，栅极驱动电路10连接推挽电路20，推挽电路20分别与多个mos管的栅极连接。多个mos管之间通过源极和漏极相互串联，串联后的首尾两个mos管分别通过漏极连接高压直流电源100和通过源极连接x射线源200。

栅极驱动电路10用于接入优化脉冲信号，并根据优化脉冲信号相应输出正向偏压或者反向偏压。

推挽电路20用于传输正向偏压和反向偏压，并增强驱动能力。

多个mos管用于根据正向偏压同时导通，以使x射线源200在高压直流电源100的电场作用下产生x射线，还用于根据反向偏压同时关断，以控制曝光时长。

具体的，优化脉冲信号具有高电平状态和低电平状态，当优化脉冲信号处于高电平状态时，栅极驱动电路10输出正向偏压；当优化脉冲信号处于低电平状态时，栅极驱动电路10输出反向偏压，正向偏压增强了mos管的导通速度，反向偏压增强了mos管的关断速度。

曝光时长是指x射线源每次发射x射线的时长。在ct成像中，需要的曝光时长极短，因此驱动控制电路中的开关元件的关断速度和导通速度要求非常快。

多个mos管串联连接，根据x射线源200所需高压相应串联多个mos管，不受单个开关管峰值限制，驱动速度良好。单个mos管的耐压能力较单个的绝缘栅双极型晶体管的耐压能力，但是采用多个mos管串联的方式大大增强了整体的耐压能力，增强可负载能力，并且mos管的开通延时时间和关断延时时间均短于绝缘栅双极型晶体管。可采用碳纳米管作为电子源，用作x射线源200的阴极。

本实施例提供的一种场致发射x射线源200的驱动控制电路，适用于冷阴极场致发射x射线源200脉冲式曝光控制，采用多个相互串联的mos管作为开关组件，延迟时间短，可迅速根据优化脉冲信号作出响应，进行导通和关断，满足采用x射线进行ct成像的过程中曝光时间短的需求，多个mos管串联连接可加载高压，负载能力强，推挽电路20则增强了电路的驱动能力。

请参阅图2，为本发明另一实施例提供的一种场致发射x射线源200的驱动控制电路的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，上述的驱动控制电路还包括多个均压电阻r0。

多个均压电阻r0分别并联于多个mos管的漏极和源极之间，多个均压电阻r0的阻值相同，用于平衡多个mos管接收的正向偏压和反向偏压。均压电阻r0达到均分电压的作用，多个均压电阻r0分别并联于多个mos管的漏极和源极之间，增强多个mos管导通或关断的同时性。必要时，采用同一型号、同一生产批次的均压电阻r0，以最大限度减少均压电阻r0之间的偏差。

在一可选实施例中，上述的驱动控制电路还包括多个缓冲电路30。

多个缓冲电路30分别并联于多个mos管的漏极和源极之间。

多个缓冲电路30用于吸收相应的mos管导通时产生的尖峰电压和关断时产生的过冲电压。缓冲电路30可有效消除尖峰电压，并且抑制过冲现象，保护场致发射的x射线源200。

缓冲电路30有效抑制过冲现象，避免mos管甚至碳纳米管阴极由于受到冲击而永久性损坏。具体的，本实施例采用的缓冲电路30为无源电路。

请参阅图3，为图2所示的驱动控制电路的示例电路原理图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，上述的栅极驱动电路10包括多个mos管驱动器101。

多个mos管驱动器101相互串联，并分别与推挽电路20连接。

mos管驱动器101连接在mos管的栅极引出线上，通过输出正向偏压使得对应的mos管导通或者输出反向偏压使得对应的mos管关断。当优化脉冲信号处于高电平状态时，多个mos管驱动器101同时输出正向偏压；优化脉冲信号处于低电平状态时，多个mos管驱动器101同时输出反向偏压。

具体的，将多个mos管驱动器101串联连接，减少延迟，以使多个mos管同时导通和同时关断。

在一可选实施例中，上述的推挽电路20包括多个推挽子电路201，多个推挽子电路201分别与多个mos管驱动器101以及多个mos管连接，以将正向偏压或者反向偏压传输至相应的mos管的栅极，并增强驱动能力。

每个推挽子电路201由npn晶体管和pnp晶体管组成，并且两个晶体管的参数相同，推挽子电路201在工作是，两个晶体管始终处于一个导通、一个截止的状态，推挽子电路201既提高电路的负载能力，又提高了开关速度。

在一可选实施例中，上述的驱动控制电路还包括多个栅极电阻r1。多个栅极电阻r1分别与多个mos管的栅极串联。

具体的，多个栅极电阻r1的阻值、型号以及生产批次均相同。

在一可选实施例中，上述的多个缓冲电路30均包括电阻r2、快速二极管d1以及电容c1。

其中，电容c1的第一端连接相应的mos管的漏极，电容c1的第二端、快速二极管d1的阳极以及电阻的第一端共接，快速二极管d1的阴极、电阻r2的第二端以及相应的mos管的源极共接。

具体的，电容c1可吸收过冲电压以及尖峰电压。本实施例中，缓冲电路30的结构简单，易于实现，且达到了抑制过冲现象、吸收尖峰电压的效果。

请参阅图4，为本发明又一实施例提供的一种场致发射x射线源200的驱动控制装置的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种场致发射x射线源200的驱动控制装置，包括上述的驱动控制电路，还包括脉冲发生器40和升压组件50。

其中，脉冲发生器40与升压组件50连接，升压组件50与栅极驱动电路10连接。

脉冲发生器40用于输出原始脉冲信号，升压组件50用于对原始脉冲信号进行是升压处理后，输出优化脉冲信号至栅极驱动电路10。

具体的，原始脉冲信号是0～3.3v的ttl电平信号，而mos管的开启电压通常为2～5v，为了控制mos管进行通断，需要采用升压组件50对原始脉冲信号进行升压。优化脉冲信号的幅值为12v。

在一可选实施例中，上述的脉冲发生器40采用fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列)实现。fpga具有精确度高、可编程的特点，其作为低压短脉冲发射源十分优良。

具体的，本实施例中，根据需要利用verilog硬件描述语言编写程序并下载固化至fpga中，输出具有一定占空比的低压短脉冲作为原始脉冲信号。

可选的，上述的升压组件50采用光电耦合器实现，具体的，光电耦合器的型号为6n137。

请参阅图5，为本发明再一实施例提供的一种场致发射x射线源200的驱动控制系统的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种场致发射x射线源200的驱动控制系统，包括上述的驱动控制装置，和高压直流电源100。

高压直流电源100，连接驱动控制电路，高压直流电源100用于多个mos管同时导通时工作，在预设区域内产生电场，以使x射线源200在高压直流电源100的电场作用下产生x射线。

可选的，驱动控制系统还包括高功率电阻r3。

本实施例提供的驱动控制系统的结构和工作原理如下：

栅极驱动电路10、推挽电路20、栅极电阻r1、多个mos管以及均压电阻r0、脉冲发生器40、升压组件50构成了完整的驱动控制电路。当mos管导通时，高压直流电源100、多个mos管、均压电阻r0、高功率电阻r3、x射线源200组成高压回路mos管的数量可根据需要加载的高压与所选择的mos管等级确定，并保留适当余量。

在本实施例中，根据需要利用verilog硬件描述语言编写程序下载固化至脉冲发生器40(fpga)中，由于fpga输出的是0～3.3v的原始脉冲信号，而mos管的开启电压通常在2～5v，需要升压组件50提高原始脉冲电压幅值，将至提升至12v的优化脉冲信号。并且，为了减小延迟时间，各个支路上的mos管尽量同时通断，将栅极驱动电路10(多个mos管驱动器101)也进行串联。

本施例中选用型号为6n137的快速光电耦合器作为升压组件50，原始脉冲信号经快速光电耦合器提升至12v，如果mos管级联数量更多，也可选择其他升压组件50。另外mos管驱动器101采用型号为tlp250驱动芯片实现，其开关时间最大为0.5微秒，要求简单，成本较低，加载正向偏压和反向偏压，当tlp250驱动芯片输入的优化脉冲信号处于高电平状态时，输出正向偏压，mos管导通；输入的优化脉冲信号处于低电平状态时，输出反向偏压，mos管可快速截止。

多个mos管驱动器101输出端分别连接由npn晶体管和pnp晶体管构成的多个推挽子电路201，以增强负载能力，在推挽子电路201与mos管栅极间加入栅极电阻r1，至此构成低压控制端。

高压部分根据碳纳米管场致发射x射线源200的二极结构，阴极加载低电位，栅极加载高电位。将前一级mos管的源极与后一级mos管的漏极相连，第一级mos管的漏极连接高压端，最后一级mos管的源极连接零点电位，每一级mos管漏极与源极间并联均压电阻r0和缓冲电路30，达到均分电压和吸收开通时mos管上的尖峰电压的目的。缓冲电路30由快速二极管、电容和电阻组成，结构简单，效果明显。根据需要，选择的器件具有较强的耐压能力，具体的参数可根据电路本身在pspice软件中获得良好的仿真效果时获取。

搭载完成整个驱动控制电路后，在正常工作时，x射线源200阳极和栅极高压部分分别持续加载高压，低压部分通过控制fpga生成的脉冲时长、fpga的通断即可控x射线源200进行x射线曝光。本实施例中，采用二级结构的碳纳米管场致发射x射线源200作为对象进行驱动控制。

利用多个mos管串联的方式使得场致发射x射线源200加载高压短脉冲，达到发射x射线的目的。实际工作中，可根据所需高压串联相应数量的mos管，不受单个开关管峰值限制，驱动速度良好，并且在缓冲电路30的作用下有效抑制x射线源200高压回路的过冲现象，保护场致发射电子源，例如碳纳米管。

本实施例中，采用碳纳米管作为x射线源200的阴极，碳纳米管在外加电场的作用下发射电子。相比于绝缘栅双极型晶体管，mos管的性能决定了其更适合应用于高频小电流电路中，而绝缘栅双极型晶体管则更适合在高压大电流下进行工作。而激发碳纳米管进行场致发射获得x射线成像的工作条件为高压、高频、小电流，因此将多个mos管串联进行工作，并作为开关应用在场致发射x射线源200的驱动过程中，有利于提高x射线的ct成像质量。

综上所述，本发明提供了一种场致发射x射线源的驱动控制电路、装置及系统，包括栅极驱动电路、推挽电路以及多个相互串联的mos管。其中，栅极驱动电路根据接入的优化脉冲信号相应输出正向偏压或者反向偏压，由推挽电路传输正向偏压和反向偏压并增强驱动能力，多个mos管根据正向偏压同时导通，以使x射线源在高压直流电源的电场作用下产生x射线，多个mos管还用于根据反向偏压同时关断，以控制曝光时长，完成ct成像。上述的驱动控制电路、装置及系统，采用多个相互串联的mos管作为开关组件，延迟时间短，可迅速根据优化脉冲信号作出响应，进行导通和关断，多个mos管串联连接，负载能力强，推挽电路则增强了电路的驱动能力。

在本文对各种电路、装置、和系统描述了各种实施方式。阐述了很多特定的细节以提供对如在说明书中描述的和在附图中示出的实施方式的总结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而本领域中的技术人员将理解，实施方式可在没有这样的特定细节的情况下被实施。在其它实例中，详细描述了公知的操作、部件和元件，以免使在说明书中的实施方式难以理解。本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。