[发明专利]集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置

说明书

一种集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，由X射线发生部分和高压发生器组成，它们之间的连接关系是：高压发生器的正极与X射线发生部分的阳极相连，高压发生器的负极与X射线发生部分的阴极相连；X射线发生部分采用基于碳纳米管场发射器件的二极管结构，包括X射线发生部分的阴极和X射线发生部分的阳极；碳纳米管场发射器件作为X射线发生部分的阴极；高压发生器包括控制电路、变压器及高压耦合电路；高压发生器由外接低压直流电源供电；变压器采用高匝数比的升压变压器；变压器初级线圈与控制电路相连，变压器次级线圈通过耦合电路分别与X射线发生部分的阴极和X射线发生部分的阳极连接；耦合电路由整流二极管及耦合电容组成。

【技术领域】

本发明一种集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，应用于真空电子设备、X射线、电子枪、计算机断层扫描及无损检测等技术领域。

【背景技术】

X射线是通过高速电子轰击高原子量的金属靶产生的。典型的X射线管包括金属阳极靶，阴极电子源，高压电源。传统的X射线管采用热发射钨丝阴极产生电子束。由于钨丝的升温和降温过程相对缓慢，传统的X射线管无法实现高速开关。采用热阴极的X射线管的结构如附图1A所示。热阴极X射线管中X射线阳极113和基于钨丝的X射线发生部分的热阴极114置于真空室112中。高压电源和阴极灯丝电源111分别为X射线阳极113和基于钨丝的X射线发生部分的热阴极114供电。

随着碳纳米管场发射技术的发展，一些采用场发射冷阴极的X射线管被开发出来，如附图1B-1D所示，请参阅专利公开号：CN101521135A的文件，并被用于一些实验性的X射线成像系统，请参阅专利公开号：CN104768467A的文件。最简单的二级结构的场发射X射线管如图1B所示。二极结构的场发射X射线管中X射线阳极113和基于场发射的X射线发生部分的阴极124置于真空室112中。高压电源121为X射线阳极113供电。

然而，当普通碳纳米管场发射阴极连续工作几秒后会出现热失控而烧毁，因此碳纳米管阴极必须工作在脉冲状态。栅极控制成为场发射X射线管的常用结构，如附图1C所示。带有控制栅极的X射线管中X射线阳极113、控制栅极135和基于场发射的X射线发生部分的阴极124置于真空室112中。高压电源和栅极控制电路131分别为X射线阳极113和控制栅极135供电。

此外，为了能够实现精确聚焦和栅极控制，一些现有技术采用复杂的多极结构，如附图1D所示，请参考文献：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.。带有控制栅极和聚焦结构的X射线管中X射线阳极113、控制栅极135，电子束聚焦结构146和场发射阴极124置于真空室112中。复合控制电路141分别为X射线阳极113，电子束聚焦结构146和控制栅极135供电。

多极结构不仅增加了X射线管的成本和复杂程度，同时由于元器件的增多，可靠性也会显著下降。现有技术中，高压电源与X射线管是两个相互独立的部件通过高压电缆相连。高压电缆和高压连接器非常笨重，大大影响了系统的便携性和可移动性。

【发明内容】

本发明主要针对上述的场发射X射线管结构过于复杂，电路复杂，可靠性差，聚焦性能差以及碳纳米管寿命短的问题，提供一种小型中低功率的X射线发生装置。该装置将脉冲高压电源与X射线发生部件集成为一体(如图2和图3所示)。通过变压器产生的磁场对电子束聚焦。本装置具有结构简单，性能可靠，寿命长等优点。

本发明是一种集成高压电源的场发射自聚焦脉冲X射线发生装置，由X射线发生部分和高压发生器组成，它们之间的连接关系是：高压发生器的正极与X射线发生部分的阳极相连，高压发生器的负极与X射线发生部分的阴极相连。