CNT场发射X射线源高隔离悬浮栅极恒流电源的研制

摘要

微焦点X射线源是微焦CT系统（MicroComputed Tomography,Micro-CT）的核心部件。微焦点X射线源的焦点尺寸、靶功率、稳定性等参数会影响Micro-CT的空间分辨率、检测效率等主要性能指标。相对于传统热阴极微焦点X射线源，碳纳米管（CarbonNanoTubes,CNT）场发射阴极微焦点X射线源具有电子束流强、功率大、热效应小、能耗低、易于小型化和实现高频脉冲X射线束等优点，对于提高Micro-CT系统的成像质量有显著的优势，是X射线源未来重要的发展方向之一。电源系统作为CNT场发射阴极X射线源的核心部件，其稳定性、控制精度决定了电子束的束流直径、束流强度及稳定性等电子束品质，对X射线成像质量有着重大影响。尤其当CNT作为透射靶微焦点X射线源电子枪阴极时，因其阳极靶接地，栅极悬浮于阳极高压电位上，阳极电压的轻微震荡就会严重影响栅极电源输出的稳定性。另一方面，CNT场发射电流具有指数特性，电压轻微扰动会引起场发射电流剧烈波动，从而影响微焦点X射线源剂量率的稳定性。基于上述原因，国内外现有普通商用电源，不能满足CNT场发射阴极透射靶微焦点X射线源这一应用需求。　　本论文在国家仪器专项——微纳结构超微分辨计算机三维成像分析仪开发应用（2013YQ030629）支持下，开展CNT场发射阴极透射靶微焦点X射线源的电源课题研究，完成悬浮栅极恒流电源系统的软硬件设计，搭建了实验平台，并完成了相关实验测试。具体研究内容如下：　　①调研了国内外X射线源栅极电源的发展现状，研究不同栅极电源模式下X射线源的结构，针对现有CNT场发射阴极透射靶X射线源栅极电源存在的问题，提出了一种高隔离、悬浮、恒流控制的方案。　　②完成了高隔离悬浮栅极恒流电源设备的方案设计。该电源由3kV高压输出模块、恒流控制模块及控制面板模块三部分组成。其中高压电源模块功能是产生0～3kV高压和实现电路隔离；恒流控制模块实现输出电流的恒定；控制面板模块为用户提供显示界面及实现远程控制。具体包括硬件和软件两个方面的设计，硬件设计包括原理图设计、器件选型；软件设计包括使用C8051F310单片机编程实现面板菜单显示、单片机之间相互通信，使用TMS320F28035型号DSP实现电路PWM调制、AD转换、恒流控制等功能。最终该电源可实现0～3kV、0～5mA恒流控制，并且具有实时调节功能。　　③完成了高隔离悬浮栅极恒流电源性能测试及成像实验。对栅极电源的电源纹波、稳定性、隔离电压及漏电流进行测试，测试结果表明电源稳定性和漏电流满足指标要求。并将本课题研制的栅极恒流电源应用到现有实验平台上，对海螺、海星样品进行成像，得到效果较好的DR图像。

目录

目 录

1 绪论

1.1 CT技术的发展及应用

1.2 Micro-CT系统概述

1.3 场发射栅极电源的国内外研究现状

1.4 课题来源及研究意义

1.4.1 课题来源

1.4.2 课题研究意义

1.5 论文的主要内容及结构安排

2 CNT场发射X射线源栅极恒流电源总体概述

2.1 X射线源电源总体结构

2.2 栅极电源技术指标

2.3 栅极电源总体设计

2.4 本章小结

3 CNT场发射X射线源栅极恒流电源硬件系统设计

3.1 3kV高压输出硬件电路设计

3.1.1 电路设计

3.1.2 器件选择

3.2 恒流控制硬件电路设计

3.2.1 电路设计

3.2.2 器件选型

3.3 控制面板硬件电路设计

3.3.1 电路设计

3.3.2 器件选择

3.4 本章小结

4 CNT场发射X射线源栅极恒流电源软件系统设计

4.1 恒流电源软件设计

4.1.1 DSP 处理器概述

4.1.2 恒流控制实现

4.2 控制面板软件设计

4.2.1 主模块软件

4.2.2 菜单模块软件

4.2.3 SMBus 通信模块软件

4.3 本章小结

5 电源测试及成像实验

5.1 电源技术指标测试

5.2 成像实验平台介绍

5.3 成像实验

5.4 本章小结

6 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致 谢