多光束场发射X射线源的驱动控制系统研制

摘要

场致发射由于具有操作温度低、没有时间延迟且功耗低等诸多优点而成为一种非常有效的电子发射方式，近年来对其理论和技术的研究越来越深入，其应用领域也越来越广泛。碳纳米管材料由于具有得天独厚的物理和化学特性，有着优良的场发射特性，以此为场发射阴极研制的多光束X射线源具有发射可控，零时间响应等优势。场致发射需要较大的电场强度去抑制阴极表面势垒，这要求驱动电源一方面要有较高的输出电压，另一方面多光束X射线源要达到静态发射，要求驱动电压具有一定的重复频率，因此，多光束场发射X射线源要求提供高频率的脉冲电压，并对其进行驱动控制，从而实现该X射线源在时间上和空间上的可编程发射。
　　目前，碳纳米管光源和面向大规模碳纳米管光源阵列的CT系统是国际上研究的前沿，国内CT企业尚未有能力进行碳纳米管射线源的研发，尤其是对多光束场发射X射线源的研究在X射线CT领域完全处于空白状态，相应的基于碳纳米管场致发射阴极X射线源的研究还有待发展，因此，对多光束场发射X射线源的驱动控制系统的研究并没有太多的现成技术可以参照。本论文试图在目前人们对碳纳米管场致发射冷阴极X射线源以及其脉冲驱动控制研究的基础上，通过开展场致发射X射线源的理论分析和场致发射开关器件的研究，进行多光束场发射X射线源驱动控制系统的研制。
　　本文针对碳纳米管场发射及多光束X射线源的特性，选取了具有较好开关特性的IGBT管作为驱动控制电路的开关器件，设计了一个脉冲驱动控制系统。该系统采用LabVIEW人机界面设定脉冲信号的各参数即脉冲宽度和各通道脉冲之间的时间间隔，通过FPGA产生各路脉冲信号，并通过开关电路控制各个场发射电子源的发射顺序和发射时长。实验结果表明，该系统对多光束场发射电子源起到了较好的可编程发射控制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景概述

1．1．1 场致发射技术简介

1．1．2 场致发射阴极材料简介

1．1．3 X-CT技术的发展

1．2 课题研究的目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 传统的方法

1．3．2 间接接入法

1．4 本论文的主要研究内容

1．5 本论文的章节安排

第2章 场发射X射线源与驱动控制原理

2．1 场发射X射线源原理

2．1．1 场发射X射线源三极式结构

2．1．2 场发射X射线源测试系统

2．2 场发射X射线源的脉冲驱动控制原理

2．2．1 单光束X射线源驱动控制原理

2．2．2 IGBT驱动技术

2．2．3 单源场发射脉冲驱动控制系统

2．3 多光束X射线源驱动控制原理

第3章 驱动控制系统设计

3．1 驱动控制系统总体设计

3．2 硬件电路设计

3．2．1 脉冲信号发生电路

3．2．2 开关电路

3．3 软件设计

3．3．1 下位机软件设计

3．3．2 上位机软件设计

第4章 实验及仿真

4．1 开关电路方案

4．1．1 用继电器做高压开关进行仿真试验

4．1．2 用MOS管做高压开关

4．1．3 用IGBT管做高压开关

4．2 消除波形过冲的实验与分析

4．2．1 实验一

4．2．2 实验二

4．2．3 实验三

4．2．4 实验结果分析

4．3 PCB电路板绘制

4．4 多光束X射线源驱动控制系统仿真

第5章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果