CN1033196C - 抑制瞬态高压的电感性x射线管 - Google Patents

Abstract

包括有一个真空管的X射结成象系统。真空管由两条屏蔽电缆连到高压电源而供电。电缆的多个导体的一端与电源相连，每一导体的另一端通过独立的电感与真空管元件相连。在真空管电压击穿过程中，电感抑制了在管子阳极和阴极间流过的电流，减少因放电造成的管子元件的侵蚀。该电流部分地因电缆中储存的能量而形成，不受高压电源中的普通限流电路抑制。连接到管子的限压器件防止了电缆中的振铃效应产生的极高电压。

Description

抑制瞬态高压的电感性X射线管

本发明涉及X射线成象设备，更具体地涉及这样一种装置，它用来抑制通过该X射线成象设备的X射线管的瞬态浪涌电流，并用来减小因这种浪涌电流产生的射频幅射。

X射线成象设备包括一个真空管，此真空管具有一个阴极和在工作时发射出X射线的阳极。阴极包括钨热发射表面和聚焦表面。阴极是一个组件的一部分，这个组件包括把阴极加热到工作温度的灯丝。当在X射线管各电极之间施加电压时，热发射的电子就会穿过阴极和阳极之间的真空隙并打到阳极上，从而产生X射线。

在X射线管工作中的一个主要问题是，由于电极表面的污染或粗糙边缘所造成的强电场梯度会在电极之间产生高压放电或电弧。这种放电(通过称作“火花”)会产生高强度的电噪声而辐射和传导，因而可能干扰X射线管附近的电子电路的工作。在严重的情况下，由火花产生的电噪声甚至会造成邻近设备中半导体器件的失效。

新制成的管子易于频繁地和持续地打火，要使其成为可用产品，就必须大大减少管内发生的打火。每一次发生打火时，形成强电场梯度的点周围的某些材料就被蒸发。作为制造工艺的一部分，通过让其打火，把电极上能够引起强电场梯度的任何外界颗粒和表面的粗糙部分蒸发掉，以便使电极表面平滑，从而“老化”新的X射线管。

“老化”工艺受到可用来使材料蒸发的能量以及把能量传递给放电电弧的方式的影响。如果传递的能量太高，处在缺陷底下的材料也会随同缺陷被蒸发，有时会形成一个放电痕，其突起的边缘尖锐得足以引起另外的打火，造成更为严重的电极侵蚀。在普通的老化过程中，供给打火的能量决定于向管子馈电的高压电缆的电压和电容量，典型地，该能量在几十焦耳的范围内。放电电流由电缆的电压和特征阻抗所决定，并且可以是1，000安培或更高。

已采取与管子的阳极串联一个限流电阻，以试图控制放电的峰值的电流。这种技术的问题在于，高压电缆中储存的能量在通过电阻放电及以电弧形式放电的分配比率上是不可能控制的。电阻与电弧是串联的，因而通过相同的电流。电弧具有双曲线型的负电阻伏—安特性，而电阻器则有正的线性电阻特性，这导致两者会以不稳定的、变动的方式分配电源电压和功率。实际加到蒸发过程中的能量往往是随机的，并且难以通过电阻来控制。

即使一个X射线管在制造过程中被适当地老化了，在成象设备中工作时该管子仍能偶尔产生这种放电。放电缩短了管子的寿命以及产生电噪声。当管子接近于它的有效寿命时，放电变得越来越频繁，并且是管子主要失效方式之一。

一种X射线成象设备，包括一个真空管，该真空管具有阴极和产生X射线束的阳极。该设备还包括一个在X射线管工作期间产生并维持一个高电压的电源。

在最佳实施例中，电源最好对管子的阳极和阴极提供独立的高压电源。X射线管由高压电缆连接到电源，一条电缆把阳极电源连接到X射线管的阳极，而另一条电缆把阴极电源连接到X射线管的阴极。独立的各电感元件把每一个电缆导体与X射线元件相连。该电感元件抑制了在打火放电过程中由阳极和阴极电缆流入X射线管的瞬态电流，并减小了因此产生的射频信号的辐射。

电感元件不仅用于老化过程中，而且在X射线管电路进入使用之后仍最好留在X射线管电路中。继续使用这些电感能够防止因强电场而吸附于电极的颗粒和尖锐的电极边缘所产生的偶然打火，避免X射线管电极的开裂和其它损坏。如果成象设备包括了这些电感元件，通常的打火便得到控制，从而延长了管子的有效工作寿命。

迄今为止，通常的可接受的实践是尽量减小与电缆串联连接的电感。这种电感与电缆的固有电容互作用而产生振铃(ringing)从而使电缆上的电压倍增。由于阳极和阴极之间的电源已经极高，达到40,000到150,000伏，这种振铃效应能够造成电缆绝缘的击穿以及与电缆相连的元件的损坏。如果存在这样的问题，可在每一个电感元件上连接一个电压限制器件来降低振铃电压。

本发明的目的在于限制击穿放电过程中流过X射线管的电流，使得X射线管能够返回到接着工作所需要的介电状态。

本发明的另一个目的是在X射线管和来自高压电源的电缆之间提供一个机构，此机构限制了储存在电缆中的能量，以防止产生数值足以损坏管子元件的高击穿电流。

本发明的再一个目的是提供一个被包括在上述机构中的元件，使得能限制由于电缆和管子组合的效应而产生的振铃电压。

本发明的再进一步的目的是抑制在X射线管中的击穿放电过程中在管内产生、由高压电源电缆传送的高频信号。

图1示出了包括了本发明的X射线成象设备的示意图；而

图2是根据本发明而作了改型的高压电源和X射线管的框图。

首先参考图1，总体地以标号10表示的X射线成象设备安装在一个建筑物(比如医院或诊所)的两个房间中。一个房间中放置电源12和X射线控制操作台14。下面将会指出，电源12典型地包括几个低压电源和一个高压电源。在另一个房间中，一种台架装置16上安装了X射线管组件18和X射线检测组件20。X射线检测组件20由一个胶片盒和一个摄影机组成，在计算机X射线断层分析摄影技术的情况下，它是一个把X射线强度变换成电信号的X射线检测器。传送电能和控制信号的电缆通过柔性导管26和刚性导管28自安装在台架16上的部件延伸到电源12和控制操纵台14。

用来安置待检查病人的可透射X射线的台22位于靠近台架16处。台22安装在底座24上，要使得台22能在X射线组件18和X射线检测组件20之间滑过。

图2示出了X射线管组件18与电源12中的高压电源30间通过两条电缆31和32完成高压连接。高压电源30装有接地的导电的机壳35中，并且由几个独立的电路构成，用来向X射线管组件18提供不同的电压和电流。具体地说，高压电源30包括独立的阳极和阴极电源33和34。阳极和阴极电源将来自电源12中的阳极和阴极变换器(未示出)的电压升高，从而分别在端子37和38产生相对于地的正负电压。端子37和38间的电位差例如在40,000到150,000伏之间。高压电源30也接受来自灯丝电源(未示出)的电流，并具有把灯丝电流耦合到端子38和39去的变压器36。

两条高压电缆31和32具有一个或多个被高压绝缘物和接地导电屏蔽42和46所包绕的中心导体41、44和45。每一条电缆具有例如42欧姆的特性阻抗和每英尺50微微法的固有电容。在阳极电缆31的一端，中心导体41连接到阳极电源33的端子37，而电缆屏蔽42连接到阳极电源33的端子37，而电缆屏蔽42接到高压电源30的接地的机壳35上。阴极电缆32包括一个第一中心导体44，此第一中心导体的一端连接到高压电源30的端子38上，用来接受公共的负阴极电位。阴极电缆32的第二中心导体45连接到端子39，这样，阴极电缆的两个中心导体输送灯丝电流。阴极电缆32的屏蔽46通过连接于机壳35而接地。在其它X射线系统中，使用单独的导体来输送灯丝电流和提供阴极电位。使用另外的导体来向栅极或附加灯丝提供偏置电位，以及为X射线管组件18的其它元件输送信号。

X射线管组件18包含一个X射线管40，管子中的阳极48与阴极49及灯丝50由真空隙间隔开。阴极电缆32通过一对空芯电感51和52耦合到X射线管40。电感51和52各自把阴极电缆32的中心导体44或45与灯丝50的相对端连接起来，从而把来自变压器36的电流加到灯丝上。这两个电感51和52以双线绕法绕制，使得灯丝电流能相对地无电抗地通过，而同时对火花放电产生的电流仍呈现一个阻抗。于是，接入电感要比接入端接电阻有益。

阳极电缆31的中心导体41通过第三空芯电感53连接到阳极48。三个电感的每一个都具有例如为15微享的电感量。电感量可控制峰值电流，并且通过调整它从而使得达到最快的老化作用。当X射线管40装入成象设备中时，所用的电感具有选定的电感量，以延长管子的寿命。

如果在阴极电缆32中用各个单独的导体提供阴极电位和灯丝电流，或者为提供栅极偏压而配置了另外的导体，就需要另外的电感来把这些导体与管子另件相耦合。

一个第一限压器，例如金属氧化物可变电阻器(MOV)58，连接在阳极48和X射线管组件18的接地的外壳55之间。作为第二限压器的金属氧化物可变电阻器59连接在阴极49和接地的外壳55之间。当跨过阳极和阴极的电压超过正常工作电压一定量时，例如超过180,000伏时，这些限压器就提供了到地的通路。在实践中，难以提供有着如此高的额定电压值的单个MOV，在这种情况下，把一些低额定电压的器件串联起来就可得到所希望的额定值。两个限压器限制了电缆31和42中因电缆的固有电容和电感51-53之间的相互作用而产生的电压振铃，防止了管子、电感和电缆的损坏。也能用其它的器件，例如火花放电器、齐纳二极管、或一个缓冲器(Snubber)来代替金属氧化物可变电阻器58和59，作为阳极与阳极间的电压限定装置。

各个电感51-53具有稳定管子打火中产生的放电电弧的作用。当电弧电压改变时，跨在每一个电感上的电压也发生改变，改变到能瞬时地维持一个恒定电流所必须的数值。因为电感51-53不消耗能量，并且在放电的开始和结束时不具有储存的能量，因此在电弧中消耗的能量(Ec)值能由电压(V)和由电缆呈现于管子组件上的电容(C)来精确地控制。能量值由关系式Ec＝0.5CV²来确定。另外的分立的电容5 6和5 7可被用来与电缆并联设置，以便调整电容量。例如，在老化过程的较后阶段，当电极的粗糙程度不明显时，为了在工作电压下引发一个打火就需要更高的能量。

本发明在X射线管的老化过程中有特别的用途。在制造过程中的这一部分，将一个新的X射线管40放在绝缘油浴缸中，并且使其工作，有意地产生打火。由于打火放电，使得在电极48和49上造成强电场梯度的任何外界颗粒和表面不平处被蒸发，从而使电极48和49变得平滑。老化过程持续到电极已被平滑到不再发生放电的程度为止。在老化过程中，用于把高压电缆连接到X射线管的电感限制了放电的能量，防止过多的电极材料被移走和产生放电痕。

如果在放电电弧息弧时电感中仍然有电流流过，电感中储存的能量使跨在电感上的电压上升而产生击穿。通常，这会导致管内再次起弧，但可能使管子或电感的绝缘被击穿。为确保这种情况不会发生，在管子的阳极和阴极之间接入限压器58和59。由于限压器58和59限制了电缆导体相对于地的电位，也抑制了因电感和电缆的固有电容之间互作用而在电缆中产生的振铃。于是，对于传统设计中不适合把电感耦合到高压电缆连接的主要因素，由于现在使用了限压器而被消除。

电感51-53及限流器58和59不仅用于老化系统中，而且用于图1和2中表明的X射线成象设备10中。限流器的使用减小了X射线管正常工作过程产生打火的不良影响。电感减小了火花放电的危害程度。于是，X射线管的有效寿命得到延长，而与管子相关联的元件不再承受极高的放电电流。在X射线管组件18中的限压器防止了极高的振铃电压的产生。

使用如图2中表明的阳极和阴极电感还有一个与管子老化不直接相关的另外的好处。已观察到，在打火过程中电噪声的电平明显下降。这种下降是由于电感与电缆电容一起形成的L-C低通滤波器把大部分噪声限制在接地的X射线管外壳55中。

Claims (1)

1.在对发射X射线的真空管老化的过程中，所用成象系统的X射线管组件包括：

用于发射X射线并具有阴极(49)和阳极(48)的所述真空管(18)；

包住所述真空管的外壳(55)；

在所述外壳内部联接到阳极并且经具有第一导体(41)的第一电缆装置(31)联接到高压电源(33)上的第一电感(53)；

在所述外壳内部联接到阴极并且经具有第二导体(44)的第二电缆装置(32)联接到高压电源(34)上的第二电感(52)；

所述电感的每一个均用于抑制在击穿条件下流过所述真空管的瞬态电流；以及

电容器(56，57)，耦合到电缆装置的第一和第二导体上，用来根据关系式E＝0.5CV²来改变管子之中放电的能量(Ec)，其中C是电缆装置固有的电容和耦合到电缆装置上的电容之和，且V是跨在该电容器所耦合的导体之间的电压，

其中打火可使引起电场梯度的任何外界颗粒和表面的不平处蒸发，以此来使电极(48，49)平滑，

其中在电弧放电中散发的能量(Ec)是由电压V和电容C控制的。