CN103390532A

CN103390532A - 操作用于产生微波辐射的设备的方法

Info

Publication number: CN103390532A
Application number: CN2013101657035A
Authority: CN
Inventors: O.霍耶尔曼
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Medical Ag
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2033-05-08
Also published as: DE102012207930A1; US20130300287A1; US9076624B2; CN103390532B

Abstract

本发明给出一种借助加速电压（10）操作用于产生微波辐射的具有阳极（6）和阴极（4）的设备（8）的方法，该加速电压的时间进程通过一系列电压脉冲（14,16,18）给出。在此，设计了：在阳极（6）和阴极（4）之间施加具有运行幅度（76）的第一电压脉冲（14）；确定在施加第一电压脉冲（14）期间是否出现电飞弧；并且，如果在施加第一电压脉冲（14）期间出现电飞弧，施加跟随第一电压脉冲（14）的第二电压脉冲（18），后者具有比运行幅度（76）更小的消电离幅度（94）。

Description

操作用于产生微波辐射的设备的方法

技术领域

本发明涉及一种操作用于产生微波辐射的具有阳极和阴极的设备的方法、一种执行该方法的装置、一种具有该装置的设备，以及一种治疗、透视或辐射设备。

背景技术

用于产生微波辐射、特别是频率在大约0.3至300GHz范围的电磁场的这类设备可以例如是磁控管或速调管。这类设备产生在kW和MW范围的非常高功率的电磁场。特别是在电子直线加速器内为加速电子束需要这样的场。就该电子束而言，能够被用于产生高功率的X光辐射。这类用于产生微波辐射的设备，特别是被应用于医学治疗设备，如射线治疗设备。另外，这类设备也能被应用于透视或处理的工业设备，例如用于非破坏性的材料测试的、用于集装箱透视的或用于食品辐射的设备。

例如从DE102006060417A1中公知一种以加速电压操作磁控管的方法，该加速电压的时间进程由一系列电压脉冲给出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，对上述公知方法进行改良。

本发明建议，在空腔谐振器内或在用于产生微波辐射的设备的输出端上在阳极和阴极之间出现电飞弧（elektrischer

）之后，将加速电压的幅度降低到大于零的值。

本发明以以下的考虑为基础：能够使所述设备的阳极和阴极之间的空间电离，这将导致阳极和阴极之间的电阻的降低。结果，施加在阳极和阴极之间的加速电压的每个电压脉冲能够导致上述的电飞弧，并由此导致在设备的阳极和阴极之间的电弧（Lichtbogen）。

本发明另外以以下的考虑为基础：能够通过所述设备的阳极和阴极之间的空间的消电离而避免进一步的电飞弧。为此，例如可以在消电离时间期间断开在设备阳极和阴极之间的加速电压，并且由此停止上述的电压脉冲，直到确保空间的充足的消电离。

但是，本发明认识到，在设备的阳极和阴极之间的空间电离并由此电阻降低的情况下，仅当电压脉冲的幅度足够高时，施加在阳极和阴极之间的加速电压才导致电流流过并由此导致电飞弧出现。

以这样的考虑为基础，本发明因此建议：在发生电飞弧的情况下不是断开加速电压，而是仅降低电压脉冲的运行幅度。以这样的方式，用于产生微波辐射的设备另外也可以以降低的输出功率而继续被使用。此外，阳极和阴极由于继续运行而不冷却，并由此基于通过范德华力的化学气体消耗而加速消电离。

因此，本发明给出一种借助加速电压操作用于产生微波辐射的具有阳极和阴极的设备的方法，该加速电压的时间进程通过一系列电压脉冲给出，该方法包括以下的步骤：在阳极和阴极之间施加具有运行幅度的第一电压脉冲；确定在施加第一电压脉冲期间是否出现电飞弧；如果在施加第一电压脉冲期间在设备内出现电飞弧，则施加跟随第一电压脉冲的第二脉冲电压，后者具有比运行幅度更小的消电离幅度。

按照所述方法，用于产生微波辐射的设备也可以在阳极和阴极之间的空间消电离期间以降低的功率继续运行，其提升了设备的使用时间。此外，加速了消电离，从而更快的再次提供设备的全功率。

在本发明的一种扩展中，所述方法包括以下的步骤：如果出现电飞弧，则在施加第二电压脉冲前，等待消电离时间。因此，也可以在本发明的范围内将加速电压断开消电离时间的时长，尽管该消电离时间可以相对选择短暂。

在本发明的一种扩展中，所述方法包括以下的步骤：在施加第二电压脉冲前，施加至少一个另外的具有运行幅度的第一电压脉冲，对在阳极和阴极之间施加的、出现电飞弧的第一电压脉冲进行计数，并且，如果出现电飞弧的第一电压脉冲的数目超过预先确定的数目，则施加第二电压脉冲。在此，以以下的考虑为基础：一个单个的电飞弧不一定导致在设备的阳极和阴极之间的空间这样的高度电离，使全部继续的电压脉冲必然导致电离，并由此导致电弧。作为高度电离的准则，该扩展因此建议：在出现一定数目的电飞弧之后才开始通过降低电压脉冲的幅度使空间消电离。

在本发明的一种特别的扩展中，所述方法包括以下的步骤：如果在出现电飞弧的第一电压脉冲之后经过了预先确定的无电飞弧时间，则重置出现电飞弧的第一电压脉冲的数目。该扩展以以下的考虑为基础：在两个电飞弧之间的时间也可以是在设备的阳极和阴极之间的空间电离的根据。如果该无电飞弧时间足够的长，则能由此得出：该空间的电离，对于使加速电压的每个电压脉冲产生电飞弧来说，还不足够高。

在一个特别的扩展中，所述方法包括以下的步骤：确定在施加第二电压脉冲期间是否出现电飞弧；如果在施加第二电压脉冲期间出现电飞弧，降低消电离幅度；并且在阳极和阴极之间施加具有降低的消电离幅度的第二电压脉冲。

在一个补充的扩展中，所述方法包括以下的步骤：如果在施加具有降低的消电离幅度的第二电压脉冲期间出现电飞弧，则重复降低消电离幅度的步骤并且在阳极和阴极之间施加具有降低的消电离幅度的第二电压脉冲。通过上述扩展的方法能够逐步找出产生微波辐射的设备为了消电离而需要降低的功率，从而不需要强烈降低或断开该功率。

所述方法优选是包括以下的步骤：如果降低的消电离幅度的值低于预先确定的值，则确定错误。以这种方式能够剔除已经损坏并不再能无电飞弧运行的设备。

在本发明的一种优选的扩展中，通过在阳极和阴极之间连接的多级变换器产生加速电压，其中，该多级变换器具有一定数目的储能器，其能够可级联地串联在阳极和阴极之间。在此，多级变换器应该被理解成如下的电路：其能够借助储能器由作为输入电压的直流电压产生具有可变的电压水平的、单极的输出电压。这样的多级变换器可以例如由级联的H电桥或作为马克斯发生器（Marx-Generator）构造。

在本发明的一个特别优选的扩展中，所述方法包括以下的步骤：为了生成第一电压脉冲将第一数目的储能器串联，而为了生成第二电压脉冲将第二数目的储能器串联，其中，第一储能器的数目被选择为大于第二储能器的数目。借助按照该扩展的方法，在生成加速电压时断开单个的储能器，由此能够以技术上更简单的方式生成具有消电离幅度的电压脉冲。

本发明还给出了一种装置，其被设置为执行上述的方法。

所述装置特别是具有存储器和处理器。在此，所述方法以计算机程序的形式被存储在存储器内，并且处理器被设置为，当该计算机程序由存储器被装载到处理器时，实施所述方法。

本发明还给出了一种装备，其包括具有阳极和阴极的用于产生微波辐射的设备以及在阳极和阴极之间产生加速电压的所述装置。

在一种优选的扩展中，所述装备包括作为多级变换器的马克斯调制器。

本发明还给出了一种用于放射疗法的医学治疗设备或者一种用于透视或辐射的工业设备，其中，该设备包括用于产生微波辐射的装备。

附图说明

本发明上述的属性、特征和优点以及实现这些的方式结合以下对实施例的描述将变得更清晰并更容易理解，将结合附图对该实施例进行更详细的描述，其中：

图1示出了包括具有阳极和阴极的设备以及操作该设备的装置的装备的电路图。

图2示出了图1的装备的加速电压和设备电流的时间进程。

在附图中，相同的技术元件具有相同的附图标记并且只对其进行了一次描述。

具体实施方式

参考图1，其示出了装备2的电路图，所述装备包括具有阴极4和阳极6的用于产生微波辐射的设备8以及借助加速电压10操作该设备8的装置12。

设备8可以是用于微波产生或微波放大的电子管，以下会示例性地采用磁控管的形式。但是，作为设备8可以选择每种任意的渡越时间管

其工作原理基于电子的渡越时间。所以，既可以选择如增幅管和磁控管的交叉场管，也可以选择如调速管、行波管、返波管和回旋管的直线射线管作为设备8。

如同稍后借助图2详细描述一样，加速电压10由多数的电压脉冲14、16、18构成。因此，输出加速电压10的装置12可以包括输出每个电压脉冲14、16、18的电压源，其能够输出具有可变幅度的电压脉冲。在本实施中，装置12另外包括多级发生器20，其由控制器22控制。另外，该多级发生器20例如是作为三级的马克斯发生器实施的。然而可以使用任意的多级发生器20，例如多级H电桥发生器、飞跨电容多级发生器或二极管钳位多级发生器。在此，通常借助多级发生器20生成单极的负电压。

所示出的三级马克斯发生器20将由直流电压源24输出的直流电压26转换成加速电压10。在此，可以以任意的方式构成输出直流电压26的直流电压源24。该直流电压源24从而可以例如是：被连接在具有两相或三相的常规电压网上的整流器；发电机或电池。在本实施中，为了简单起见，以理想直流电压源表示该直流电压源24。

在本实施中，三级马克斯产生器2具有中间储能器28至32，其将直流电压源24输出的电能按照下面还要描述的方式进行中间存储。以下在绘图平面这样考察中间储能器28至32，其从下到上逐个计为第一中间储能器28至第三中间储能器32。作为中间储能器28至32可以使用全部的能量存储系统，其能够接收、存储并根据需求再输出电能。这样的能量存储系统例如是电容器或蓄电池。在图中示例性地以电容器表示中间储能器28至32。

中间储能器28至32能够经过充电电感33并经过充电二极管34至38与直流电压源24并联连接。以这种方式，中间储能器28至32的各个单元电压40至44能够被提升至直流电压26的值，并且这样给中间储能器28至32充电。

每个中间储能器28至32被连接在储能单元46至50中，在该储能单元中另外分别连接了空转二极管52至56和放电开关58至62。各个储能单元46至50与磁控管8串联连接。各个储能单元46至50能够单独地并相互无关地提升在磁控管8上的加速电压10的水平。另外，放电开关58至62与相应的储能单元46至50连接，后者要为加速电压10的水平做出贡献。如果一个储能单元46至50的放电开关58至62保持断开，则电流64经过磁控管8流经在相应的存储单元46至50的中间储能器40至44上的相应的空转二极管52至56，从而该储能单元46至50则不对加速电压10做出贡献。换句话说，通过控制各个放电开关58至62的断开和接通，能够使加速电压10的水平下降或提升单元电压40至44。

通过控制装置22控制放电开关58至62。该控制装置可以接收例如量化的参考信号66，其形状应该通过加速电压10来复制。该量化的参考信号可以以任意方式来生成。

基于该量化的参考信号66，控制装置22为每个放电开关58至62生成控制信号68至72，以便借助各个储能单元46至50，在加速电压10中复制该量化的参考信号66的形状。

参考图2，其示出了基于图1所示装备2的加速电压10和磁控管电流64的关于时间74的进程。

在磁控管8正常运行期间，由第一电压脉冲14构成加速电压10，其具有运行幅度76。该第一电压脉冲14应该这样被构成，使在磁控管8上合成的（在图1中未进一步示出）电压具有受限制的电压提升。为此，控制装置22以时间间隔78逐个接通各个储能单元46至50。在本实施中，这些时间间隔被选择为相同。但是，其也能够根据负载的要求是不同的。在第一电压脉冲14的结尾，控制装置22再次以时间间隔断开各个储能单元46至50。但是，这不是强制必须的。替代地，也可以在第一电压脉冲的结尾一起断开各个储能单元46至50。

每个第一电压脉冲14在脉冲持续时间80期间通过磁控管8以技术人员公知的方式引起第一电流脉冲82。在磁控管无缺陷的运行下，该第一电流脉冲82具有电流幅度84，其不超出第一电流阈值86。

在时间83之后，通过控制装置22初始以如第一电压脉冲14相同的方式生成另一个电压脉冲16。但是，应该假设在该电压脉冲16期间，在磁控管8的阳极4和阴极6之间出现了电飞弧。该电飞弧被称为管放电

并导致在磁控管8的阳极4和阴极6之间的电弧。通过经过磁控管8的电流64的相应的电流脉冲88超出第一电流阈值86，可以测量该电飞弧。作为对超出第一电流阈值86的响应，所述控制装置能够在保护开关时间点90一次性断开全部的储能单元46至50。结果，经过磁控管8的电流88以技术人员公知的方式衰减至零。

从保护开关时间点90开始，借助在磁控管8上施加作为加速电压10的另外的电压脉冲的控制装置22可以等待消电离时间92，以便确保在阳极4和阴极6之间的空间内充分的消电离，从而使后续的电压脉冲不立即再次导致电飞弧。

在本实施中，为了能够尽可能短的持续消电离时间92，通过控制装置22将跟随保护开关时间点90的电压脉冲作为具有消电离幅度94的第二电压脉冲18生成，该消电离幅度94小于运行幅度84。为此，该控制装置通过将三个储能单元46至50中的最多两个施加在磁电管8而构成第二电压脉冲18，从而使三个单元电压40至44中的也仅两个为加速电压10做出贡献。如果一定数目的该第二电压脉冲18被输出到磁控管8而没有出现电飞弧，则该控制装置能够再次施加具有运行幅度84的第一电压脉冲82。另外，如果以前述方式仍出现电飞弧，则控制装置22可以以前述方式进一步降低消电离幅度94。

控制装置22可以被设置为，在其代替具有运行幅度84的第一电压脉冲14生成具有消电离幅度的第二电压脉冲18之前，对电飞弧的数目进行计数。另外，控制装置22可以被设置为，在预先确定的无电飞弧时间之后，重置相应的计数器。

虽然本发明在细节上通过优选的实施例进行了更详细地图解和描述，但是本发明不限于所公开的实施例，而是能够由技术人员由此推导出其它的变型方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种借助加速电压（10）操作用于产生微波辐射的具有阳极（6）和阴极（4）的设备（8）的方法，该加速电压的时间进程通过一系列电压脉冲（14,16,18）给出，包括：

-在阳极（6）和阴极（4）之间施加具有运行幅度（76）的第一电压脉冲（14）；

-确定在施加第一电压脉冲（14）期间是否出现电飞弧；并且

-如果在施加第一电压脉冲（14）期间出现电飞弧，则施加跟随第一电压脉冲（14）的第二电压脉冲（18），后者具有比运行幅度（76）更小的消电离幅度（94）。

2.按照权利要求1所述的方法，包括：

-如果出现电飞弧，则在施加第二电压脉冲（18）之前，等待消电离时间（92）。

3.按照权利要求1或2所述的方法，包括：

-在施加第二电压脉冲（18）之前，施加至少一个另外的具有运行幅度（76）的第一电压脉冲（14）；

-对在阳极（6）和阴极（4）之间施加的、出现电飞弧的第一电压脉冲（14）进行计数；并且

-如果出现电飞弧的第一电压脉冲（14）的数目超过预先确定的数目，则施加第二电压脉冲（18）。

4.按照权利要求3所述的方法，包括：

-如果在出现电飞弧的第一电压脉冲（14）之后经过了预先确定的无电飞弧时间（74），则重置出现电飞弧的第一电压脉冲（14）的数目。

5.按照上述权利要求中任一项所述的方法，包括：

-确定在施加第二电压脉冲（18）期间是否出现电飞弧；

-如果在施加第二电压脉冲（18）期间出现电飞弧，则降低消电离幅度（94）；并且

-在阳极（6）和阴极（4）之间施加具有降低的消电离幅度（94）的第二电压脉冲（18）。

6.按照权利要求5所述的方法，包括：

-如果在施加具有降低的消电离幅度（94）的第二电压脉冲（18）期间出现电飞弧，则重复降低消电离幅度（94）的步骤，并且在阳极（6）和阴极（4）之间施加具有降低的消电离幅度（94）的第二电压脉冲（18）。

7.按照权利要求5或6所述的方法，包括：

-如果降低的消电离幅度（94）的值低于预先确定的值，则确定错误。

8.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在阳极（6）和阴极（4）之间连接的多级变换器（20）产生加速电压（10），其中，该多级变换器（20）具有一定数目的储能器（46-50），后者能够可级联地串联在阳极（6）和阴极（4）之间。

9.按照权利要求8所述的方法，包括：

-为了生成第一电压脉冲（14）将第一数目的储能器（46-50）串联；并且

-为了生成第二电压脉冲（18）将第二数目的储能器（46-50）串联；

-其中，第一储能器（46-50）的数目被选择为大于第二储能器（46-50）的数目。

10.一种装置，其被设置为执行上述权利要求中任一项所述的方法。

11.一种装备（2），包括具有阳极（6）和阴极（4）的用于产生微波辐射的设备（8），以及按照权利要求7所述的用于在阳极（6）和阴极（4）之间产生加速电压（10）的装置。

12.按照权利要求8所述的装备，包括作为多级变换器（20）的马克斯调制器。

13.一种治疗、透视或辐射设备，包括按照权利要求8或9所述的用于产生微波辐射的装备（2）。