CN1035653C - 能抑制瞬态噪声的x射线管组件及使用该组件的成象系统 - Google Patents

Abstract

本设备有一个真空管，该管有个管壳，壳内容纳一个阳极、一个阴极和一个丝极。一台电动机其转子装在管壳内与阳极机械连接，其定子处在管壳外。真空管和电动机封闭在一个接地的导电外壳内。定子和管壳之间设有一个导电材料制成的接地屏蔽件，用以抑制管壳内的高压放电，使其不致在定子绕组内产生电流。真空管与电源之间的一些低通滤波器与各导线串联连接，以抑制高压放电所产生的射频信号使其不致在各导线上传导。

Description

能抑制瞬态噪声的X射线管组件及使用该组件的成象系统

本发明涉及X射线成像设备，具体涉及用以抑制该设备的X射线管所产生的高频电噪声的装置。

这种X射线成像设备含有一个真空管，这个真空管有一个阴极和一个阳极，工作时发射出X射线。该阴极包括一个钨热离子发射源和一些聚焦表面。X射线管的阴极组件一般都有一个灯丝，用以加热该组件到工作温度，当其上施加了适用的电压电位时，以热离子的形式发射出的电子就通过阴极与阳极之间的真空间隙，冲击着阳极，从而产生X射线。一般用于医学诊断成像的X射线管以很高的阳极—阴极电压工作，典型的是40,000伏至150,000伏。

这一范围的工作电压在阳极与阴极之间的真空中产生强电场。这样电场会因各电极表面上存在锐边和颗粒而增强。如果该电场强度变得足够高，就会产生叫做“管火花”(tube spit)的高压电压不稳定性或放电，以将产生电场强度的不规则表面部分汽化掉。若汽化后得出的新表面其光滑程度不足以使电场降低到足够低的强度，则上述过程就以很高的频率自行重复，直到电极表面能承受高电压时为止。这个过程在X射线管技术领域中通常叫做“气候处理”(seasoning)，在X射线管的整个使用过程中不时发生，成了射线管自清理的一个手段。

遗憾的是，上述高电压放电会激发起管壳内的电气线路产生固有共振。由此产生的高频振荡(一般在100兆赫范围内)传送并辐射入X射线设备附近的电子设备中。这些振荡时常具有很高的功率，会使一些敏感的电子元件永久损坏，更普遍的是，会使电子设备误操作。

减少“管火花”效应对附近电子设备影响的传统方法是将电路封闭在金属外壳内，精心地为金属外壳设计一个接地系统，以防止电噪声不致进入电子设备内。虽然为减轻因“管子花”产生的电噪声的影响而采取这样的一些措施在某种程度上是有帮助的，但对非常强的“管火花”时常并非有效。

X射线成像设备包括一个真空管，该管具有一个阴极和一个阳极，阳极表面能发射出X射线。一般型式的X射线管利用一个感应电动机驱动盘形阳极。电动机具有装在X射线管管壳内的一个转子，与阳极连接。电动机的定子环绕着含有转子的X射线管管壳部分而装在外面。在X射线管工作期间，阳极转动，从而使阳极产生的电子束撞击着靠近旋转着的阳极盘周边的较小区域。

X射线设备还包括一个电源，可为阳极和阴极两端提供高压电位，为X射线管的灯丝提供电流。转子控制器为电动机供电，使管内的盘形阳极旋动。

本发明的主要目的是提供一个机构，用以抑制X射线管“火花”所产生的高频噪声使其不致从含有X射线管和电源部分的成像设备传送和辐射出去。

这个机构可以包括一个导电屏蔽件装在X射线管与电动机定子绕组之间的。这样的屏蔽可防止管火花的电气放电不致在定子绕组内产生容性耦合电流。为此，本发明的一个特殊目的是对X射线管内产生的电噪声提供屏蔽作用，使其不致在X射线管的阳极电动机的定子绕组中产生电流。

本发明的又一个目的是提供用以抑制X射线管内产生的电噪声不致通过与X射线管各元件相耦合的不同电导体传送出去的装置。

根据这个目的，可将一些低通滤波器串联耦合在设在管子与电源之间的高压电源线上。一些相类似的低通滤波器还可以耦合在设在转子控制器与电动机定子绕组之间的各导电体上。一些不同的低通电滤波器可以抑制几个兆赫以上的信号，例如管火花所产生的在100兆赫范围的信号。作为另一个实施例是将滤波器置于高压导线上，管火花电噪声的抑制是由设置在X射线管高压电源的低电压输入线和输出线上的一些低通滤波器来实现的。

图1示出装设有本发明一个实施例的一些元件的X射线成像设备的原理性方框图；

图2是通过按本发明的另一个实施例而修改的X射线管的不同形式的高压电源的原理图。

首先参看图1。总编号为10的X射线成像设备包括一个具有控制面板的曝光量控制器12，X射线技术人员通过这个控制面板输入给定曝光量所需的参数。曝光量控制器12根据X射线技术人员的输入在线13上产生一组控制信号，用以调整阴极变换器14、阳极变换器15和灯丝电源16的工作情况。变换器14和15以及灯丝电源16形成一个低压电源。部件14-16的输出电压和电流在曝光量控制器12控制下产生曝光量所需的X射线幅射量。

阴极变换器14和阳极变换器15向高压电源18提供较低电压调整过的电功率。高压电源18把这些电压升压，以产生X射线管20所需的阳极-阴极电位。施加在X射线管20的阳极-阴极电位例如在40至150千伏的范围内。高压电源18中的各元件封装在一个接地的导电外壳内，这个外壳对高频信号起屏蔽作用，使其不致从电源电路辐散到曝光量控制器或附近扩其它设备。

灯丝电源16提供电流施加到X射线管内的灯丝上，以使热离子阴极加热到所需的工作温度。一般来说，阴极和灯丝是作为“阴极灯丝”的单一组件装在X射线管中的，如图2所示的元件51。

高压电源18将阳极-阴极电位和灯丝电流施加在延伸到X射线管20的一对电缆21和22上。阳极的电压电位施加在阳极同轴电缆21芯导线上，电缆21的外层导体接地，以对阳极电位提供屏蔽。同样，双芯阴极电缆22将来自高压电源18的灯丝电流和阴极电压传送给X射线管。第二根电缆22的同轴电缆铠装带也与高压电源的外壳连接并接地。

阳极电缆21与组装在导电封闭盒25内的线中插入式(in-line)式第一低通滤波器24两侧的阳极电缆21的铠装带与导电封闭盒25连接，然后接地。在滤波器24两侧的阳极电缆21芯导线与空芯电感器27连接。电容器26耦合在滤波器封闭盒25与连接到高压电源18的电感器27这一端之间。电感器27与电容器26的组合形成一个L-C低通滤波器，该滤波器的响应特性曲线在1与2兆赫之间有一个截止点，以抑制电缆中高于该频率的射频信号。在某些情况下，阳极电缆21的固有电容的电容量与电感器27组合时提供抑制功能，因而无需另设一个单独的电容器26。

诸如金属氧化物变阻器(MOV)28之类的第一电压限制器耦合在滤波器的封闭盒25与电感器27接到X射线管的这另一端之间。第一MOV 28的总额定值应比施加在阳极与地之间的最大电压还高些，例如，180千伏的额定值。实际上，很难找到额定值这样高的单个MOV，而为达到所需的额定值，可以串联连接多个额定电压值低的器件。第一MOV 28对于阳极电缆21芯导线所载的高压的瞬态对地提供一个分流。诸如火花隙、齐纳或雪崩二极管或减缓器(snubber)电路之类的其它器件可用作为电压限制器来代替本发明中各种不同的金属氧化物变阻器。

第二滤波器组件30与阴极电缆22插入线中式地串联连接。第二滤波器组件30装在导电封闭盒32内，阴极电缆22的外层导电铠装带在滤波器30的高压电源和X射线管这两个侧上都连接到导电封闭盒32上。第二滤波器封闭盒32直接接地。在第二滤波器30的每一侧上都有阴极电缆22的双芯内导线33和34的线段。双芯导线33和34的每一条导线的两个线段分别与在封闭盒32内的双绕空芯电感器35和36的两端相连接。分立的电容器37和38分别连接在滤波器级件的接地封闭盒32与每一个电感器35和36靠近高压电源18的这一端之间。第二组件30中的每一组电感器和电容器组对芯导线中各相应的导线33和34都形成一个单独的L-C低通滤波器。这两个低通滤波器中的每一个都具有与第一组件24中低通滤波器相同的截止频率，即1至2兆赫。

阴极电缆22中的一根内部芯线33具有电源18直接施加在其上的高阴极电压。与该导线33相连接的电感器35的X射线管侧一端与另一个电压限制器(例如第二金属氧化物变阻器(MOV)39)相连接，第二MOV 39连接在该电感器与接地封闭盒32之间。第二MOV 39的额定值与第一MOV 28相同。在另一种情况下亦即第二滤波器组件中不采用双绕电感器，则应将一个分立的MOV或其它的电压限制器与每个内导线33和34相耦合。第二滤波器组件30在阴极供电电缆22的双芯导线上提供了低通滤波器，并且在载有X射线管20阴极的高电压的芯线33上提供了一个高压瞬态抑制器件。

X射线管20的阳极电动机由来自转子控制器40经导线41和42的电流来驱动。这些导线41和42分别由分立的电感器43和44耦合到X射线管20内的定子绕组上。电感器43和44靠近转子控制器40的这端由分立的电容器45和46接地。邻近转子控制器输出端的电路的每一组电感器和电容器(43和45，及44和46)形成另外两个低通滤波器，用以抑制高频信号使其不致为电动机的导线41和42所传送。这两个低通滤波器中的每一个都具有与那些装在组件24和30中相同的截止特性，用以滤除管火花产生的高频信号。低通滤波器应安置得尽量靠近X射线管23，以防止电噪声在管壳与诸滤波器之间辐射开。

从图1可以明显看出，出自于X射线管外壳23的各条导线都耦合到抑制该导线所载送的任何高频信号的低通滤波器上。由于高压电缆21和22中的每一个都是具有外层接地的铠装带的同轴电缆，因而载送信号的各芯导线装在X射线管电极与滤波器之间的接地的结构物中。具体地说，X射线管20封闭在导电外壳23中，高压电缆21和22中每一条电缆的铠装带在电气上连接到导电外壳23上。此外，滤波器组件24和30中的每一个都分别具有一个导电封闭盒25和32，电缆21和33的铠装带也在电气上与导电封闭盒25和32相连接。因此，载送管火花所产生的任何高频信号的导线被封装在接地的外壳内，直到其起到用以抑制那些信号的滤波元件的作用时为止。

参看图2。图1中所示的低通滤波器都装在围绕着X射线管20的导电外壳23中，而不是装在分立的封闭盒25和32中。在这个替代性的实施例中，电缆21和22直接连接在电源18与管外壳23之间，不采用线中插入式器件。

X射线管20含有一个玻璃壳50，灯丝阴极51和旋转阳极52封装在该玻璃壳内。玻璃壳50的一端有一个连接器53，与阴极51在电气上连接供给阴极高电压电位和灯丝电流。盘形阳极52与转子55机械连接，转子55延伸入玻璃壳50的颈部54中。定子组件56围绕管颈54延伸，与驱动着阳极52的转子55构成一个电动机。定子56含有一个传统的叠片铁芯57，定子线圈58以传统方式绕在叠片铁芯57上。来自转子控制器40的电流施加在定子线圈58上时，在X射线管颈部54内产生旋转磁场，使转子55和阳极52以X射线管20的纵轴线为轴转动。

虽然向X射线管阳极和阴极提供高压的电缆21和22是铠装的能减少射频辐射，但由于管火花使得标准的X射线管成为明显的辐射源，又由于管火花而产生的高频信号被带到管外壳23外的定子电流导线41和42上，再从这些导线辐射出去。

为了减少这种噪声的发射，本发明的一个方面在X射线管20与定子56之间配备了一个导电屏蔽件60。屏蔽件60包括法兰61从管形部分的一端以与X射线管壳的形状一致的角度向外延伸。

图2中屏蔽件60的外表面有一个导电材料涂层。导电材料覆盖着法兰部分61和管形部分62两者的外表面，除了在管形部分62的内部之上的涂层中有环形隙缝64以外。隙缝64在涂层中形成一个中断点，以防导电材料沿管形部分62在纵向上形成导电通路。这种导电通路可能会干扰定子56与转子55之间的磁耦合。隙缝64的宽度足以使导电通路变得最小，同时使X射线管20与定子绕组58之间仍然有足够的射频屏蔽作用。隙缝64两侧的导电材料在电气上与接地的管外壳23连接。

作为屏蔽件60的一种替代物，在定子线圈58的外表面上涂一层导电层也可以起同样的屏蔽作用。不用屏蔽件60时，可以在定子线圈58上绕上诸如薄带之类的导电材料。采用屏蔽件60时，在线圈内径周围的导电材料中必须要有一个环形隙缝以使导电材料中的磁路不致对定子56与转子55之间的磁耦合有不利的影响。导电材料由一个延伸在这个材料与管外壳23之间的导线(图中未示出)接地。

从转子控制器40引出的导线41和42通过联接器73延伸到X射线管壳23中。联接器73应设计得，使射频信号可能放射所要通过的区域减小到最小程度。

定子绕组58有两条引线66和67，其上施加来自转子控制器的电流。引线66和67中的每一条分别由分立的电感器68和69与从转子控制器40引出的导线41和42上相耦合。两个电感器68和69的与转子控制引出的导线41和42相连接的端部还由分立电容器71和72耦合到管外壳23上。一个电容器和一个电感器的组合形成一个低通滤波器，它与图1实施例中X射线管外壳23外面的元件43-46另外提供的低通滤波器相类似。这两个低通滤波器中的每一个都抑制1至2兆赫以上截止频率的信号。

虽然这两个附图中都示出一台单相电动机，但也可以采用两相或三相电动机。在这些情况下，定子绕组58有一条附加的引线和与该引线耦合的另一个低通滤波器。

导电屏蔽件60与引自转子控制器的导线上的各低通滤波器的组合用以将管火花放电在定子绕组58中产生信号减至最小，该信号接着会从管外壳23传送出去。屏蔽件60还可用于图1实施例中的X射线管组件，在该组件中，各低通滤波器设在管外壳23的外面。

图2还示出了在X射线管外壳23之内可用低通滤波器来代替各个阳极和阴极电源电缆21和22中的线中插入式组件24和30。代之以电源电缆21与管外壳中的用以将电缆21的铠装带接到接地外壳23上的插座74上，阳极电源电缆的芯导线75由电容器76耦合到外壳上，由电感器77耦合到X射线管20的阳极上。MOV 78将X射线管20的阳极端子耦合到外壳23上。为此，元件76、77和78构成了一个滤波器组件，它与图1中的元件24相类似，用以抑制X射线管内产生的高频信号，使其不致在电源电缆21上传送到外壳23以外。

同样，阴极电缆22与外壳23上的插接座相连接，将该电缆的外层铠装接地的外壳相连接，其内部的双芯导线33和34延伸到外壳内，经一对电感器81和82耦合到X射线管的灯丝阴极端子53上。分立电容器83和84分别将外壳23耦合到该电源电缆芯线33和34与电感器81和82连接的连接点。电缆芯线33所连接的阴极端子53的引线还经另一个MOV 85耦合到管壳23上。元件81-85所形成的电路在外壳23中构成一个滤波器组件可代替图1中的外部元件30，能防止X射线管的管火花在管内所产生的高频信号不致跑出外壳23外而在阴极电源电缆芯线33和34中传播。

图3和4示出了本发明的另外两个实施例，其中高压电缆21和22所载送的高频信号在高压电源18中被抑制掉。先看看图3中的实施例，阳极同轴电缆21的芯导线经电感器91和电容器92形成的滤波器耦合到阳极高压电源电路90上。该滤波器抑制该电缆上的高频信号，使其不致被带到已延伸到曝光量控制器12、变换器14、15以及灯丝电源16的各线上。同样，双芯的阴极电源电缆22的内芯导线33和34经分立电感器93和94耦合到灯丝电源变压器95上。电感器93还使导线33连接到阴极高压电源96上。电容器97和98分别连接在“电感器93和94与灯丝电源变压器95”的连接节点与高压电源18的接地导电外壳99之间。

这样，图3所示的实施例通过在高电压源18内电缆21和22的端子上装设低通滤波器而无需使用图1所示的线中插入式滤波器组件24和30。

作为另一种方案，也可在高电压源18的引入和引出的低压导线上装设这样的低通滤波器而无需使用高压电感器和电容器来抑制高频噪声。这些低压导线引伸到曝光量控制器12、变换器14和15以及灯丝电源16。鉴于高电压源18与X射线管外壳23之间的电缆21和23完全被铠装，因而在X射线管的各元件、电缆的各芯线及高电压源18的各元件的周围实际上形成了一个单一的屏蔽封闭体。这样的一个单一的屏蔽体可以防止X射线管内产生的高频信号不致从管外壳23或电缆21和23中辐射出去，从而使高压电缆所载送的唯一辐射出口点在低压导线上，在高电压源18之外。

图4示出了从高电压源18的外壳引出的各低压线都具有与其耦合的低通滤波器的情况。每个滤波器都由一个与低压导线串联连接的电感器88和一个耦合在该导线与高电压源18接地外壳99之间的电容器89构成。这可在每条低压导线上都提供了一个低通滤波器截止频率在1至2兆赫范围内，可抑制由于管火花所产生的高频噪声信号使其不致跑出由高压外壳99、电缆21和22周围的铠装带及X射线管20的外壳23组成的单一的封闭体之外。

应该牢记图1和图2所示的转子控制器线路的低通滤波仍须配备图3和图4的实施例。

Claims (11)

1.一种成象系统用的X射线管组件，包括：

一个放射X射线的真空管(20)，它有一个管壳(50)，其内容纳一个阴极电极(51)和一个阳极电极(52)；

一台电动机，该电动机具有一个设在管壳内而与上述阳极相耦合的转子(55)及一个设在管壳外的定子(56)；

一个导电外壳(23)，围绕着上述真空管(20)和电动机；

其特征在于：还包括：

一层导电涂层(63)，位于上述外壳内，环绕着电极(51，52)与定子(56)之间的管壳(50)，该导电涂层有一圈环绕管壳(50)延伸的环形隙缝(64)，该隙缝足以使涂层内的导电通路变得最小，以减少对定子(56)和转子(55)之间磁耦合的不良影响，同时使真空管(20)与定子(56)之间仍然有足够的射频屏蔽作用。

2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述涂层(63)涂在一个屏蔽件(60)上。

3.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述涂层是一层环绕所述定子的导电涂层；所述隙缝用于消除所述定子与转子之间的磁耦合。

4.如上述权利要求之一所述的组件，其特征在于，该组件还包括：

第一(41)和第二(42)导线，与所述定子的绕组相连接，以在其间传送电流；

第一低通滤波器(68，71)，与上述第一导线和绕组串联连接，用以抑制在所述管内产生的射频信号；和

第二低通滤波器(69，72)，与上述第二导线和绕组串联连接，用以抑制在所述管内产生的射频信号。

5.如权利要求4所述的组件，其特征在于，该组件还包括：

第三低通滤波器(76，77)，在所述阳极和一高压电源之间与一第三导线(21)串联连接；

第四低通滤波器(81，83)，在所述真空管的灯丝和一灯丝电流源之间与一第四导线(33)串联连接；以及

第五低通滤波器(82，84)，在所述灯丝和灯丝电流源之间与一第五导线(34)串联连接。

6.如权利要求1-3之一所述的组件，其特征在于，该组件还包括：

第一电压限制器(78)，耦合在上述第三低通滤波器与地之间；和

第二电压限制器(85)，耦合在地与上述第四和第五低通滤波器至少其中之一之间。

7.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该组件还包括：

第一电缆(21)，它具有一条芯导线(75)，用以将一高压电源(18)耦合到所述阳极上，还有一个接地铠装体，围绕着上述芯导线，并连接在所述导电外壳上；

第二电缆(22)，它具有多条导线(33，34)，用以将上述高压电源和一个灯丝电流源(16)耦合到所述阴极和一灯丝(51)上，还有一个接地铠装体，转绕着上述多条导线；以及

多个低通滤波器，其中一个低通滤波器(76，77)在所述阳极和所述高压电源之间与所述芯导线串联连接；而各分立的低通滤波器(81-84)在所述真空管和所述电源之间与所述第二电缆中的多条导线的每条串联连接。

8.如权利要求5或7所述的组件，其特征在于，其中每一个所述低通滤波器都设在所述外壳内。

9.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该组件还包括：

一对电动机导线(41，42)；和

第一(68，71)及第二(69，72)电动机电路低通滤波器，其在一个电动机电源(40)和所述电动机之间各与所述一对电动机导线之一串联连接。

10.一种使用上述任一权利要求所述组件的成象系统，包括：

一个电源(14，15，16)和响应所得到的来自该电源的较低电压以产生高压的装置(18)；

其特征在于，还包括：

一个低通滤波器(24，30)，与延伸在所述高压装置和所述真空管(20)之间的导线(21，22)相耦合。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，该系统还包括：

用以控制X射线曝光量的装置(12)，所述电源(14，15，16)则受该曝光量控制装置的控制而工作；

所述高压装置(18)设置在一个导电外壳(99)内，用以将所述电源的阳极-阴极电压升压到更高的电压；

多条导线装置(21，22)用以将所述真空管(20)电耦合到所述高压装置上；以及

分立的低通滤波器(24，30)，与所述多条导线的每一条相耦合。

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