CN103917033A - 用于脉冲x射线管的加热电流调节的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节在脉冲间歇期间流过发射极（2）的脉冲X射线管（1）的加热电流（H）的方法和相应的装置。在此通过对所测得的加热电流的实际值（H_Ist,H_TP）和可以预先定义的加热电流的额定值（H_Soll）进行比较而实现加热电流（H）的调节，其中在所述比较（8）之前对加热电流的实际值（H_IST）进行低通滤波（9，H_TP），其中所述低通滤波（9）的时间常数等于发射极（2）的加热时间常数。本方法还包括在低通滤波（9）之前的对于加热电流的实际值（H_Ist）进行依靠第一校正值（K1）的校正，其中所述第一校正值（K1）这样确定，即在脉冲期间的管电流调节（R_Ist，R_Soll）没有通过在脉冲间歇的加热电流调节（H_Soll,H_TP）被补偿。本发明具有优点，通过借由低通滤波进行的发射极温度仿真和管电流调节的观察设立带有在额定值跳跃之后的改进的调整特性的优化的调节电路，所述调节电路还可以避免过冲。

Description

用于脉冲X射线管的加热电流调节的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于对在辐射的脉冲间歇期间流过脉冲X射线管的发射极的加热电流进行调节的一种方法和一种装置。

背景技术

为了调节X射线管的电流而改变X射线管的阴极（=发射极）的加热电流，由此控制阴极的电子发射。在专利申请文件DE4300825A1中描述了这样的调节。

在脉冲的X光检查的情况下或血管造影术的3D成像的情况下，将X射线辐射的剂量率和由此所需的逐个脉冲的管电流适配到当前的对象情况。对此将阴极加热到所需要的发射温度的X射线发生器在X射线脉冲前短时间内分别获得对于管电流的相应的默认额定值。通过在发生器中储存的发射表格（Emissionstabelle）得出加热电流的对此适配的初始值。然而，因为典型的脉冲宽度仅仅存在于3到12ms的范围内，所以仅在辐射脉冲期间的调节被排除。同样在脉冲间歇中发射极出于所需要的功能的原因必须被调节到需要的温度。典型的帧频位于3到100Hz的范围内。

公知的是，在管电流的额定值跳跃的情况下结合发射表格选择相应的加热电流，并且通过在脉冲间歇负责对加热电流进行调节的加热电流调节器进行调整。因为发射极的加热延迟而只导致管电流的时间延迟。

在脉冲期间有一个管电流调节器是激活的，其直接通过测量在高压电路中的管电流来给出关于当前的发射极温度的反馈。所述管电流调节器可以尝试，通过在加热电流的允许的界限内的大的调节动态范围（Regeldynamik）将发射极尽可能快地带到所需要的温度。这在长的X射线脉冲（大约大于10ms）的情况下是很有效的，但是在短的X射线脉冲（例如3ms）的情况下因为短的调节时间而导致管电流调节器的影响可能性急剧降低。因此，因为缺少发射极反馈，较迟钝的加热电流调节器支配发射极温度或发射极温度的调节速度。然而，由于在3D成像的情况下更快的旋转时间、更高的帧频和更短的脉冲时间，管电流的更快的调节时间是必须的。

图1示出工作于脉冲运行的X射线管1的公知的加热电流调节的方块图。在此根据结构在脉冲间歇期间基于保存的发射表格借助所测得的加热电流的实际值H_Ist进行加热电流H的调节，而在X射线脉冲期间借助测得的管电流的实际值R_Ist进行加热电流H的调节。所述X射线管1包括至少一个发射极2和至少一个阳极3。所述发射极2由可调节的电源4供应加热电流H。借助可调节的管高压电源5产生管电压。

加热电流测量单元6位于加热电流电路中，所述加热电流测量单元确定加热电流的实际值H_Ist。所述加热电流的实际值H_Ist被输送到加热电流调节单元8。管电流测量单元7位于管电压电路中，所述管电流测量单元确定管电流的实际值R_Ist。所述管电流的实际值R_Ist同样被输送到加热电流调节单元8。在加热电流调节单元8中将实际值H_Ist和R_Ist与脉冲间歇中的加热电流的额定值H_Soll以及与脉冲期间的管电流的额定值R_Soll相比较。从中在需要的情况下推导出调节变量RG，其控制电源4。加热电流调节单元8例如被构造为PI-调节器。

图2示出用于加热电流调节的相关变量的、与图1的加热电流调节匹配的时序图。在此出于清晰性的原因不示出脉冲期间的调节。此种额外的调节在脉冲期间作为加热电流峰值变得可见，而管电流差不多更快地被调整到额定值。

在x轴上以毫秒示出时间t而在y轴上仅仅现象学地（不带尺寸规格）示出管电流的实际值R_Ist、管电流的额定值R_Soll、发射极2的温度T和加热电流的实际值H_Ist。从曲线的走向可以清晰识别，由于发射极2的材料限制的延迟加热导致温度T不是跳跃式地而是时间延迟地上升。由此管电流的实际值R_Ist大约在500ms之后才达到额定值R_Soll。在所示出的示例中脉冲宽度和脉冲间歇分别长约75ms。

当在脉冲期间管电流R和标称值有偏差时，对脉冲间歇中的加热电流H进行适配的动态校正会加速调整，但是从中也会引起超过本来希望的工作点的过冲或欠冲。这在临界负荷扫描的情况下会导致X射线管的过载并且因此导致击穿。这些引起不可用的3D扫描且也会导致X射线源的损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，给出用于脉冲X射线管的加热电流调节的一种方法和一种装置，其调节加热电流和由此更快和更准地将管电流调节到所希望的额定值。

根据本发明所提出的技术问题由按照本发明的方法和装置来解决。具有优势的改进方案由从属权利要求给出。

本发明所依赖的观念在于，所采集的瞬时流动的加热电流由低通滤波器滤波，其中将低通滤波器的时间常数选择为等于发射极时间常数。加热电流调节器尝试将该低通滤波的信号尽可能快地调整并且在此对发射极有针对性地过度供电（überstromen）或不足供电（unterstromen），由此将其更快地调整到所希望的温度。简单说来加热电流调节器获得假设的温度作为反馈，所述温度然后比温度通过发射极的热时间常数发生暂态过程（einschwingen）更快地被加热电流调节器调整。

本发明要求保护一种用于对在脉冲间歇期间脉冲X射线管的、流经发射极的加热电流进行调节的方法，通过对所测得的加热电流的实际值和可以预先定义的加热电流的额定值进行比较而对加热电流进行调节，其中在所述比较之前以与发射极的加热时间常数相等的时间常数对加热电流的实际值进行低通滤波。本方法进一步包括在低通滤波之前对加热电流的实际值以第一校正值进行校正，其中这样地确定第一校正值，即在脉冲期间的管电流调节没有被在脉冲间歇的加热电流调节补偿，以便获得关于发射极温度的预测作为用于调节的实际值。本发明具有优点，通过借由低通滤波进行的发射极温度仿真和通过管电流调节的观察来设立带有在额定值跳跃之后的改进的调整特性的优化调节电路，此外还避免了管电流的过冲。

在一种改进方案中第一校正值从加热电流的实际值和在当前脉冲开始时的加热电流的实际值之间的差确定。

在另一实施方式中从加热电流的实际值中减去所述第一校正值。

在另一构造中本方法包括在低通滤波之前对加热电流的实际值以第二校正参数进行校正，所述第二校正值从脉冲期间的电子冷却的模型中确定。

所述第二校正值优选如此确定，即不采集在脉冲期间由电子冷却引起的温度骤降（Temperaturabkühlung）。

另外，从加热电流的实际值中减去所述第二校正值。

在另一实施方式中，本方法包括通过第三校正值在低通滤波之前对加热电流的实际值进行校正，从阳极反加热（Anodenrückheizung）的模型中确定所述第三校正值。

在一种改进方案中从加热电流的实际值中减去所述第三校正值。

本发明还要求保护一种用于调节在脉冲间歇期间脉冲X射线管的流经发射极的加热电流的装置。所述装置包括加热电流调节单元，其构造为通过对所测得的加热电流的实际值和可以预先定义的额定值进行比较来调节加热电流；所述装置还包含前置连接于所述加热电流调节单元的、带有和发射极的加热时间常数相等的时间常数的第一低通滤波单元，其被构造为在所述比较之前对加热电流的实际值进行滤波。此外所述装置还包括第一校正单元，其被构造为在低通滤波之前对加热电流的实际值以第一校正参数进行改变，且这样确定所述第一校正值，即在脉冲期间的管电流调节没有被在脉冲间歇的加热电流调节单元所补偿。

在一种改进方案中，所述第一校正单元被构造为，从加热电流的实际值和在当前脉冲开始时的加热电流的实际值之间的差确定第一校正值。

在一种优选的实施方式中，本装置包括一个前置连接于低通滤波单元的加法单元，所述加法单元被构造为用于从所述加热电流的实际值减去所述第一校正值。

在另一构造中，本装置包括第二校正单元，其被构造为，在低通滤波之前对加热电流的实际值以第二校正值进行改变且所述第二校正值从脉冲期间的电子冷却的模型中确定。

优选可以将所述第二校正单元构造为第二低通滤波单元，其时间常数等于电子冷却的时间常数。

在一种改进方案中将加法单元构造为，从所述加热电流的实际值减去所述第二校正值。

另外本装置可以包括第三校正单元，其被构造为，在低通滤波之前对加热电流的实际值以第三校正值进行改变且从阳极反加热的模型中确定所述第三校正值。

在另一实施方式中，将加法单元构造为，从加热电流的实际值中减去第三校正值。

本发明还要求保护一种带有根据本发明的装置的X射线发生器。

附图说明

从下面结合示意性图示对实施方式的解释中，本发明的其它特征和优点变得显而易见。其中：

图1表示根据现有技术的加热电流调节的方块图，

图2表示根据现有技术的加热电流调节的时序图，

图3表示带有低通滤波的加热电流调节的方块图和

图4所示带有低通滤波的加热电流调节的时序图。

具体实施方式

图3示出根据本发明对加热电流的实际值H_Ist进行低通滤波的工作于脉冲运行的X射线管1的加热电流调节的方块图。在脉冲间歇期间基于保存的发射表格借助所测得的加热电流的实际值H_Ist进行加热电流H的调节。在X射线脉冲期间借助所测得的管电流的实际值R_Ist进行加热电流H的调节。X射线管1包括发射极2（阴极）和阳极3。所述发射极2由可调节的电源4供应加热电流H。借助可调节的管高压电源5产生管电压。

加热电流测量单元6位于加热电流电路中，所述加热电流测量单元确定加热电流的实际值H_Ist。所述加热电流的实际值H_Ist由第一低通滤波单元9滤波并且作为被低通滤波的加热电流的实际值H_TP被输送到加热电流调节单元8。所述第一低通滤波单元9的时间常数（约为100ms到500ms）被选择等于发射极2的加热时间常数。

被低通滤波的加热电流的实际值H_TP由此对应于假设的发射极温度，但不对应加热的暂态（Einschwingen）期间的瞬时流动的加热电流H。在优选的作为PI调节器实施的加热电流调节单元8的情况下通过低通滤波形成加热电流H超出或低于静态终值，籍此获得相对于公知解决方案的改进的性能。但是为了排除发射极2的损坏，将加热电流H向上限制在对于发射极2许可的最大值之内。

管电流测量单元7位于管高压电路中，所述管电流测量单元确定管电流的实际值R_Ist。所述管电流的实际值R_Ist同样被输送到加热电流调节单元8。在加热电流调节单元8中，将加热电流的实际值H_Ist和管电流的实际值R_Ist与脉冲间歇中的加热电流的额定值H_Soll相比较或与脉冲期间的管电流的额定值R_Soll相比较，从中推导出控制电源4的调节变量RG。

如此优化的加热电流调节具有在额定值变化后更快速的调节性能且不需要额外的硬件。支持调整过程的动态校正可以被减弱并且时间延迟地在额定值跳跃之后被激活。公知的过冲或欠冲也被避免。加热电流调节单元8不需要关于脉冲间歇的长度的信息即可运行。

然而，所描述的加热电流的实际值H_Ist的低通滤波有如下效果。因为脉冲期间的管电流调节作用到加热电流H以便适配管电流R，从而该作用也会影响到脉冲间歇的低通滤波的加热电流的实际值H_TP。如果现对加热电流的额定值H_Soll在管电流调节的作用之后不再追踪，那么，加热电流调节单元8尝试逆转地消除管电流调节的作用和对被滤波的加热电流的实际值H_TP按照其标称值进行调整。这些产生如下后果，两种调节几乎彼此相对地工作并且因此下一个脉冲没有比前一个更好。替代加热电流的额定值H_Soll的校正，也可以校正加热电流的实际值H_Ist，这样有同样的效果。

根据本发明观察脉冲期间的调节并且确定用于脉冲间歇中的加热电流调节的第一校正值K1。没有第一校正值K1无法进行调整。因为管电流调节的作用不影响发射极2的持续时间，所述第一校正值K1同样以发射极时间常数被滤波并且在脉冲间歇期间缓慢衰退。

为此设置的第一校正单元11包括存储单元18，其通过管高压电源5的脉冲或通过管电流调节的开始而被触发。所述存储单元18在其输入端施加加热电流的实际值H_Ist，并且在当前脉冲的开始的时候存储其值用于余下的脉冲。然后将该值在脉冲间歇期间在加法器16中从加热电流的实际值H_Ist减去。如此确定的第一校正值K1在位于所测得的加热电流的路径中的加法单元15中，被从加热电流的实际值H_Ist减去。

通过第二校正值K2会防止：由于在管电流调节期间平衡的电子冷却所引起的在脉冲期间的温度骤降被对于管电流R的观察所采集，并且在脉冲间歇期间错误地作为校正值被传递给加热电流调节单元8。根据本发明因此设置第二校正单元12，其在加法单元15中从加热电流的实际值H_Ist减去第二校正值K2。例如通过为脉冲间歇提供第二校正值K2的第二低通滤波单元17，在所述第二校正单元12中脉冲期间对电子冷却的模型进行仿真（abgebildet）。

通过阳极3可以引发从阳极3到发射极2的反加热。这些可以通过第三校正值K3被考虑。为此生成阳极反加热的模型，并且借助第三校正单元13为脉冲间歇中的加热电流调节确定第三校正值K3。所述第三校正值K3在加法单元15中被加到加热电流的实际值H_Ist上。

在需要的情况下可以确定其它的校正值并且在加法单元15中算入到加热电流的实际值H_Ist。其它带有更多第一低通滤波单元9的同样功效的电路装置也是可行的。

图4示出与图3匹配的加热电流调节的相关变量的时序图。在此出于清晰性的原因不示出脉冲期间的调节。此种额外的调节作为脉冲期间加热电流峰值变得可见而管电流R差不多更快地被调整到额定值R_Soll。

在x轴上以毫秒示出时间t而在y轴上仅仅现象学地（不带尺寸规格）示出管电流的实际值R_Ist、管电流的额定值R_Soll、发射极2的温度T、加热电流的低通滤波的实际值H_TP、加热电流的额定值H_Soll和加热电流的实际值H_Ist。从曲线的走向可以清晰识别，相比较于根据图2的调节，发射极2的温度T更快地上升而管电流的实际值R_Ist更快地（例如在大约250ms内）达到额定值R_Soll。这些因此最重要的是，加热电流的实际值H_Ist在第一个100ms由于根据本发明的低通滤波而剧烈上升超过加热电流的额定值H_Soll和在大约400ms之后才下降到加热电流的额定值H_Soll。在所示出的实例中脉冲宽度和脉冲间歇分别长达大约75ms。

参考标记列表

1    X射线管

2    发射极/阴极

3    阳极

4    发射极电源

5    管高压电源

6    加热电流测量装置

7    管电流测量单元

8    加热电流调节单元

9    第一低通滤波单元

11   第一校正单元

12   第二校正单元

13   第三校正单元

15     加法单元

16     加法器

17     第二低通滤波单元

18     存储单元

H_Ist   加热电流的实际值

H_TP    加热电流的低通滤波的实际值

H_Soll  加热电流的额定值

K1     第一校正值

K2     第二校正值

K3     第三校正值

R      管电流

RG     调节变量

R_Ist   管电流的实际值

R_Soll  管电流的额定值

S      管电流调节开始

T      发射极2的温度

t      时间

Claims (17)

1.一种用于通过如下来调节在脉冲间歇期间脉冲X射线管（1）的流过发射极（2）的加热电流（H）的方法：

-借助对所测得的加热电流的实际值（H_Ist,H_TP）和能够预先定义的加热电流的额定值（H_Soll）进行比较来调节（RG）所述加热电流（H），

其特征在于：

-在所述比较（8）之前对加热电流的实际值（H_IST）进行低通滤波（9，H_TP），其中所述低通滤波（9）的时间常数等于所述发射极（2）的加热时间常数，

-在所述低通滤波（9）之前对加热电流的实际值（H_Ist）以第一校正值（K1）进行校正，其中所述第一校正值（K1）这样确定，即在脉冲期间的管电流调节（R_Ist，R_Soll）没有被在脉冲间歇的加热电流调节（H_Soll,H_TP）补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从加热电流的实际值（H_Ist）和在当前脉冲开始时的加热电流的实际值（H_IST）之间的差确定所述第一校正值（K1）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从所述加热电流的实际值（H_IST）减去所述第一校正值（K1）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：

-在所述低通滤波（9）之前对加热电流的实际值（H_IST）以第二校正值（K2）进行校正，所述第二校正值从脉冲期间的电子冷却的模型中确定。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二校正值（K2）如此被确定，即不采集脉冲期间由电子冷却引起的温度骤降。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，从所述加热电流的实际值（H_Ist）减去所述第二校正值（K2）。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：

-在所述低通滤波（9）之前对加热电流的实际值（H_Ist）以第三校正值（K3）进行校正，所述第三校正值从阳极反加热的模型中确定。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，对所述加热电流的实际值（H_IST）加上所述第三校正值（K3）。

9.一种用于对在脉冲间歇期间脉冲X射线管（1）的流经发射极（2）的加热电流（H）进行调节的装置，具有：

-加热电流调节单元（8），其构造为用于通过对所测得的加热电流的实际值（H_Ist,H_TP）和能够预先定义的加热电流的额定值（H_Soll）的比较来对加热电流（H）进行调节（RG），

其特征在于：

-前置连接于所述加热电流调节单元（8）的、带有和发射极（2）的加热时间常数相等的时间常数的第一低通滤波单元（9），其被构造为在所述比较之前对加热电流的实际值（H_Ist）进行滤波，以及

-第一校正单元（11），其被构造为在低通滤波之前对加热电流的实际值（H_Ist）以第一校正值（K1）进行改变，且所述第一校正值（K1）这样确定，即在脉冲期间的管电流调节没有被在脉冲间歇的加热电流调节单元（8）所补偿。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一校正单元（11）被构造为，根据加热电流的实际值（H_Ist）和在当前脉冲开始时的加热电流的实际值之间的差来确定第一校正值（K1）。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于：

-前置连接于低通滤波单元（9）的加法单元（15），其被构造为，用于从所述加热电流的实际值（H_Ist）减去所述第一校正值（K1）。

12.根据权利要求9或10中任一项所述的装置，其特征在于：

-第二校正单元（12），被构造为，在低通滤波之前对加热电流的实际值（H_Ist）以第二校正值（K2）进行改变且所述第二校正值（K2）从脉冲期间的电子冷却的模型中确定。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第二校正单元（12）被构造为第二低通滤波单元（17），其时间常数等于电子冷却的时间常数。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述加法单元（15）被构造为，从所述加热电流的实际值（H_Ist）加上所述第二校正值（K2）。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的装置，其特征在于：

-第三校正单元（13），被构造为，在低通滤波之前对加热电流的实际值（H_Ist）以第三校正值（K3）进行改变且所述第三校正值（K3）从脉冲期间的阳极反加热的模型中确定。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述加法单元（15）被构造为，从所述加热电流的实际值（H_Ist）减去所述第三校正值（K3）。

17.带有根据权利要求9至16中任一项所述的装置的X射线发生器。