CN104378897B - 一种具有管电流控制的x射线发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有管电流控制的X射线发生装置，包括X射线发生器、高压电路、灯丝供电逆变模块、管电流自身反馈控制模块和灯丝电流控制模块，灯丝电流控制模块的信号输入端与灯丝变压器的原边电连接，灯丝电流控制模块的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路的控制输入端电连接。由于在原有管电流自身反馈控制的基础上，增加了灯丝电流控制模块，同时实现管电流自身反馈控制和灯丝加热电流反馈控制，灯丝加热电流的反馈控制是对灯丝加热电流的大小进行调节，控制灯丝加热电流，就直接控制了电子逸出速度，所以灯丝加热电流的反馈控制对管电流控制的动态响应更快，二者结合共同控制，对管电流控制的动态响应时间更短，控制精度更高。

Description

一种具有管电流控制的X射线发生装置

技术领域

本发明涉及一种X射线发生装置，尤其涉及一种具有管电流控制的X射线发生装置。

背景技术

衡量X射线发生器性能的优劣主要有三个重要的物理量，它们分别是：管电压、管电流和曝光时间。

理想的管电压在曝光时应该上升时间小、纹波电压趋向为零。而管电压的大小决定了X射线的质。管电流的大小决定X射线的量；曝光时间、管电压和管电流三者共同决定放射剂量的大小。产生X射线必备三个条件：①阴极灯丝加热产生电子，这些电子在灯丝周围形成空间电荷，即电子云；②在高千伏（KV）所产生的电场和真空条件下产生高速电子流；③阻止高速电子的金属靶标。

从技术角度看，实现管电流的精密控制有一定的难度，主要受到阴极灯丝加热在其周围形成的空间电荷效应的影响。

目前常用的管电流控制方法为管电流自身反馈控制，该控制方法对普通小容量X射线管而言，基本可以满足使用要求，可以使管电流基本保持稳定，但管电压改变时，管电流变化范围大。因此，该控制方法存在控制精度低、动态响应时间长的缺点。管电压发生变化时，管电流变化明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有管电流控制的X射线发生装置，这种具有管电流控制的X射线发生装置对管电流控制的动态响应时间更短，控制精度更高。采用的技术方案如下：

一种具有管电流控制的X射线发生装置，包括X射线发生器、高压电路、灯丝供电逆变模块和管电流自身反馈控制模块，灯丝供电逆变模块包括依次电连接的灯丝逆变脉宽控制集成电路、四路驱动脉冲变压器、灯丝全桥逆变电路和灯丝变压器，高压电路的两端与X射线发生器电连接，灯丝变压器与X射线发生器电连接，管电流自身反馈控制模块的信号输入端电连接在X射线发生器与高压电路之间，管电流自身反馈控制模块的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路的控制输入端电连接，其特征是：还包括灯丝电流控制模块，灯丝电流控制模块的信号输入端与灯丝变压器的原边电连接，灯丝电流控制模块的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路的控制输入端电连接。

上述高压电路为X射线发生器提供千伏电压，加载在X射线发生器的阳极和阴极上，形成电子加速的高压电场，属于现有技术，这里不再详述。

上述灯丝供电逆变模块，一般包括依次电连接的灯丝逆变脉宽控制集成电路、四路驱动脉冲变压器、灯丝全桥逆变电路和灯丝变压器，为X射线发生器阴极灯丝加热提供电流，灯丝温度升高，电子获得的能量等于或大于该电子的逸出功时，便脱离轨道形成自由电子，灯丝温度越高，电子逸出数量越多，灯丝供电逆变模块属于现有技术，在这里不再详述。

上述管电流自身反馈控制模块对X射线发生器的管电流进行采样，采样后的电压信号送入灯丝逆变脉宽控制集成电路内部误差放大器的反相端，与差放大器的同相端上代表管电流大小的管电流预设值（一般是一个预设的电压信号）进行比较，若采样的管电流偏小，则误差放大器的输出值减小，灯丝逆变脉宽控制集成电路输出方波的占空比变大，这样灯丝供电逆变模块的输出功率增加，灯丝温度升高，使管电流增加；若采样的管电流偏大，则灯丝逆变脉宽控制集成电路输出脉宽减小，灯丝供电逆变模块的输出功率减小，使管电流减小。管电流自身反馈控制模块属于现有比较成熟的技术，有多种实现方式。

本发明的X射线发生装置，在原有管电流自身反馈控制的基础上，增加了灯丝电流控制模块，灯丝电流控制模块采样灯丝变压器原边电流信号，转换为代表灯丝电流大小的灯丝电流电压信号，再与预设的灯丝电流电压信号的正常值、最大值、最小值进行比较，根据比较结果来控制灯丝逆变脉宽控制集成电路的脉宽和通断，从而达到控制灯丝加热电流的目的。由于在原有管电流自身反馈控制的基础上，增加了灯丝电流控制模块，同时实现管电流自身反馈控制和灯丝加热电流反馈控制，灯丝加热电流的反馈控制是对灯丝加热电流的大小进行调节，由管电流产生的过程可知，灯丝加热电流加热阴极灯丝，灯丝温度升高使电子克服势垒从阴极脱出，灯丝温度越高电子越容易逸出，灯丝加热电流与灯丝温度直接相关，所以控制灯丝加热电流，也就直接控制了电子逸出速度，所以灯丝加热电流的反馈控制对管电流控制的动态响应更快，管电流自身反馈控制和灯丝加热电流反馈控制二者结合，共同控制，对管电流控制的动态响应时间更短，控制精度更高。

作为本发明的优选方案，还包括空间电荷补偿模块，空间电荷补偿模块的信号输入端与所述灯丝电流控制模块的信号输出端电连接，空间电荷补偿模块的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路的控制输入端电连接。空间电荷效应补偿的原理是：X射线发生器两端的管电压发生时改变时， X射线发生器阳极收集电子的能力发生改变，因为加热灯丝周围存在大量自由电子，在X射线发生器电场发生改变时，管电流会随着电子加速电场的变化而发生变化，这就是空间电荷效应，而空间电荷效应补偿是在管电流随管电压的变化出现波动时，通过迅速调整灯丝供电逆变模块的逆变脉宽来补偿管电流的出现的波动。空间电荷补偿模块接收来自管电流自身反馈控制模块的管电压和来自灯丝电流控制模块中正常管电压预设值，然后两者在空间电荷补偿模块中进行比较，然后通过控制灯丝逆变脉宽控制集成电路的输出死区时间，对管电流在管电压出现变动时进行相应补偿，从而实现管电压大范围改变时空间电荷的非线性补偿。具体补偿方法如下：当管电压大于正常管电压预设值时，通过调节灯丝逆变脉宽控制集成电路的电阻值（例如，灯丝逆变脉宽控制集成电路采用SG2525芯片，则调节SG2525芯片上Dischange的引脚来调节电阻值），来增大灯丝逆变脉宽控制集成电路输出死区时间，从而使灯丝供电逆变模块的输出功率降低，灯丝温度下降，使管电流减小；反之，当管电压小于正常管电压预设值时，通过调节灯丝逆变脉宽控制集成电路的电阻值，来减小灯丝逆变脉宽控制集成电路输出死区时间，增大灯丝供电逆变模块的输出功率，使管电流增加。

作为本发明进一步的优选方案，所述灯丝电流控制模块包括灯丝变压器原边电流取样电路、电流变换器、半波整流器、第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路，第一控制支路包括依次电连接的跟随运算放大器和模拟开关，第二控制支路包括依次电连接的第一比较运算放大器，第三控制支路包括依次电连接的第二比较运算放大器和单片机；灯丝变压器原边电流取样电路、电流变换器、半波整流器依次电连接，灯丝变压器原边电流取样电路的输入端与所述灯丝变压器的原边电连接；跟随运算放大器、第一比较运算放大器、第二比较运算放大器的输入端分别与半波整流器的输出端电连接，模拟开关、单片机、第一比较运算放大器的输出端分别与灯丝逆变脉宽控制集成电路相应的控制输入端电连接；单片机的一信号输出端与模拟开关的控制输入端电连接。上述灯丝变压器原边电流取样电路对灯丝变压器的原边进行电流取样，然后将原边电流取样信号传送给电流变换器。上述电流变换器接收灯丝变压器原边电流取样电路输送过来的原边电流取样信号转换为相应比例的电流信号，然后输送给半波整流器。上述半波整流器将电流变换器输送过来的缩小比例的电流信号转换成相应的电压信号传送给跟随运算放大器和模拟开关。上述跟随运算放大器和模拟开关将半波整流器输送过来的电压信号等比例的传送给灯丝逆变脉宽控制集成电路。上述第一比较运算放大器将跟随运算放大器输送过来的电压信号与灯丝变压器原边最大电流的基准电压进行比较，比较运算放大器输出信号传送给灯丝逆变脉宽控制集成电路。上述第二比较运算放大器将跟随运算放大器输送过来的电压信号与灯丝变压器原边最小电流的基准电压进行比较，比较运算放大器输出信号传送给单片机和灯丝逆变脉宽控制集成电路。上述单片机将第二运算放大器输送过来的信号进行判断后，控制灯丝逆变脉宽控制集成电路和模拟开关的开通或关断。同时为空间电荷补偿模块发出使能信号。灯丝加热电流控制原理是：灯丝变压器原边电流取样电路采用立式穿芯微型精密电流变换器对灯丝变压器的原边进行电流采样，电流变化器把电流信号转换为代表灯丝电流大小的电压信号，经半波整流器整流后得到需要的灯丝电流电压信号。灯丝电流电压信号分成三路：第一路灯丝电流电压信号经过跟随运算放大器进行信号放大，然后进入模拟开关，最后进入灯丝逆变脉宽控制集成电路内部误差放大器的反相端，与预设的灯丝电流电压信号的正常值进行比较，根据比较的结果来适当调整灯丝逆变脉宽的大小；第二路灯丝电流电压信号进入第一比较运算放大器与预设的灯丝电流电压信号的最大值进行比较，如果灯丝电流电压信号大于灯丝电流电压信号的最大值，则灯丝逆变脉宽控制集成电路的脉冲输出强制关断，灯丝逆变电流减小；第二路灯丝电流电压信号经第二比较运算放大器与预设的灯丝电流电压信号的最小值进行比较，第二比较运算放大器输出信号输入单片机，以此判断灯丝逆变脉宽控制集成电路是否开通或关断，同时单片机对其他采样信号进行判断来确定模拟开关的通断，以及向空间电荷补偿模块发出使能信号，以控制电荷补偿电路的开通或关断，从而实现对管电流大小的精度控制。

作为本发明进一步的优选方案，所述空间电荷补偿模块包括逻辑集成芯片和阻值调节电路，逻辑集成芯片的输入端与所述单片机的一信号输出端电连接，逻辑集成芯片的输出端与阻值调节电路的控制输入端电连接，阻值调节电路的输出端与所述灯丝逆变脉宽控制集成电路的相应控制输入端电连接。逻辑集成芯片为CD40107，包含两路与非门逻辑电路，最大电源电压为20V，最大输出驱动电压15V，最大输出驱动电流为68mA。通过单片机对两路与非门的输入端控制，来开通或关断阻值调节电路中的两处MOS管的通断。阻值调节电路为多个电阻通过串并联组合和电阻与MOS管串联后，通过MOS管的开通和关断，形成的总电阻值可调的电路。阻值调节电路使灯丝逆变驱动控制芯片的驱动脉冲的死区随着阻值的变化而变化，从而实现对灯丝逆变驱动脉冲的宽度进行调节，已达到X射线管内空间电荷发生波动时对管电流的调整。

作为本发明进一步的优选方案，所述管电流自身反馈模块包括管电流取样电路、钳位电路和跟随器，管电流取样电路、钳位电路、跟随器依次电连接，管电流取样电路的输入端电连接在所述X射线发生器与高压电路之间，跟随器的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路的控制输入端电连接。管电流取样电路对X射线发生器的管电流进行采样，采样后的电压信号由钳位电路钳制在5V的电位上，然后通过跟随器送入灯丝逆变脉宽控制集成电路的控制输入端。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

由于在原有管电流自身反馈控制的基础上，增加了灯丝电流控制模块，同时实现管电流自身反馈控制和灯丝加热电流反馈控制，灯丝加热电流的反馈控制是对灯丝加热电流的大小进行调节，由管电流产生的过程可知，灯丝加热电流加热阴极灯丝，灯丝温度升高使电子克服势垒从阴极脱出，灯丝温度越高电子越容易逸出，灯丝加热电流与灯丝温度直接相关，所以控制灯丝加热电流，也就直接控制了电子逸出速度，所以灯丝加热电流的反馈控制对管电流控制的动态响应更快，管电流自身反馈控制和灯丝加热电流反馈控制二者结合，共同控制，对管电流控制的动态响应时间更短，控制精度更高。

附图说明

图1是本发明优选实施方式的电路方框原理图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。

如图1所示，这种具有管电流控制的X射线发生装置，包括X射线发生器1、高压电路2、灯丝供电逆变模块3、管电流自身反馈控制模块4、灯丝电流控制模块5和空间电荷补偿模块6；灯丝供电逆变模块3包括依次电连接的灯丝逆变脉宽控制集成电路301、四路驱动脉冲变压器302、灯丝全桥逆变电路303和灯丝变压器304；高压电路2的两端与X射线发生器1电连接；灯丝变压器304与X射线发生器1电连接；管电流自身反馈控制模块4的信号输入端电连接在X射线发生器1与高压电路2之间，管电流自身反馈控制模块4的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路301的控制输入端电连接；灯丝电流控制模块5的信号输入端与灯丝变压器304的原边电连接，灯丝电流控制模块5的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路301的控制输入端电连接；空间电荷补偿模块6的信号输入端与灯丝电流控制模块5的信号输出端电连接，空间电荷补偿模块6的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路301的控制输入端电连接。

灯丝电流控制模块5包括灯丝变压器原边电流取样电路501、电流变换器502、半波整流器503、第一控制支路504、第二控制支路505和第三控制支路506，第一控制支路504包括依次电连接的跟随运算放大器5041和模拟开关5042，第二控制支路505包括第一比较运算放大器5051，第三控制支路506包括依次电连接的第二比较运算放大器5061和单片机5062；灯丝变压器原边电流取样电路501、电流变换器502、半波整流器503依次电连接，灯丝变压器原边电流取样电路501的输入端与灯丝变压器304的原边电连接；跟随运算放大器5041、第一比较运算放大器5051、第二比较运算放大器5061的输入端分别与半波整流器503的输出端电连接，模拟开关5042、单片机5062、第一比较运算放大器5051的输出端分别与灯丝逆变脉宽控制集成电路301相应的控制输入端电连接；单片机5062的一信号输出端与模拟开关5042的控制输入端电连接。

空间电荷补偿模块6包括逻辑集成芯片601和阻值调节电路602，逻辑集成芯片601的输入端与单片机5062的一信号输出端电连接，逻辑集成芯片601的输出端与阻值调节电路602的控制输入端电连接，阻值调节电路602的输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路301的相应控制输入端电连接。

管电流自身反馈模块4包括管电流取样电路401、钳位电路402和跟随器403，管电流取样电路401、钳位电路402、跟随器403依次电连接，管电流取样电路401的输入端电连接在X射线发生器1与高压电路2之间，跟随器403的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路301的控制输入端电连接。

本发明的X射线发生装置，在原有管电流自身反馈控制的基础上，增加了灯丝电流控制模块5，灯丝电流控制模块5采样灯丝变压器304原边电流信号，转换为代表灯丝电流大小的灯丝电流电压信号，再与预设的灯丝电流电压信号的正常值、最大值、最小值进行比较，根据比较结果来控制灯丝逆变脉宽控制集成电路301的脉宽和通断，从而达到控制灯丝加热电流的目的。由于在原有管电流自身反馈控制的基础上，增加了灯丝电流控制模块5，同时实现管电流自身反馈控制和灯丝加热电流反馈控制，灯丝加热电流的反馈控制是对灯丝加热电流的大小进行调节，由管电流产生的过程可知，灯丝加热电流加热阴极灯丝，灯丝温度升高使电子克服势垒从阴极脱出，灯丝温度越高电子越容易逸出，灯丝加热电流与灯丝温度直接相关，所以控制灯丝加热电流，也就直接控制了电子逸出速度，所以灯丝加热电流的反馈控制对管电流控制的动态响应更快，管电流自身反馈控制和灯丝加热电流反馈控制二者结合，共同控制，对管电流控制的动态响应时间更短，控制精度更高。

空间电荷效应补偿的原理是：X射线发生器1两端的管电压发生时改变时， X射线发生器1阳极收集电子的能力发生改变，因为加热灯丝周围存在大量自由电子，在X射线发生器1电场发生改变时，管电流会随着电子加速电场的变化而发生变化，这就是空间电荷效应，而空间电荷效应补偿是在管电流随管电压的变化出现波动时，通过迅速调整灯丝供电逆变模块的逆变脉宽来补偿管电流的出现的波动。空间电荷补偿模块6接收来自管电流自身反馈控制模块4的管电压和来自灯丝电流控制模块5中正常管电压预设值，然后两者在空间电荷补偿模块中进行比较，然后通过控制灯丝逆变脉宽控制集成电路301的输出死区时间，对管电流在管电压出现变动时进行相应补偿，从而实现管电压大范围改变时空间电荷的非线性补偿。具体补偿方法如下：当管电压大于正常管电压预设值时，通过调节灯丝逆变脉宽控制集成电路301的电阻值（例如，灯丝逆变脉宽控制集成电路采用SG2525芯片，则调节SG2525芯片上Dischange的引脚来调节电阻值），来增大灯丝逆变脉宽控制集成电路301输出死区时间，从而使灯丝供电逆变模块3的输出功率降低，灯丝温度下降，使管电流减小；反之，当管电压小于正常管电压预设值时，通过调节灯丝逆变脉宽控制集成电路301的电阻值，来减小灯丝逆变脉宽控制集成电路301输出死区时间，增大灯丝供电逆变模块3的输出功率，使管电流增加。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有管电流控制的X射线发生装置，包括X射线发生器、高压电路、灯丝供电逆变模块和管电流自身反馈控制模块，灯丝供电逆变模块包括依次电连接的灯丝逆变脉宽控制集成电路、四路驱动脉冲变压器、灯丝全桥逆变电路和灯丝变压器，高压电路的两端与X射线发生器电连接，灯丝变压器与X射线发生器电连接，管电流自身反馈控制模块的信号输入端电连接在X射线发生器与高压电路之间，管电流自身反馈控制模块的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路的控制输入端电连接，其特征是：还包括灯丝电流控制模块，灯丝电流控制模块包括灯丝变压器原边电流取样电路、电流变换器、半波整流器、第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路，第一控制支路包括依次电连接的跟随运算放大器和模拟开关，第二控制支路包括第一比较运算放大器，第三控制支路包括依次电连接的第二比较运算放大器和单片机；灯丝变压器原边电流取样电路、电流变换器、半波整流器依次电连接，灯丝变压器原边电流取样电路的输入端与所述灯丝变压器的原边电连接；跟随运算放大器、第一比较运算放大器、第二比较运算放大器的输入端分别与半波整流器的输出端电连接，模拟开关、单片机、第一比较运算放大器的输出端分别与灯丝逆变脉宽控制集成电路相应的控制输入端电连接；单片机的一信号输出端与模拟开关的控制输入端电连接。

2.如权利要求1所述的具有管电流控制的X射线发生装置，其特征是：还包括空间电荷补偿模块，空间电荷补偿模块的信号输入端与所述灯丝电流控制模块的信号输出端电连接，空间电荷补偿模块的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路的控制输入端电连接；所述管电流自身反馈控制模块包括管电流取样电路、钳位电路和跟随器，管电流取样电路、钳位电路、跟随器依次电连接，管电流取样电路的输入端电连接在所述X射线发生器与高压电路之间，跟随器的信号输出端与灯丝逆变脉宽控制集成电路的控制输入端电连接。

3.如权利要求2所述的具有管电流控制的X射线发生装置，其特征是：所述空间电荷补偿模块包括逻辑集成芯片和阻值调节电路，逻辑集成芯片的输入端与所述单片机的一信号输出端电连接，逻辑集成芯片的输出端与阻值调节电路的控制输入端电连接，阻值调节电路的输出端与所述灯丝逆变脉宽控制集成电路的相应控制输入端电连接。