CN1175128A - 小型固态速调管电源 - Google Patents

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Abstract

一种用于对速调管及类似器件供电的高压脉冲发生电路,它包括具有正及负端子的DC电源,具有原边绕组及次边绕组的回扫变压器,原边绕组具有第一及第二端子用于与所述DC电源相连接;用于产生指示在所述原边绕组中流过电流的信号的传感器;以及固态开关电路,用于使DC电源与回扫变压器的原边绕组相连接,原边绕组响应控制信号与电源相连接,并当在原边绕组中检测出预定幅值电流时与电源相断开。

Description

小型固态速调管电源
本发明涉及电源，更具体地，涉及用于对线性加速器及类似设备供电的小型电源(compact pewer)。
辐射线放射装置是一般公知的并用于如治疗病人的辐射治疗装置。辐射治疗装置通常包括一台架，其能在治疗处理过程中绕一水平旋转轴旋转。一个线性加速器位于台架中，用于产生治疗用的高能辐射线束。该高能辐射线束可以是电子或光子(x射线)束。在治疗期间，辐射线束对准到处在台架旋转等角点(isocenter)中的病人身体的一个区域上。
在该装置中，通过对一靶(target)施加电子束产生x射线来形成辐射。该电子束通常是在由具有功率输出为10至30KW范围的速调管型电源供电的线性加速器中产生的。图1是表示主要部件及辅助系统的医疗线性加速器的框图。电源10设有对调制器12供电的D.C电源。调制器12包括脉冲形成网络及公知为氢闸流管的开关管。闸流管是设有热离子阴极的低压气体器件。随着时间，阴极将本身耗尽。因此，闸流管具有固有的耗损机构。来自调制器12的高压脉冲是宽度为几微秒的平顶D.C脉冲。这些脉冲被提供给磁控管或速调管14并同时供给电子枪16。在磁控管或速调管14中产生的脉冲微波经过波导系统22被射入加速管20。在适当时刻，由电子枪16产生的电子也被脉冲地射入到加速器20中。由加速器20以接近3mm直径的射束形式产生出高能电子。这些电子可作为直线束提供给治疗头24或作为弯曲线束提供给治疗头26。如果电子弯曲地到达治疗头26，电子则例如由弯转磁铁28在加速器20与靶之间被弯曲适当角度(如270度)。
用于线性加速器的现有技术电源是大而重的装置，它大大增加了医疗系统的价格及尺寸。一种典型的现有技术系统使用高压变压器/整流器系统，以便从传统三相208V电源来产生21KV DC电源。然后该高压DC电源被用来产生15KV的脉冲，它再经高压脉冲变压器被转换成所需的150KV脉冲。高压变压器/整流器组合体典型重量为500磅，及占有8立方英尺。其结果是，电源必须放置在与线性加速器隔开的房间内。除了增加用于放置加速系统所需的占地空间外，该附加的房间需要专用功率输电线以与输出到线性加速器的速调管相连接，这又增加了费用及系统复杂性。最后，系统的净重增加了运输的成本。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种改进的高压电源系统以对速调管及相似器件供电。本发明的另一目的在于与现有技术高压电源系统相比需要提供较小的空间的高压电源系统。本发明又一目的是提供比现有技术电源系统轻得多的高压电源系统。从以下对本发明及参照附图的详细说明，将会使本领域的熟练技术人员对本发明的这些及另外的目的更加清楚。
本发明是用于对速调管及其类似器件供电的高压脉冲发生电路。本发明的一个实施例用于辐射治疗装置。该高压脉冲发生电路包括直流(D.C)电源，回扫变压器，传感器及固态开关电路。D.C电源是有正、负端子。回扫变压器具有原边绕组及次边绕组。回扫变压器的原边绕组具有第一及第二端子，用于与D.C电源相连接。传感器产生指示原边绕组中电流幅值的信号。固态开关电路将D.C电源连接到回扫变压器的原边绕组。原边绕组，响应控制信号与电源连接，并当在原边绕组中检测出预定辐值的电流时与电源断开。
下面参照附图结合实施例详细描述本发明。
图1是表示主要部件及辅助系统的医疗线性加速器的框图；
图2是操作速调管以驱动线性加速器的一个典型现有技术的电源系统的框图；
图3是根据本发明的高压电源系统一个实施例的框图；
图4是根据本发明的功率开关的概要电路图；
图5是根据本发明的高压开关的概要电路图；
图6是优选实施例中脉冲形成网络的结构图。
参照图2将更易于理解本发明相对现有技术获得其优点的方式，图2是对速调管供电的一个典型电源系统50的电路框图。电源系统50将3相208伏交流电源变换为宽度约5μs的15KV，1200安培的脉冲。这些脉冲被脉冲变压器85升压到150KV，该变压器的输出将驱动速调管。通过由21KV DC电源供电的脉冲发生电路来产生15KV的脉冲。该21KV DC电源典型为高压变压器及整流器的组合体60。如上述所指出的，该DC电源通常占有8立方英尺及重约500磅。
高压脉冲发生电路通常由对脉冲形成网络76谐振地充电的电感72组成。最后供给速调管的脉冲幅值是通过对高压充电开关71闭合时间值的控制进行调节的。该系统测量流过电阻73的电流及脉冲形成网络76上的电压以确定开关打开的定时。图中省略了对脉冲形成网络的连接。控制器74利用电流及电压的测量来控制开关闭合持续时间。应当指出，因为仅是最后脉冲能量的一部分存储在电感72中，故利用图2中所示的电感设置能获得的最后脉冲幅值的调节范围是有限的。还将指出，使208V电源转换成21KV DC电源需要大量的、必须工作在高功率等级上的高压元件，它们需要高压绝缘及涉及安全问题。
图3是根据本发明的高压电源系统100的电路框图。本发明使用回扫变压器120对脉冲形成网络176供电。回扫变压器120由300V DC电源102供电。该电源电压比现有技术中用的21KV DC电源大为降低。固态开关110用来控制回扫变压器120的输出电压。控制器122传感流过回扫变压器120原边的电流，如以121所示。当电流达到所需幅值时，开关110打开，存储在回扫变压器120中的能量传送到脉冲形成网络176。当脉冲形成网络176被充电后，高压开关175合上，使脉冲形成网络176放电，由此将存储在脉冲形成网络176中的能量传送到脉冲变压器185的原边。脉冲形成网络176及脉冲变压器185的操作基本上与图2中所述对典型速调管供电的系统相同。
应当指出，回扫变压器120存储了以后被转变成速调管脉冲的100％的能量。因此，本发明对供给速调管的输出脉冲幅度提供更大的控制范围。通过本发明也简化了脉冲幅值的控制。脉冲幅值是通过响应在回扫变压器120的原边中传感的预定电流打开开关110来控制的。开关110仅在300V上工作，与图2中所示开关形成对照，后者必须工作在21KV上。因而，除了改善可靠性及安全性外还获得了成本的显著节约。
此外，因为回扫变压器120是由低压电源驱动的，就避免了与高压电源相关的问题。电源102需要约1/4立方英尺空间和仅重约5磅(减少800磅)。另外，低工作电压得到安全性及可靠性的增加。
图3中所示的基本回扫变压器设计已在小功率系统中使用了一段时间。但是，迄今为止实际还未有用于这种大功率输出的电源的实现。尤其是，实际上还没有过开关110的采用。现有技术中使用的真空四极管包含固有的耗损机构(阴极)，因而，固态设计更为理想。在本发明中，开关110由一对绝缘栅双极性晶体管(IGB Ts)来实现。
图4是根据本发明的功率开关200的概要电路图。功率开关200使用了两个以210及220表示的开关电路。每个开关电路包括一个IGBT 211及并联二极管212。开关电路210及220是可商购得到的。开关电路210及220将DC电源连接到回扫变压器120的原边。当开关电路210及220与回扫变压器120的原边断开时，在原边绕组上产生反相电位。短路二极管231及232分别防止该电位损坏开关电路210及220。短路二极管231及232将能量重新导入DC电源，在那里它存储在滤波电容器中。其结果是，功率被回收以用于下一脉冲。
在本发明的优选实施例中，高压开关175(见图3)是由高压可控半导体整流器(SCR)组(即多个SCRs串联)来实现的。在现有技术的系统中，类似的开关典型地是由气体闸流管来作的，它比本发明中使用的SCR组的可靠性差且成本高。根据本发明的高压开关的优选实施例在图5中以300表示。开关300由多个串联连接的SCR级构成。其中第一、第二及最后级分别以310，320及340表示。每级包括与一电阻及一电容相并联的SCR，该电阻及电容连接在SCR的阳极和阴极之间。例如，级310包括SCR 311，电容312及电阻313。各电容及各电阻也相串联连接，以形成分压网络。分压器保证了当SCRs不导通时将同样的电压施加在每个SCR上。在没有该分压器的情况下，在非导通状态下SCRs的阻抗不同可导致不同的电位分配，这是当SCR组不导通时在每个SCR上形成的。这可能导致其中一个SCR其电位差超过击穿电压。
该组元件是通过每级中的电感316耦合一信号而被触发的。这些电感是一脉冲变压器350的次级，信号被施加到脉冲变压器350的初级351。每级包括一个电阻及一个齐纳二极管，它们保证在每级中SCR的控制极和阴极之间的触发电压对各级是相同的。第一级中的电阻及齐纳二级管被分别以314和315表示。
在脉冲形成网络中，电感器的设计被改进了。尤其是，作成了当系统运行时其电感量是可调节的。图6是该优选实施例中脉冲形成网络的结构图。脉冲形成网络400包括电感器410-416。通常，在脉冲形成网络中，将一夹子放在电感器上，系统必须关断才能人工地改变电感量。电感量的改变用以细调节由脉冲形成网络提供的波形。系统一关断，通常是由重复地观察波形直至获得所需波形为止。专门培训的人员需用约1小时来细调节该波形。相反地，本发明使用了放置在电感器410-416中的铝棒(slug)420-426。当系统运行时每个铝棒420-426可移上、移下，以改变电感及细调波形。铝棒420-426可人工地或自动地移动。通过此改善的设计，细调节需要约3分钟。

Claims (17)

1.一种高压脉冲发生电路，包括：
D.C电源，它具有正及负端子；
回扫变压器，它具有原边绕组及次边绕组，所述原边绕组具有第一及第二端子，用于与所述D.C电源相连接。
用于产生信号的装置，该信号指示在所述原边绕组中流过的电流，所述信号指示所述电流的辐值；及
固态开关电路，用于响应控制信号使所述DC电源与所述回扫变压器的所述原边绕组相连接，并用于响应指示流过所述原边绕组的预定幅值电流的所述信号使所述DC电源与所述原边绕组断开。
2.根据权利要求1的高压脉冲发生电路，其中，所述固态开关电路包括第一及第二IGBTs，当所述第一IGBT处于导通状态时，所述第一IGBT使所述原边绕组的所述第一端子与所述DC电源的所述正端子相连接，及当所述第二IGBT处于导通状态时，所述第二IGBT使所述原边绕组的所述第二端子与所述DC电源的所述负端子相连接。
3.根据权利要求1的高压脉冲发生电路，其中，所述固态开关电路还包括使所述原边绕组的所述第一及第二端子与所述DC电源的所述正和负端子相连接的第一及第二二极管。
4.根据权利要求1的高压脉冲发生电路，其中，还包括：
脉冲形成网络，它连接到所述次边绕组的所述第一及第二端子；及
高压开关，它用于响应短路信号来短路所述脉冲形成网络。
5.根据权利要求4的高压脉冲发生电路，其中，所述高压开关包括多个SCR级，每个所述SCR级包括一个SCR、一个电阻及一个控制信号发生器，所述SCR具有阳极、阴极及控制极，在出现产生在所述控制极及所述阴极之间的电压的控制信号时所述SCR导通从所述阳极到所述阴极的电流，所述控制信号由所述控制信号发生器产生，所述电阻连接在阳极和阴极之间，所述级是这样地连接的，以使所述SCR相互串联。
6、根据权利要求5的高压脉冲发生电路，其中，在每个所述级中的所述控制信号发生器包括脉冲变压器的次边绕组，每个所述次边绕组耦合到共用的原边绕组。
7.根据权利要求1的高压脉冲发生电路，其中，所述DC电源大于250V及小于10KV。
8.根据权利要求1的高压脉冲发生电路，其中，所述用于产生指示原边绕组中所流过的电流的信号的装置是一个传感器。
9.根据权利要求1的高压脉冲发生电路，其中，还包括连接到所述次边绕组的所述第一及第二端子的脉冲形成网络，所述脉冲形成网络包括具有芯棒的电感器，所述芯棒能够改变所述脉冲形成网络的电感量。
10.一种辐射治疗装置中的高压脉冲发生电路，包括：
辐射源，它能产生具有可变辐射输出的辐射线束；
DC电源，它具有正及负端子；
回扫变压器，它具有原边绕组及次边绕组，所述原边绕组具有第一及第二端子，用于与所述DC电源相连接；
用于产生信号的装置，该信号指示在所述原边绕组中流过的电流，所述信号指示所述电流的辐值；
其中所述DC电源、所述回扫变压器及所述用于产生信号的装置用来对所述辐射源供电，以使所述辐射线束被产生出来。
11.根据权利要求10的一种辐射治疗装置中的高压脉冲发生电路，其中，还包括固态开关电路，用于响应控制信号使所述DC电源与所述回扫变压器的所述原边绕组相连接，并用于响应指示流过原边绕组的预定幅值电流的所述信号使所述DC电源与所述原边绕组断开。
12.根据权利要求11的一种辐射治疗装置中的高压脉冲发生电路，其中，所述固态开关电路包括第一及第二IGBTs，当所述第一IGBT处于导通状态时，所述第一IGBT使所述原边绕组的所述第一端子与所述DC电源的所述正端子相连接，及当所述第二IGBT处于导通状态时，所述第二IGBT使所述原边绕组的所述第二端子与所述DC电源的所述负端子相连接。
13.根据权利要求11的一种辐射治疗装置中的高压脉冲发生电路，其中，所述固态开关电路还包括使所述原边绕组的所述第一及第二端子与所述DC电源的所述正和负端子相连接的第一及第二二极管。
14.根据权利要求10的一种辐射治疗装置中的高压脉冲发生电路，其中，还包括：
脉冲形成网络，它与所述次边绕组的所述第一及第二端子相连接；及
高压开关，它用于响应短路信号来短路所述脉冲形成网络。
15.根据权利要求14的一种辐射治疗装置中的高压脉冲发生电路，其中，所述高压开关包括多个SCR级，每个所述SCR级包括一个SCR、一个电阻及一个控制信号发生器，所述SCR具有阳极、阴极和控制极，在出现产生在所述控制极及所述阴极之间的电压的控制信号时所述SCR导通从所述阳极到所述阴极的电流，所述控制信号由所述控制信号发生器产生，所述电阻连接在阳极和阴极之间，所述级是这样地连接的，以使得所述SCR相互串联。
16.根据权利要求15的一种辐射治疗装置中的高压脉冲发生电路，其中，所述每级中的所述控制信号发生器包括脉冲变压器的次级绕组，每个所述次边绕组耦合到一个共用原边绕组。
17.根据权利要求10的一种辐射治疗装置中的高压脉冲发生电路，其中，所述次边绕组的所述第一及第二端子与脉冲形成网络相连接，所述脉冲形成网络包括具有芯棒的电感器，所述芯棒能够改变所述脉冲形成网络的电感量。
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