CN201854495U - 一种x射线管的电流控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种X射线管的电流控制装置，通过模拟选择开关选通灯丝电流采样单元或管电流采样单元，并反馈给增益控制单元，从而构成两个闭环增益控制回路，对这两个闭环增益控制回路进行分时控制，即分时对灯丝电流和管电流进行增益控制。这样对X射线管的电流进行多环分时控制，既能将灯丝电流快速提高到接近曝光时所需要的电流，又在正常工作后能获得更准确的管电流，使X射线管实用方便，稳定性好。

Description

一种X射线管的电流控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种X射线管的控制装置，尤其涉及一种X射线管的电流控制装置。

背景技术

如图1所示，X射线管包括阴极灯丝01、阳极02和真空管03，通电后阴极灯丝01发热产生热电子，阴极灯丝01用钨丝制成，阳极02(俗称靶极)用高熔点金属制成(一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料)，用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击阳极02(靶极)，X射线04从阳极02(靶极)发出。其中给阴极灯丝01加热的电流称为灯丝电流，被高压加速而形成的电子束称为X射线管电流。

对于X射线管的电流控制，目前有两种技术：

现有技术A：如图2所示，通过系统控制单元05输出控制电压信号给脉宽调制器06，脉宽调制器06对控制电压信号进行限幅、消噪等处理，然后输出稳定的控制电压信号给灯丝逆变器07，产生灯丝变压器08的初级电流，灯丝变压器08的次级电流驱动X射线管09，同时再串入一个电流互感器010间接测量灯丝变压器08初级电流，进行反馈取样，并输出给脉宽调制器06，脉宽调制器06将反馈取样电压与系统控制单元05输出的控制电压信号进行比较，并调整输出电压信号的大小，形成一个增益控制小闭环，从而使灯丝变压器08次级输出给X射线管09的灯丝一个受控的相对稳定的灯丝电流。每次匹配不同高压或者不同球管(包括同一厂家同一型号的球管)时，系统控制单元需要通过查找不同球管的灯丝电流-管电流-管电压三者之间的对应关系表(球管厂家提供的表格本身就都存在很大的误差范围)，然后对灯丝电流的值进行校准后输出相对准确的管电流。在不同管电压的情况下，球管的灯丝电流-管电流之间的对应关系表都不同。而且在同一管电压的情况下，在给钨丝加热的开始一段时间内，同样的球管的灯丝电流也对应不同的管电流。这就是现有传统技术会有X射线管电流精度低，稳定性差的原因。还有，由于X射线管存在一般电子管的特性，很容易受到温度、寿命等因数影响，而现有技术在控制X射线管电流时只是对影响它的因素之一的灯丝电流进行反馈控制，导致输出的管电流精度差，稳定性差，并且使用不便，只要系统中和它有关系的高压发生器、球管、高压电缆中有任意部件出现变动则会导致管电流的精度更差甚至达不到相关标准的要求(20％以内)，需要专业技术人员到设备使用现场使用专用仪器花费很长时间进行校准或者更换相关部件。

现有技术B：在一份申请号为90101239.4，公开号为CN1048780A的中国发明专利文献中，公开了发明名称为《用恒定闭环增益的X射线管电流控制》的管电流增益控制技术。该方案中，用恒定增益闭环对X射线管的电流进行控制，管电流反馈信号用来控制X射线管灯丝电流，通过插入一个于管电流命令倒数成比例的信号，在管电流的宽范围内使反馈环路的增益保持基本不变。技术核心点是通过闭环和各种算法实现一个恒定增益。该技术使用大量的运算电路如加法器，乘法器，放大器及其相关外围电路，基本实现了管电流闭环的功能。但相对现有技术A，引进了大量的模拟电路，因而也降低了电路的不稳定性，增加了故障率；相对于现有的数字化处理器，模拟运算电路的运算精度非常低。结果导致管电流精度也不高；电路板集成度低，故障率高，可靠性低；实现成本太高。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种X射线管的电流控制装置，这种X射线管的电流控制装置，使X射线管使用方便，电流精度高，稳定性好。采用的技术方案如下：

一种X射线管的电流控制装置包括由系统控制单元、数模转换器、电平调整单元、灯丝逆变器和灯丝变压器依序串接而成的驱动电路以及电流增益控制支路，电流增益控制支路包括增益控制单元和对灯丝变压器或X射线管进行电流采样的反馈支路，增益控制单元串联在数模转换器与电平调整单元之间，反馈支路的输出端与增益控制单元的控制输入端连接，其特征是：所述反馈支路包括模拟选择开关、灯丝电流采样单元和管电流采样单元；灯丝电流采样单元和管电流采样单元的输出端分别与模拟选择开关的两个输入端连接，模拟选择开关的输出端与增益控制单元的控制输入端连接，模拟选择开关的控制输入端与系统控制单元的相应输出端连接。

在一另种方案中，反馈支路可以仅包括灯丝电流采样单元和管电流采样单元，灯丝电流采样单元和管电流采样单元的输出端分别模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与系统控制单元的相应输入端连接，反馈回来的电压信号在系统控制单元进行比较，并选择其中一路作为反馈信号，输出给增益控制单元。这种情况下，增益控制单元可以采用一个数控衰减器。

系统控制单元通常包括一个可编程的微处理器，接收外部输入的预备控制信号和开始曝光控制信号，输出相应的代表电流大小的电压值给数模转换器，并输出选择信号给模拟选择开关；数模转换器接收来自系统控制单元的电压值，转换成相应的电压信号，并输出给增益控制单元；增益控制单元接收来自数模转换器的电压信号和来自模拟选择开关的反馈信号，根据反馈信号的大小对来自数模转换器的电压信号进行相应幅度的调整，并输出增益调整后的电压信号给电平调整单元；电平调整单元接收电压信号，对来自增益控制单元的电压信号进行限幅、消噪等处理后，输出稳定的电压信号给灯丝逆变器；灯丝逆变器接收来自电平调整单元的电压信号，产生灯丝变压器的初级电流，并输出给灯丝变压器；灯丝变压器接收来自灯丝逆变器的初级电流，产生驱动X射线管的次级电流，并输出给X射线管；灯丝电流采样单元对灯丝变压器的初级电流进行采样，以直流的方式保持电压值不变，并输出代表灯丝电流大小的灯丝电流电压信号给模拟选择开关；管电流采样单元对X射线管的管电流进行采样，以直流的方式保持电压值不变，并输出代表管电流大小的管电流电压信号给模拟选择开关；模拟选择开关接收来自灯丝电流采样单元的灯丝电流电压信号、来自管电流采样单元的管电流电压信号和来自系统控制单元的选择信号，在两个电压信号中选择其中之一作为反馈信号，并输出给增益控制单元。

系统控制单元中设有多个电流和电压值的对应关系表，每个对应关系表分别对应一种X射线管的规格，每个对应关系表包括(待机灯丝电流、待机电压值)，(预备灯丝电流、预备电压值)，(开始曝光灯丝电流、开始曝光电压值)和(曝光后管电流、曝光后电压值)四组数值，其中待机灯丝电流、预备灯丝电流和开始曝光灯丝电流及相应的电压值为厂家提供，而曝光后管电压按公式U＝k×mA设置，其中A为曝光后管电流(该电流为在实际应用中，反复试验得出的最佳电流)，k＝R×256/5000，R为串在管电流回路上的电阻。

在模拟选择开关的选择下，选择灯丝电流电压信号或管电流电压信号作为反馈电压信号，从而构成两个闭环增益回路，分别为灯丝电流闭环增益回路和管电流闭环增益回路；灯丝电流闭环增益回路包括增益调整单元、电平调整单元、灯丝逆变器、灯丝变压器、灯丝电流采样单元和模拟选择开关；管电流闭环增益回路包括增益调整单元、电平调整单元、灯丝逆变器、灯丝变压器、管电流采样单元和模拟选择开关；增益调整单元将反馈电压信号与基准电压信号进行比较，如果反馈电压信号大于输入的基准电压信号，则增益调整单元输出一个相对较小的电压信号，如果反馈电压信号小于输入的基准电压信号，则增益调整单元输出一个相对较大的电压信号，这样反复调整，使反馈电压信号与输入的基准电压信号基本一致，并稳定。

X射线管的工作状态可以分为四个阶段：待机阶段、预备阶段、开始曝光阶段和曝光后阶段。在待机阶段、预备阶段和开始曝光阶段，X射线管只有灯丝电流，通过灯丝电流闭环增益回路的增益控制，并在系统控制单元输出的相应电压值的作用下，将灯丝电流稳定在预先设定的基准值(即厂家所提供的待机灯丝电流、预备灯丝电流和开始曝光灯丝电流)，对灯丝进行预热，并把灯丝的温度提高到曝光时所需要的温度，此时的灯丝电流也接近曝光所需的电流；在曝光后阶段，X射线管产生了管电流，通过模拟选择开关，切换为管电流闭环增益回路的增益控制，并在系统控制单元输出的相应电压值的作用下，将管电流稳定在预先设定的基准值(即曝光后管电流)；这样通过灯丝电流闭环增益回路和管电流闭环增益回路两个闭环增益回路的切换，分别对灯丝电流和管电流进行增益控制，对各个阶段的电流增益控制具有针对性，从而达到X射线管的电流精度高、稳定性好的目的，并且省去多次反复调试的操作过程，使用更加方便。

为了达到简化电路结构的目的，作为本实用新型的优选方案，所述增益控制单元包括减法器和衰减器；减法器的信号输入端与数模转换器连接；减法器的控制输入端与模拟选择开关的输出端连接；减法器的信号输出端与衰减器的控制输入端连接；衰减器的信号输入端与数模转换器连接；衰减器的信号输出端与电平调整单元的信号输入端连接。减法器对来自数模转换器的电压信号和来自模拟选择开关的反馈信号进行比较，相减后，产生一个代表衰减量大小的衰减电压信号；衰减器根据衰减电压信号，调整对自数模转换器的电压信号的衰减幅度，从而增加或减少输出的电压信号。上述方案中，衰减器一般采用模拟衰减器；在另一种方案中，衰减器也可以采用数控衰减器，采用数控衰减器时，在减法器的输出端连接上一个模数转换器，再输出给数控衰减器。

为达到更加精确控制电流的目的，作为本实用新型进一步的优选方案，所述系统控制单元，在待机时，输出待机电压值给数模转换器；在收到预备控制信号时，输出预备电压值给数模转换器；在收到开始曝光控制信号时，输出开始曝光电压值给数模转换器；在开始曝光控制信号输入后经0.1-1ms的延迟，输出曝光后电压值给数模转换器，同时输出选择信号给模拟选择开关。灯丝电流闭环增益回路在系统控制单元分时输出不同的电压控制信号时，又分为三个相应的闭环控制，分别为待机灯丝电流闭环控制、预备灯丝闭环控制和开始曝光灯丝电流闭环控制。待机阶段(待机时)，实行待机灯丝电流闭环控制，系统控制单元根据不同球管的灯丝特性，查找相应的对应关系表，输出一个待机电压值，该待机电压值代表灯丝的启动电流大小，通过数模转换器转换为相应的电压，并输出给增益控制单元，经过电平调整单元进行电平调整，输出给灯丝逆变器，灯丝逆变器产生灯丝变压器的初级电流，再经灯丝变压器变压后输出一个预定的稳定的待机预热灯丝电流，对灯丝进行预热，同时灯丝变压器的初级电流通过灯丝电流采样单元反馈灯丝电流电压信号经模拟选择开关给增益控制单元，构成灯丝电流闭环增益回路，实现该阶段的实时闭环控制。预备阶段(收到预备控制信号时)和开始曝光阶段(收到开始曝光控制信号时)，分别为预备灯丝闭环控制和开始曝光灯丝电流闭环控制，对灯丝电流的闭环增益控制与待机状态下相同，其区别是：在预备阶段，系统控制单元收到预备控制信号，输出预备电压值，在开始曝光阶段，系统控制单元收到开始曝光控制信号，输出开始曝光电压值。开始曝光后，经0.1-1ms延迟(进入曝光后阶段)，系统控制单元切换为输出曝光后电压值，同时输出选择信号给模拟选择开关，切断灯丝电流采样单元与增益控制单元的连接，同时接通管电流采样单元与增益控制单元，增益控制单元、电平调整单元、灯丝逆变器、灯丝变压器、管电流采样单元和模拟选择开关构成管电流闭环增益回路，使管电流稳定。根据X射线管工作状态，将X射线管的电流控制按时间顺序划分为相应的四个阶段，每个阶段分别采用闭环增益控制，实现分时多环的闭环增益控制，使得开始曝光后，管电流便在0.1-1ms内迅速稳定在设定的管电流上，既达到精确控制的目的，又相当稳定。

为达到自动提示出错的目的，作为本实用新型进一步的优选方案，所述系统控制单元还包括报错处理模块，灯丝电流采样单元和管电流采样单元的输出端与系统控制单元的相应输入端连接。报错处理模块设有模数转换器，将灯丝电流电压信号和管电流电压信号转换为数值，同时检测系统控制单元相应的电压值，并进行比较，如果超出允许的误差范围，就输出报错信号给外接的报错装置进行报错，并使X射线管停止工作。

本实用新型的X射线管电流的控制装置，通过灯丝电流闭环增益回路和管电流闭环增益回路两个闭环增益回路的切换，分别对灯丝电流和管电流进行分时增益控制。在待机阶段、预备阶段和开始曝光阶段，X射线管中只有灯丝电流，对灯丝电流进行灯丝电流闭环增益控制，使灯丝电流快速并准确地接近曝光所需的电流；在曝光后阶段，对管电流进行管电流闭环增益控制，获得高精度的管电流；从而达到X射线管的电流精度高、稳定性好的目的，并且省去多次反复调试的操作过程，使用更加方便。

附图说明

图1是X射线管的结构示意图

图2是一种现有技术的电路方框原理图

图3是本实用新型优选实施方式的电路方框原理图

图4是本实用新型优选实施方式的控制流程图

具体实施方式

下面结合附图和本实用新型的优选实施方式做进一步的说明。

如图3所示，这种X射线管的电流控制装置包括包括由系统控制单元1、数模转换器2、电平调整单元3、灯丝逆变器4和灯丝变压器5依序串接而成的驱动电路以及电流增益控制支路，电流增益控制支路包括增益控制单元6和对灯丝变压器5或X射线管7进行电流采样的反馈支路，增益控制单元6串联在数模转换器2与电平调整单元3之间；反馈支路包括模拟选择开关8、灯丝电流采样单元9和管电流采样单元10；灯丝电流采样单元9和管电流采样单元10的输出端分别与模拟选择开关8的两个输入端连接，模拟选择开关8的输出端与增益控制单元6的控制输入端连接，模拟选择开关8的控制输入端与系统控制单元1的相应输出端连接。

增益控制单元6包括减法器11和衰减器12；减法器11的信号输入端与数模转换器2连接；减法器11的控制输入端与模拟选择开关8的输出端连接；减法器11的信号输出端与衰减器12的控制输入端连接；衰减器12的信号输入端与数模转换器2连接；衰减器12的信号输出端与电平调整单元3的信号输入端连接。

如图3所示，系统控制单元1，在待机时，输出待机电压值给数模转换器2；在收到预备控制信号时，输出预备电压值给数模转换器2；在收到开始曝光控制信号时，输出开始曝光电压值给数模转换器2；在开始曝光控制信号输入后经0.1-1ms的延迟，输出曝光后电压值给数模转换器2，同时输出选择信号给模拟选择开关8。

如图3所示，系统控制单元1还包括报错处理模块13，灯丝电流采样单元9和管电流采样单元10的输出端与系统控制单元1的相应输入端连接。

如图3和图4所示，待机状态下，系统控制单元1根据不同球管的灯丝特性，查找相应的对应关系表，输出一个待机电压值，该待机电压值代表灯丝的启动电流大小，通过数模转换器2转换为相应的电压信号，并输出给增益控制单元6中的减法器11和衰减器12，然后经过电平调整单元3进行电平调整，输出给灯丝逆变器4，灯丝逆变器4根据输入的电压信号产生灯丝变压器5的初级电流，再经灯丝变压器5变压后输出一个预定的稳定的待机预热灯丝电流，对灯丝进行预热，同时灯丝变压器5的初级电流通过灯丝电流采样单9元反馈灯丝电流电压信号经模拟选择开关8给增益控制单元6中的减法器11，减法器11对来自模数转换器2的电压信号和来自模拟选择开关8的灯丝电流电压信号进行比较，产生一个衰减量，输出给衰减器12，衰减器12根据衰减量，调整对来自模数转换器2的电压信号的衰减幅度，相应增加或减少电压信号输出的大小，构成灯丝电流闭环增益回路，实现该阶段的实时闭环增益控制(即待机灯丝电流闭环增益控制)。预备状态下和开始曝光状态下对灯丝电流的闭环增益控制与待机状态下相同，其区别是：在预备状态下，实行预备灯丝电流闭环增益控制，系统控制单元1接收预备控制信号，输出预备电压值；在开始曝光状态下，实行开始曝光灯丝电流闭环增益控制，系统控制单元1接收开始曝光控制信号，输出开始曝光电压值。开始曝光后，经0.1-1ms延迟，系统控制单元1切换为输出曝光后电压值，同时输出选择信号给模拟选择开关8，切断减法器11与灯丝电流采样单元9的连接，同时接通接通管电流采样单元10与减法器11，减法器11、衰减器12、电平调整单元3、灯丝逆变器4、灯丝变压器5、管电流采样单元10和模拟选择开8关构成管电流闭环增益回路，使管电流稳定(即管电流闭环增益控制)。通过将X射线管的电流控制按时间顺序划分为四个状态，每个状态分别采用闭环增益控制，实现分时多环的闭环增益控制，使得开始曝光后，管电流便在0.1-1ms内迅速稳定在设定的管电流上，既达到精确控制的目的，又相当稳定。

在另一种实施方式中，反馈支路可以仅包括灯丝电流采样单元和管电流采样单元，灯丝电流采样单元和管电流采样单元的输出端分别模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与系统控制单元的相应输入端连接，反馈回来的电压信号在系统控制单元进行比较，并选择其中一路作为反馈信号，输出给增益控制单元。这种情况下，增益控制单元可以采用一个数控衰减器。

在其它实施方式中，增益调整单元可以由其它的模拟电路作同等替换。

Claims (4)

1.一种X射线管的电流控制装置包括由系统控制单元、数模转换器、电平调整单元、灯丝逆变器和灯丝变压器依序串接而成的驱动电路以及电流增益控制支路，电流增益控制支路包括增益控制单元和对灯丝变压器或X射线管进行电流采样的反馈支路，增益控制单元串联在数模转换器与电平调整单元之间，反馈支路的输出端与增益控制单元的控制输入端连接，其特征是：所述反馈支路包括模拟选择开关、灯丝电流采样单元和管电流采样单元；灯丝电流采样单元和管电流采样单元的输出端分别与模拟选择开关的两个输入端连接，模拟选择开关的输出端与增益控制单元的控制输入端连接，模拟选择开关的控制输入端与系统控制单元的相应输出端连接。

2.如权利要求1所述的X射线管的电流控制装置，其特征是所述增益控制单元包括减法器和衰减器；减法器的信号输入端与数模转换器连接；减法器的控制输入端与模拟选择开关的输出端连接；减法器的信号输出端与衰减器的控制输入端连接；衰减器的信号输入端与数模转换器连接；衰减器的信号输出端与电平调整单元的信号输入端连接。

3.如权利要求1或2所述的X射线管的电流控制装置，其特征是：所述系统控制单元，在待机时，输出待机电压值给数模转换器；在收到预备控制信号时，输出预备电压值给数模转换器；在收到开始曝光控制信号时，输出开始曝光电压值给数模转换器；在开始曝光控制信号输入后经0.1-1ms的延迟，输出曝光后电压值给数模转换器，同时输出选择信号给模拟选择开关。

4.如权利要求1或2所述的X射线管的电流控制装置，其特征是：所述系统控制单元还包括报错处理模块，灯丝电流采样单元和管电流采样单元的输出端与系统控制单元的相应输入端连接。

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