DE3520509A1

DE3520509A1 - Hochspannungsgenerator fuer eine roentgenroehre

Info

Publication number: DE3520509A1
Application number: DE19853520509
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Noda Hino; Masaji Toyonaka Ootakeguchi
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1984-06-08
Filing date: 1985-06-07
Publication date: 1985-12-12
Also published as: DE3520509C2; JPS60262400A; US4741010A; JPH0465519B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Hochspannungs-Generatorvorrichtung für eine Röntgenröhre und insbesondere einen Hochspannungsgenerator des Invertertyps für die Verwendung mit einer Röntgenröhre, der mit hoher Genauigkeit eine einer Sollspannung entsprechende Röntgenröhrenspannung liefert.

In der Vergangenheit fand für Röntgenröhren ein Hochspannungsgenerator Anwendung, bei dem eine von einer handelsüblichen Leistungsquelle zugeführte Leistungsversorgungsspannung an einen Transformator angelegt wird, bei dem seine Ausgangsspannung oder die Eingangsspannung des nachfolgenden Transformators durch Veränderung der Position der mit seiner Sekundärwicklung verbundenen verschiebbaren Bürste oder durch Veränderung der mit der Sekundärwicklung verbundenen Ausgangsabgriffe einstellbar ist. Die Ausgangs- f spannung des Transformators wird mittels eines Hochspannungs- t transformators in eine Hochspannung umgeformt, und die Hochspannung wird mit einem Gleichrichter gleichgerichtet und an eine Röntgenröhre angelegt.

In letzter Zeit fand eine rasche Entwicklung auf dem Gebiet der Leistungssteuerung unter Verwendung von Leistungs-Halbleitern statt. Diese neuen Technologien fanden auch für die weitere Entwicklung eines Hochspannungsgenerators des Invertertyps für eine Röntgenröhre Anwendung. Durch Ver-Wendung von Halbleitern für die Leistungssteuerung zeigt der Hochspannungsgenerator des Invertertyps ein schnelleres Ansprechverhalten als der oben beschriebene Generator, in dem ein Transformator mit Spannungseinstellung Anwendung findet. Dementsprechend ist es mit dem Hochspannungsgenerator des Invertertyps möglich, eine Röntgenröhrenspannung oder einen der Röntgenröhrenspannung entsprechenden Wert zu erfassen und eine Rückkoppel-Steuerung bzw. Regelung durchzuführen, um eine Abweichung zwischen einer erfaßten Spannung

und einem Sollpegel zu null zu machen, wodurch eine relativ genaue Hochspannung an eine Röntgenröhre angelegt werden kann.

In Fig. 1 ist schematisch ein Röntgenröhren-Hochspannungsgenerator des Invertertyps nach dem Stand der Technik gezeigt, der für eine Rückkoppel-Steuerung ausgelegt ist. In der Zeichnung sind folgende Baugruppen dargestellt: eine herkömmliche Leistungsquelle 1, ein Gleichrichter 2 für die Umformung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, ein Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3, der die von dem Gleichrichter 2 ausgegebene Gleichspannung empfängt und auf eine vorgegebene Frequenz f1 anspricht, so daß eine wiederholte Ein/Aus-Steuerung erfolgt, um seine Ausgangsgleichspannung entsprechend dem Verhältnis zwischen einer Einschaltzeit und einer Ausschaltzeit (im folgenden als η "Stromleitungs-Verhältnis" bezeichnet) einzustellen, sowie f ein Inverter oder Wechselrichter 4, der schaltende Elemente 4a bis 4d aufweist. In Antwort auf eine vorgegebene Frequenz f2 wird ein sich wiederholendes und alternierendes simultanes Einschalten der schaltenden Elemente 4a und 4d und simultanes Einschalten der schaltenden Elemente 4b und 4c durchgeführt, um an die Primärwicklung 5a eines Hochspannungstransformators 5 eine Wechselspannung der Frequenz f2 anzulegen. Weiterhin zeigt Fig. 1 einen Gleichrichter 6 für die Umformung der in der Sekundärwicklung 5b des Transformators 5 induzierten Wechselspannung, einen Kondensator 7 für die Glättung der Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters 6, d.h. für die Lieferung einer geglätteten Gleichspannung vx, die an eine Röntgenröhre 8 angelegt wird, einen Detektor 9 für die Erfassung der Röntgenröhrenspannung und für die Erzeugung eines Erfassungssignals vx¹, das der Röntgenröhrenspannung entspricht, einen Abweichungs-Verstärker 10 für die Erzeugung eines Signals a, das einer Abweichung zwischen dem Erfassungssignal vx¹ und einem Sollpegel Vz der Röntgenröhrenspannung entspricht,

sowie eine Steuerung 11 für den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer, die auf das Signal a anspricht, um ein Signal b zu erzeugen, das das Stromleitungs-Verhältnis des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformers 3 einstellt. Der Abweichungs-Verstärker 10 ist beispielhaft entsprechend Fig. 2 aufgebaut. Er umfaßt Widerstände 21 und 22 mit demselben Wert R1, einen Operationsverstärker 23, einen Widerstand 24 mit dem Wert R2 und einen Kondensator 25 mit einer Kapazität C.

Im Betrieb wird beim Beginn der Röntgenstrahlung durch den Wechselrichter 4 eine Gleichspannung, die durch den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3 auf einen vorgegebenen Pegel eingestellt ist, in eine Wechselspannung umgerichtet. Diese Wechselspannung wird durch den Hochspannungstransformator 5 angehoben, durch den Gleichrichter 6 und den Kondensator 7 gleichgerichtet und geglättet und an die Röntgenröhre 8 angelegt. Diese Röntgenröhrenspannung wird vom Detektor 9 erfaßt, und ein Erfassungssignal vx¹ wird in den Abweichungs-Verstärker 10 eingegeben, um den Pegel des Signals a entsprechend einer Abweichung vom Sollpegel Vz für die Röntgenröhrenspannung zu verändern. In Antwort auf ein sich ergebendes Signal a erzeugt die Steuerung 11 für den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer ein Signal b, das das Stromleitungs-Verhältnis für den Gleichspannungs/ Gleichspannungs-Umformer 3 einstellt. Ist beispielsweise das Erfassungssignal vx¹ kleiner als der Sollpegel Vz für die Röntgenröhrenspannung, wird das Stromleitungs-Verhältnis für den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3 erhöht, um die Röntgenröhrenspannung vx anzuheben. Umgekehrt wird beim Überschreiten des Sollpegels Vz durch das Erfassungssignal vx' das Stromleitungs-Verhältnis des Gleichspannungs/ Gleichspannungs-Umformers 3 erniedrigt, um die Röntgenröhrenspannung vx abzusenken. Eine derartige Steuerung der Röntgenröhrenspannung vx erfolgt, um die Abweichung zwischen der Röntgenröhrenspannung vx und dem Sollpegel Vz

für die Röntgenröhrenspannung auf null zu setzen.

Die Röntgenröhrenspannung Vx nimmt eine Wellenform an, die typischerweise, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Welligkeit mit einer Frequenz von 2.f2 hat. Die Welligkeit wird durch den Betrieb des Wechselrichters 4 hervorgerufen. Im Wechselrichter 4 sollten die schaltenden Elemente 4a und 4d in einem Satz oder die schaltenden Elemente 4b und 4c im anderen Satz gleichzeitig eingeschaltet werden, und das gleichzeitige Einschalten der schaltenden Elemente 4a und 4c und der schaltenden Elemente 4b und 4d sollte vermieden werden, indem eine Abfallperiode Td vorgesehen wird, um den Kurzschluß des Ausgangs des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformers zu vermeiden. Während der Abfallperiode Td wird vom Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3 keine Leistung auf eine nachfolgende Last übertragen, und die Röntgenröhre 8 wird folglich nur durch einen Entladestrom vom Kondensator 7 mit Leistung versorgt, woraus sich ein Abfall der Röntgenröhrenspannung vx ergibt. Da zusätzlich neben dem Wechselrichter 4 eine Leitungsinduktivität und eine Leckinduktivität sowie eine Streukapazität des Hochspannungstransformators 5 auftreten, neigen der Hochspannungstransformator 5 und der Gleichrichter 6 dazu, eine Schwingung des Laststroms hervorzurufen. Aus diesen Gründen ergibt sich unabhängig von der Stabilisierung der Gleichspannung im Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3 die Schwingung mit der Frequenz 2.f2, die durch Steuerung des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformers nur sehr schwer zu verringern ist. Die Schwingung mit der Frequenz 2.f2 muß deshalb von der Rückkopplungssteuerung getrennt werden.

Im in Fig. 2 gezeigten Abweichungs-Verstärker 10 ist die Eingangs/Ausgangs-Beziehung durch folgende Gleichung gegeben:

^R2
^{a =} ^(VZ -

wobei S ein Parameter der Laplace-Transformation ist. Damit tritt in Antwort auf das Eingangssignal im Ausgangssignal a eine Verzögerung von C.R2 auf, und das Ausgangssignal a spricht für C.R2 > —— nicht auf die 2.f2-Schwingung an, wodurch es möglich ist, eine stabile Steuerung zu schaffen. Auf diese Weise kann der Abweichungs-Verstärker durch Wahl von C.R2 so eingestellt werden, daß er nicht auf die Schwingung mit der Frequenz 2.f2 anspricht. Diese Maßnahme entspricht einer Glättung der 2.f2-Schwingung, und es ist daher davon auszugehen, daß ein geglätteter Wert der 2.f2-Schwingung zu einem Rückkopplungspegel addiert wird. In anderen Worten wird, wie in Fig. 3 gezeigt, ein bezüglich der Schwingung gemittelter Pegel Vm der Röntgenröhrenspannung rückgekoppelt, wenn die Röntgenröhrenspannung einen Maximalwert Vp hat.

Die Größe der 2.f2-Schwingung hängt von der Größe der Last ab. Für größere Röntgenröhrenströme wird die Schwingung verstärkt, während sie für kleinere Röntgenröhrenströme unterdrückt wird. Der Maximalwert der an der Röntgenröhre auftretenden Spannung vx ist normalerweise als die Röntgenröhrenspannung definiert. Selbst wenn die 2.f2-Schwingung für einen kleinen Röntgenröhrenstrom und die für einen großen Röntgenröhrenstrom gemittelt werden, um denselben Pegel Vm der Röntgenröhrenspannung zu schaffen, wie in Fig.

gezeigt, wird demnach die Röntgenröhrenspannung so gesteuert, daß sie einen Pegel Vp1 für den kleinen Röntgenröhrenstrom und einen Pegel Vp2 für den großen Röntgenröhrenstrom annimmt.

Da, wie oben beschrieben, die Rückkopplungs-Steuerung durch den in Fig. 2 gezeigten Abweichungs-Verstärker so durchgeführt wird, daß unterschiedliche Röntgenröhrenspannungen einander gleichwerden, wenn verschiedene Größen von verschiedenen pulsierenden Wellen auf denselben Pegel gemittelt werden, wird eine Abweichung zwischen der tatsächlichen Röntgenröhrenspannung und dem Sollpegel der Röntgenröhrenspannung hervorgerufen.

Die grundlegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, eine Hochspannungs-Generatorvorrichtung mit Wechselrichter anzugeben, mit der die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zumindest teilweise ausgeschaltet werden können.

Die speziellere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochspannungs-Ganeratorvorrichtung des Invertertyps anzugeben, die eine genau auf einen Sollpegel abgestimmte Röntgenröhrenspannung erzeugen kann.

Wie in Fig. 3 oder 4 gezeigt, ist die Röntgenröhrenspannung von der Schwingung mit der Frequenz 2.f2 begleitet. Um das Ansprechen des Rückkopplungssystems für die Röntgenröhrenspannung auf die2.f2-Schwingung zu verhindern, verzichtet die vorliegende Erfindung auf den Integrationsterm des Abweichungs-Verstärkers nach dem Stand der Technik, der zu der auf den gemittelten Pegel der 2.f2-Schwingung bezogenen ungünstigen Rückkopplungssteuerung führt, womit sich eine Veränderung des Scheitelwerts der Röntgenröhrenspannung, d.h. der Arbeits-Röntgenröhrenspannung, mit der Größe der 2.f2-Schwingung ergibt. Nach vorliegender Erfindung werden die Maximalwerte der jeweiligen pulsierenden Wellenkomponenten in der Schwingung mit der Frequenz 2.f2 abgetastet und gehalten, und die Rückkopplungssteuerung wird auf Grundlage dieser Abtast- und Halte-Werte (S ample-and-Ho ld-Werte) durchgeführt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Hochspannungsgenerators des Invertertyps für eine

Röntgenröhre mit einer Rückkopplungsanordnung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 Einzelheiten eines Abweichungs-Verstärkers; Fig. 3 die Wellenform einer Röntgenröhrenspannung;

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wellenformen der Röntgenröhrenspannung, wie sie sich mit der Rückkopplungsanordnung nach dem Stand der Technik ergeben;

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Hochspannungsgenerators

des Invertertyps für eine Röntgenröhre mit einer Rückkopplungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 Einzelheiten einer Abtast/Halte-Steuerung, wie sie im Generator nach Fig. 5 Anwendung findet; und Fig. 7 ein Zeit-Diagramm zur Erläuterung des Betriebs des

Generators nach Fig. 5.

Bei der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 5 werden die Komponenten und Blöcke 1 bis 11/ die denen in Fig. 1 entsprechen, nicht im einzelnen erläutert. Zusätzlich zu diesen Baugruppen weist der erfindungsgemäße Hochspannungsgenerator des Invertertyps eine Wechselrichter- oder Inverter-Steuerung 31, eine Abtast/Halte-Steuerung 32 und eine Abtast/Halte-Schaltung 33 auf. Die Wechselrichter-Steuerung 31 erzeugt ein EIN-Signal INV1, das an die schaltenden Elemente 4a und 4d des Wechselrichters 4 angelegt wird, sowie ein EIN-Signal INV2, das an die ebenfalls im Wechselrichter 4 enthaltenen schaltenden Elemente 4b und 4c angelegt wird. Die EIN-Signale INV1 und INV2 werden ebenso auf die Abtast/Halte-Steuerung 32 gegeben. In Antwort auf diese EIN-Signale INV1 und INV2 von der Wechselrichter-Steuerung 31 erzeugt die Abtast/Halte-Steuerung 32 ein Abtast/Halte-Signal SH bei der Beendigung jeder Schaltoperation des Wechselrichters. Die Abtast/Halte-Schaltung 33 empfängt ein Erfassungssignal vx¹ vom Detektor 9 für die Röntgenröhrenspannung und führt entsprechend dem Abtast/Halte-Signal SH ein Abtasten und Halten des Erfassungssignals vx¹ durch. Dementsprechend werden vom Erfassungssignal vx¹ synchron zur Schaltoperation des Wechselrichters Momentanwerte genommen. Wie in Fig. 6

beispielhaft dargestellt, weist die Abtast/Halte- oder Sample/Hold-Steuerung 32 eine NOR-Schaltung 41 für die entsprechende Verknüpfung der beiden Eingangssignale und eine differenzierende Schaltung 42 auf, die eine Differentiation des Eingangssignals bei seinem Anstieg durchführt und einen Impuls erzeugt.

Der Betrieb des Hochspannungsgenerators wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben. Während der Röntgenstrahlung überträgt die Wechselrichter-Steuerung 31 zwei Signale INV1 und INV2 zum Wechselrichter 4 und zur Abtast/ Halte-Steuerung 32. Wie aus Fig. 7 deutlich wird, überlappen sich die beiden EIN-Signale INV1 und INV2, so daß für eine Abfallperiode Td ein zeitweises Aussetzen auftritt, wobei die Signale wechselweise mit einer Frequenz f2 erscheinen.

Die Abfallperiode Td ist notwendig, um das gleichzeitige Einschalten der schaltenden Elemente 4a und 4c oder der schaltenden Elemente 4b und 4d des Wechselrichters 4 zu verhindern, so daß der Kurzschluß des Ausgangs des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformers 3 vermieden werden kann.

In der Abtast/Halte-Steuerung 32 werden die Signale INV1 und INV2 durch die NOR-Schaltung 41 einer NOR-Verknüpfung unterzogen, so daß ein NOR-Signal INV am Ausgang der Schaltung 41 erzeugt wird. Nach dem Anstieg des Signals INV erzeugt die Differenzierschaltung 42 ein Abtast/Halte-Impulssignal SH, das wiederum an die Abtast/Halte-Schaltung 33 angelegt wird. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird das Abtast/ Halte-Signal SH bei jedem Abfall der Signale INV1 und INV2, d.h. bei der Beendigung jeder Schaltoperation des Wechselrichters erzeugt. Im allgemeinen erreicht die Röntgenröhrenspannung vx, wie in Fig. 7 gezeigt, unmittelbar nach der Beendigung jeder Schaltoperation des Wechselrichters einen Maximalwert. Wenn das Erfassungssignal vx¹ entsprechend dem Sample/Hold-Signal SH durch die Abtast/Halte-Schaltung 33 abgetastet und gehalten wird, wird daher ein Ausgangssignal vxp¹ der Abtast/Halte-Schaltung 33 im wesentlichen auf

dem Scheitelwert der Röntgenröhrenspannung beibehalten. Da der Abweichungs-Verstärker 10 auf eine Abweichung zwischen dem Ausgangssignal vxp¹ der Abtast/Halte-Schaltung 33 und dem Sollpegel Vz der Röntgenröhrenspannung anspricht, um den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umformer 3 über seine Steuerung 11 einzustellen, läßt sich unabhängig von der Größe der 2.f2-Schwingung der Röntgenröhrenspannung der Soll-Scheitelwert der Röntgenröhrenspannung erzielen.

Der Abweichungs-Verstärker für die Steuerung der Röntgenröhrenspannung ist nicht auf einen analogen Operationsverstärker beschränkt, sondern die vorliegende Erfindung ist auch auf eine digitale Steuerung unter Verwendung eines Mikrocomputers anwendbar. Bei der digitalen Steuerung wird das Erfassungssignal mittels eines A/D-Umformers in ein Digitalsignal umgeformt, und das Digitalsignal durch den Mikrocomputer verarbeitet, um entsprechend einer Abweichung vom Sollpegel ein Stromleitungs-Verhältnis zu bestimmen. Das Erfassungssignal muß dem Scheitelwert der Röntgenröhrenspannung entsprechen. Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung kann die Rückkopplungssteuerung unter Verwendung des Scheitelwerts der Röntgenröhrenspannung durchgeführt werden, und der Scheitelwert der Röntgenröhrenspannung läßt sich genau auf den Sollpegel einstellen.

Falls die Umformrate des A/D-Umformers langsamer als die Arbeitsperiode des Inverters ist, ist es vorteilhaft, das Erfassungssignal synchron zum Betrieb des Wechselrichters abzutasten, indem die Abtastfrequenz auf den Bruchteil einer ganzen Zahl, z.B. auf 1/2 der Wechselrichter-Arbeitsfrequenz verringert wird.

Bei einer Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Wechselrichter-Hochspannungsgenerator für eine Röntgenröhre mit einer Ausgangsleistung von 2 kW und einer Arbeitsfrequenz von 200 Hz konnte die vorteilhafte Wirkung bestätigt werden. Während der Röntgenstrahlung wurde der Generator so betrieben, daß der Last Leistung zugeführt wurde, wobei das Strom-

leitungs-Verhältnis des Wechselrichters etwa 10 % betrug und die Entladung vom Hochspannungskondensator die restlichen 90 % ausmachte. Bei Kombination dieses Generators mit einem herkömmlichen Rückkopplungssystem mit einem Sollpegel für die Rontgenrohrenspannung von 40 kV betrug der Scheitelwert der Rontgenrohrenspannung 40 kV für einen Röntgenröhrenstrom von 0,5 mA, jedoch 47 kV für eine Röntgenröhrenstrom von 3 mA. Anschließend wurde der Generator mit dem erfindungsgemäßen Rückkopplungssystem kombiniert, um einen Scheitelwert für die Rontgenrohrenspannung von 40 kV zu erhalten, der unabhängig von den unterschiedlichen Werten des Röntgenröhrenstroms genau mit dem Sollpegel der Röntgenröhrenspannung zusammenfällt.

Wie oben beschrieben, erlaubt die vorliegende Erfindung eine auf den Scheitelwert der Rontgenrohrenspannung bezogene Rückkopplungssteuerung, womit sich eine Rontgenrohrenspannung erzielen läßt, die genau mit dem Sollpegel übereinstimmt.

Ah/CG

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Claims

PATENTANWÄLTE

STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ 35 20 509 i

WIDENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22 '

HITACHI MEDICAL CORPORATION
EPA-27 184

7. Juni 1985

Hochspannungsgenerator für eine Röntgenröhre

PATENTANSPRUCH

Hochspannungs-Generatorvorrichtung für eine Röntgenröhre, gekennzeichnet durch

einen Wechselrichter (4) für die Umformung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung;

einen Hochspannungstransformator (5) für die Umwandlung der Ausgangsspannung des Wechselrichters (4) in eine Hochspannung;

eine Gleichrichtereinrichtung (6) für die Umformung der Ausgangsspannung des Hochspannungstransformators (5) in eine Gleichspannung;

einen Detektor (9) für die Erfassung einer Röntgenröhren-. spannung (vx) zur Erzeugung eines der Röntgenröhrenspannung entsprechenden Ausgangssignals (vx');

eine Abtast/Halte-Schaltung (33) für das Abtasten und Halten des Ausgangssignals (vx¹) des Detektors (9) synchron zur Schaltperiode des Wechselrichters (4); und

Einrichtungen (10, 11, 31, 32) zur Steuerung der Röntgenröhrenspannung entsprechend einer Abweichung zwischen dem Ausgangssignal (vxp¹) der Abtast/Halte-Schaltung (33) und einem Sollpegel (Vz) der Röntgenröhrenspannung.