專利名稱：抑制瞬態(tài)高壓的電感性x射線管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X射線成象設(shè)備，更具體地涉及這樣一種裝置，它用來抑制通過該X射線成象設(shè)備的X射線管的瞬態(tài)浪涌電流，并用來減小因這種浪涌電流產(chǎn)生的射頻幅射。
X射線成象設(shè)備包括一個真空管，此真空管具有一個陰極和在工作時發(fā)射出X射線的陽極。陰極包括鎢熱發(fā)射表面和聚焦表面。陰極是一個組件的一部分，這個組件包括把陰極加熱到工作溫度的燈絲。當在X射線管各電極之間施加電壓時，熱發(fā)射的電子就會穿過陰極和陽極之間的真空隙并打到陽極上，從而產(chǎn)生X射線。
在X射線管工作中的一個主要問題是，由于電極表面的污染或粗糙邊緣所造成的強電場梯度會在電極之間產(chǎn)生高壓放電或電弧。這種放電(通過稱作“火花”)會產(chǎn)生高強度的電噪聲而輻射和傳導(dǎo)，因而可能干擾X射線管附近的電子電路的工作。在嚴重的情況下，由火花產(chǎn)生的電噪聲甚至會造成鄰近設(shè)備中半導(dǎo)體器件的失效。
新制成的管子易于頻繁地和持續(xù)地打火，要使其成為可用產(chǎn)品，就必須大大減少管內(nèi)發(fā)生的打火。每一次發(fā)生打火時，形成強電場梯度的點周圍的某些材料就被蒸發(fā)。作為制造工藝的一部分，通過讓其打火，把電極上能夠引起強電場梯度的任何外界顆粒和表面的粗糙部分蒸發(fā)掉，以便使電極表面平滑，從而“老化”新的X射線管。
“老化”工藝受到可用來使材料蒸發(fā)的能量以及把能量傳遞給放電電弧的方式的影響。如果傳遞的能量太高，處在缺陷底下的材料也會隨同缺陷被蒸發(fā)，有時會形成一個放電痕，其突起的邊緣尖銳得足以引起另外的打火，造成更為嚴重的電極侵蝕。在普通的老化過程中，供給打火的能量決定于向管子饋電的高壓電纜的電壓和電容量，典型地，該能量在幾十焦耳的范圍內(nèi)。放電電流由電纜的電壓和特征阻抗所決定，并且可以是1，000安培或更高。
已采取與管子的陽極串聯(lián)一個限流電阻，以試圖控制放電的峰值的電流。這種技術(shù)的問題在于，高壓電纜中儲存的能量在通過電阻放電及以電弧形式放電的分配比率上是不可能控制的。電阻與電弧是串聯(lián)的，因而通過相同的電流。電弧具有雙曲線型的負電阻伏-安特性，而電阻器則有正的線性電阻特性，這導(dǎo)致兩者會以不穩(wěn)定的、變動的方式分配電源電壓和功率。實際加到蒸發(fā)過程中的能量往往是隨機的，并且難以通過電阻來控制。
即使一個X射線管在制造過程中被適當?shù)乩匣?，在成象設(shè)備中工作時該管子仍能偶爾產(chǎn)生這種放電。放電縮短了管子的壽命以及產(chǎn)生電噪聲。當管子接近于它的有效壽命時，放電變得越來越頻繁，并且是管子主要失效方式之一。
一種X射線成象設(shè)備，包括一個真空管，該真空管具有陰極和產(chǎn)生X射線束的陽極。該設(shè)備還包括一個在X射線管工作期間產(chǎn)生并維持一個高電壓的電源。
在最佳實施例中，電源最好對管子的陽極和陰極提供獨立的高壓電源。X射線管由高壓電纜連接到電源，一條電纜把陽極電源連接到X射線管的陽極，而另一條電纜把陰極電源連接到X射線管的陰極。獨立的各電感元件把每一個電纜導(dǎo)體與X射線元件相連。該電感元件抑制了在打火放電過程中由陽極和陰極電纜流入X射線管的瞬態(tài)電流，并減小了因此產(chǎn)生的射頻信號的輻射。
電感元件不僅用于老化過程中，而且在X射線管電路進入使用之后仍最好留在X射線管電路中。繼續(xù)使用這些電感能夠防止因強電場而吸附于電極的顆粒和尖銳的電極邊緣所產(chǎn)生的偶然打火，避免X射線管電極的開裂和其它損壞。如果成象設(shè)備包括了這些電感元件，通常的打火便得到控制，從而延長了管子的有效工作壽命。
迄今為止，通常的可接受的實踐是盡量減小與電纜串聯(lián)連接的電感。這種電感與電纜的固有電容互作用而產(chǎn)生振鈴(ringing)從而使電纜上的電壓倍增。由于陽極和陰極之間的電源已經(jīng)極高，達到40，000到150，000伏，這種振鈴效應(yīng)能夠造成電纜絕緣的擊穿以及與電纜相連的元件的損壞。如果存在這樣的問題，可在每一個電感元件上連接一個電壓限制器件來降低振鈴電壓。
本發(fā)明的目的在于限制擊穿放電過程中流過X射線管的電流，使得X射線管能夠返回到接著工作所需要的介電狀態(tài)。
本發(fā)明的另一個目的是在X射線管和來自高壓電源的電纜之間提供一個機構(gòu)，此機構(gòu)限制了儲存在電纜中的能量，以防止產(chǎn)生數(shù)值足以損壞管子元件的高擊穿電流。
本發(fā)明的再一個目的是提供一個被包括在上述機構(gòu)中的元件，使得能限制由于電纜和管子組合的效應(yīng)而產(chǎn)生的振鈴電壓。
本發(fā)明的再進一步的目的是抑制在X射線管中的擊穿放電過程中在管內(nèi)產(chǎn)生、由高壓電源電纜傳送的高頻信號。


圖1示出了包括了本發(fā)明的X射線成象設(shè)備的示意圖;而圖2是根據(jù)本發(fā)明而作了改型的高壓電源和X射線管的框圖。
首先參考圖1，總體地以標號10表示的X射線成象設(shè)備安裝在一個建筑物(比如醫(yī)院或診所)的兩個房間中。一個房間中放置電源12和X射線控制操作臺14。下面將會指出，電源12典型地包括幾個低壓電源和一個高壓電源。在另一個房間中，一種臺架裝置16上安裝了X射線管組件18和X射線檢測組件20。X射線檢測組件20由一個膠片盒和一個攝影機組成，在計算機X射線斷層分析攝影技術(shù)的情況下，它是一個把X射線強度變換成電信號的X射線檢測器。傳送電能和控制信號的電纜通過柔性導(dǎo)管26和剛性導(dǎo)管28自安裝在臺架16上的部件延伸到電源12和控制操縱臺14。
用來安置待檢查病人的可透射X射線的臺22位于靠近臺架16處。臺22安裝在底座24上，要使得臺22能在X射線組件18和X射線檢測組件20之間滑過。
圖2示出了X射線管組件18與電源12中的高壓電源30間通過兩條電纜31和32完成高壓連接。高壓電源30裝有接地的導(dǎo)電的機殼35中，并且由幾個獨立的電路構(gòu)成，用來向X射線管組件18提供不同的電壓和電流。具體地說，高壓電源30包括獨立的陽極和陰極電源33和34。陽極和陰極電源將來自電源12中的陽極和陰極變換器(未示出)的電壓升高，從而分別在端子37和38產(chǎn)生相對于地的正負電壓。端子37和38間的電位差例如在40，000到150，000伏之間。高壓電源30也接受來自燈絲電源(未示出)的電流，并具有把燈絲電流耦合到端子38和39去的變壓器36。
兩條高壓電纜31和32具有一個或多個被高壓絕緣物和接地導(dǎo)電屏蔽42和46所包繞的中心導(dǎo)體41、44和45。每一條電纜具有例如42歐姆的特性阻抗和每英尺50微微法的固有電容。在陽極電纜31的一端，中心導(dǎo)體41連接到陽極電源33的端子37，而電纜屏蔽42連接到陽極電源33的端子37，而電纜屏蔽42接到高壓電源30的接地的機殼35上。陰極電纜32包括一個第一中心導(dǎo)體44，此第一中心導(dǎo)體的一端連接到高壓電源30的端子38上，用來接受公共的負陰極電位。陰極電纜32的第二中心導(dǎo)體45連接到端子39，這樣，陰極電纜的兩個中心導(dǎo)體輸送燈絲電流。陰極電纜32的屏蔽46通過連接于機殼35而接地。在其它X射線系統(tǒng)中，使用單獨的導(dǎo)體來輸送燈絲電流和提供陰極電位。使用另外的導(dǎo)體來向柵極或附加燈絲提供偏置電位，以及為X射線管組件18的其它元件輸送信號。
X射線管組件18包含一個X射線管40，管子中的陽極48與陰極49及燈絲50由真空隙間隔開。陰極電纜32通過一對空芯電感51和52耦合到X射線管40。電感51和52各自把陰極電纜32的中心導(dǎo)體44或45與燈絲50的相對端連接起來，從而把來自變壓器36的電流加到燈絲上。這兩個電感51和52以雙線繞法繞制，使得燈絲電流能相對地無電抗地通過，而同時對火花放電產(chǎn)生的電流仍呈現(xiàn)一個阻抗。于是，接入電感要比接入端接電阻有益。
陽極電纜31的中心導(dǎo)體41通過第三空芯電感53連接到陽極48。三個電感的每一個都具有例如為15微享的電感量。電感量可控制峰值電流，并且通過調(diào)整它從而使得達到最快的老化作用。當X射線管40裝入成象設(shè)備中時，所用的電感具有選定的電感量，以延長管子的壽命。
如果在陰極電纜32中用各個單獨的導(dǎo)體提供陰極電位和燈絲電流，或者為提供柵極偏壓而配置了另外的導(dǎo)體，就需要另外的電感來把這些導(dǎo)體與管子另件相耦合。
一個第一限壓器，例如金屬氧化物可變電阻器(MOV)58，連接在陽極48和X射線管組件18的接地的外殼55之間。作為第二限壓器的金屬氧化物可變電阻器59連接在陰極49和接地的外殼55之間。當跨過陽極和陰極的電壓超過正常工作電壓一定量時，例如超過180，000伏時，這些限壓器就提供了到地的通路。在實踐中，難以提供有著如此高的額定電壓值的單個MOV，在這種情況下，把一些低額定電壓的器件串聯(lián)起來就可得到所希望的額定值。兩個限壓器限制了電纜31和42中因電纜的固有電容和電感51-53之間的相互作用而產(chǎn)生的電壓振鈴，防止了管子、電感和電纜的損壞。也能用其它的器件，例如火花放電器、齊納二極管、或一個緩沖器(Snubber)來代替金屬氧化物可變電阻器58和59，作為陽極與陽極間的電壓限定裝置。
各個電感51-53具有穩(wěn)定管子打火中產(chǎn)生的放電電弧的作用。當電弧電壓改變時，跨在每一個電感上的電壓也發(fā)生改變，改變到能瞬時地維持一個恒定電流所必須的數(shù)值。因為電感51-53不消耗能量，并且在放電的開始和結(jié)束時不具有儲存的能量，因此在電弧中消耗的能量(Ec)值能由電壓(V)和由電纜呈現(xiàn)于管子組件上的電容(C)來精確地控制。能量值由關(guān)系式Ec＝0.5CV2來確定。另外的分立的電容56和57可被用來與電纜并聯(lián)設(shè)置，以便調(diào)整電容量。例如，在老化過程的較后階段，當電極的粗糙程度不明顯時，為了在工作電壓下引發(fā)一個打火就需要更高的能量。
本發(fā)明在X射線管的老化過程中有特別的用途。在制造過程中的這一部分，將一個新的X射線管40放在絕緣油浴缸中，并且使其工作，有意地產(chǎn)生打火。由于打火放電，使得在電極48和49上造成強電場梯度的任何外界顆粒和表面不平處被蒸發(fā)，從而使電極48和49變得平滑。老化過程持續(xù)到電極已被平滑到不再發(fā)生放電的程度為止。在老化過程中，用于把高壓電纜連接到X射線管的電感限制了放電的能量，防止過多的電極材料被移走和產(chǎn)生放電痕。
如果在放電電弧息弧時電感中仍然有電流流過，電感中儲存的能量使跨在電感上的電壓上升而產(chǎn)生擊穿。通常，這會導(dǎo)致管內(nèi)再次起弧，但可能使管子或電感的絕緣被擊穿。為確保這種情況不會發(fā)生，在管子的陽極和陰極之間接入限壓器58和59。由于限壓器58和59限制了電纜導(dǎo)體相對于地的電位，也抑制了因電感和電纜的固有電容之間互作用而在電纜中產(chǎn)生的振鈴。于是，對于傳統(tǒng)設(shè)計中不適合把電感耦合到高壓電纜連接的主要因素，由于現(xiàn)在使用了限壓器而被消除。
電感51-53及限流器58和59不僅用于老化系統(tǒng)中，而且用于圖1和2中表明的X射線成象設(shè)備10中。限流器的使用減小了X射線管正常工作過程產(chǎn)生打火的不良影響。電感減小了火花放電的危害程度。于是，X射線管的有效壽命得到延長，而與管子相關(guān)聯(lián)的元件不再承受極高的放電電流。在X射線管組件18中的限壓器防止了極高的振鈴電壓的產(chǎn)生。
使用如圖2中表明的陽極和陰極電感還有一個與管子老化不直接相關(guān)的另外的好處。已觀察到，在打火過程中電噪聲的電平明顯下降。這種下降是由于電感與電纜電容一起形成的L-C低通濾波器把大部分噪聲限制在接地的X射線管外殼55中。
權(quán)利要求
1.一種X射線成象系統(tǒng)，其特征在于包括一個真空管，具有一個陽極和一個陰極，用來發(fā)射X射線束；一個電源，用來在一對端子間產(chǎn)生一個直流電壓；一個電纜裝置，用來把來自所述電源的直流電壓加到所述真空管，所述電纜裝置有一個連接到所述端子之一的第一導(dǎo)體，以便把電壓加到陽極；以及有一個連接到另一端子的第二導(dǎo)體，以便把電壓加到陰極；連接在第一導(dǎo)體和陽極之間的第一電感；和連接在第二導(dǎo)體和陰極之間的第二電感；所述電感用于抑制在擊穿條件下流過所述真空管的瞬態(tài)電流。
2.如權(quán)利要求1的X射線成象系統(tǒng)，其特征在于它還包括連接在陽極和陰極之間的、把陽極和陰極間電壓限制在低于給定電壓值的裝置。
3.如權(quán)利要求1的X射線成象系統(tǒng)，其特征在于還包括第一和第二限壓器，其中，第一限壓器接在陽極和地之間，而第二限壓器接在陰極和地之間。
4.如權(quán)利要求3的X射線成象系統(tǒng)，其特征在于所述第一和第二限壓器各包括一個金屬氧化物可變電阻器。
5.如權(quán)利要求3的X射線成象系統(tǒng)，其特征在于，它還包括連接在所述第一導(dǎo)體和所述第二電纜的一個導(dǎo)體之間的電容器，用來把管子中放電的能量(E)依據(jù)關(guān)系式E＝0.5CV2改變到所希望的數(shù)值，式中C是電纜的固有電容和耦合到電纜的電容之和，而V是跨在該電容器所耦合的導(dǎo)體間的電壓。
6.一種X射線成象系統(tǒng)，其特征在于包括一個真空管，包括一個陰極、一個陽極和一個燈絲，用來發(fā)射X射線;一個裝容所述真空管并接到地電位的導(dǎo)電外殼;一個電源，包括高壓電源和燈絲電流電源;第一電纜，具有把高壓電源接到陽極的一個中心導(dǎo)體及包繞著中心導(dǎo)體并連接到所述導(dǎo)電外殼的接地屏蔽;第二電纜，具有將高壓電源和燈絲電流接到陰極和燈絲上的多個導(dǎo)體以及具有包繞這些導(dǎo)體的接地屏蔽;連接在所述第一電纜的中心導(dǎo)體和陽極之間的第一電感;和多個附加的電感，這些電感的每一個連接在所述第二電纜的多個導(dǎo)體之一和所述真空管的一個元件之間;每一個電感用來抑制流過真空管的瞬態(tài)電流，而同時又允許把直流激發(fā)電位和燈絲電流加到所述真空管中。
7.如權(quán)利要求6的X射線成象系統(tǒng)，其特征在于所述電源包括提供相對于地為正電位的第一電源、相對于地為負電位的第二電源、以及提供燈絲電流的第三電源;所述第一電纜的中心導(dǎo)體與所述第一電感串聯(lián)地連接在所述第一電源和陽極之間;所述第二電纜的一個導(dǎo)體以其一端連接到所述第二和第三電源，而以其另一端通過多個附加的電感之一與燈絲和陰極二者相連接;以及所述第二電纜的另一個導(dǎo)體以其一端與所述第三電源相連，而以其另一端通過多個附加的電感中的另外一個電感與燈絲相連接。
8.如權(quán)利要求6所述的X射線成象系統(tǒng)，其特征在于還包括把陽極和陰極間電壓限制在低于給定數(shù)值的裝置。
9.如權(quán)利要求8的X射線成象系統(tǒng)，其特征在于，所述限壓裝置包括連接在所述外殼和陽極之間的第一金屬氧化物可變電阻器和連接在所述外殼和陰極之間的第二金屬氧化物可變電阻器。
10.如權(quán)利要求6的X射線成象系統(tǒng)，其特征在于，所述的電感全部處在所述外殼之內(nèi)。
11.一種用于成象系統(tǒng)的X射線管組件，包括一個真空管，包括陰極、陽極和燈絲，用來發(fā)射X射線;裝容所述真空管的導(dǎo)電外殼;第一電感，連接到陽極，并具有用于連接到來自一個高壓電源的第一導(dǎo)體的一端;第二電感，連接到陰極，并具有用于連接到來自一個高壓電源的第一導(dǎo)體的一端;以及第三電感，連接到燈絲，并具有用于連接到載有燈絲電流的第三導(dǎo)體的一端。
12.如權(quán)利要求11的X射線成象系統(tǒng)，其特征在于還包括把陽極和陰極間電壓限制在低于給定數(shù)值的裝置。
13.如權(quán)利要求12的X射線成象系統(tǒng)，其特征在于，所述限壓裝置包括連接在所述外殼和陽極間的第一金屬氧化物可變電阻器，以及連接在所述外殼和陰極間的第二金屬氧化物可變電阻器。
全文摘要
包括有一個真空管的X射線成象系統(tǒng)。真空管由兩條屏蔽電纜連到高壓電源而供電。電纜的多個導(dǎo)體的一端與電源相連，每一導(dǎo)體的另一端通過獨立的電感與真空管元件相連。在真空管電壓擊穿過程中，電感抑制了在管子陽極和陰極間流過的電流，減少因放電造成的管子元件的侵蝕。該電流部分地因電纜中儲存的能量而形成，不受高壓電源中的普通限流電路抑制。連接到管子的限壓器件防止了電纜中的振鈴效應(yīng)產(chǎn)生的極高電壓。
文檔編號H05G1/54GK1063988SQ9210071
公開日1992年8月26日 申請日期1992年1月30日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月30日
發(fā)明者W·F·沃思 申請人:通用電氣公司