РЕНТГЕНОВСКОЕ ПИТАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
X-RAY FEEDING DEVICE

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано при создании энергетически экономичных рентгеновских аппаратов, не требующих большой мощности питания от сети при получении изображения.
Известен способ питания рентгеновских трубок, включающий регулировку заданного напряжения на автотрансформаторе, подачу задаваемого низковольтного напряжения на высоковольтный трансформатор, выпрямление высокого напряжения на высоковольтном шестифазном или двенадцатифазном выпрямителе, подачу выпрямленного заданного напряжения на рентгеновскую трубку, регулирование тока на рентгеновской трубке путем изменения напряжения накала катода [Блинов Н.Н., Леонов Б.И., Рентгеновские диагностические аппараты. Т. 1, Москва 2001, 220 с., стр. 46…51, рис. 2.1., стр. 47].
Основными недостатками данного способа работы питающего устройства являются большие массогабаритные показатели питающего устройства и большое потребление установочной мощности (сорок…сто киловатт) из сети при экспозиции.
Известен способ работы рентгеновского питающего устройства, включающий: бестрансформаторное выпрямление трехфазного напряжения шестифазным выпрямителем (схема Ларионова), преобразование постоянного напряжения в переменное высокой частоты (10…100 кГц), регулирование напряжения до заданных значений путем широтно-импульсной модуляции высокочастотных импульсов низкого напряжения, повышение напряжения на высокочастотном трансформаторе, выпрямление высокочастотного напряжения и подачу его на рентгеновскую трубку, регулирование тока трубки путем изменения напряжения накала катода [Блинов Н.Н., Леонов Б.И. Рентгеновские диагностические аппараты. Т. 1, Москва 2001, 220 с., стр. 46…51, рис. 2.1, стр. 47].
Преимуществом этого способа работы питающего устройства является уменьшение массогабаритных показателей благодаря применению высокочастотного инвертора и высокочастотного высоковольтного трансформатора.
Основным недостатком данного способа работы питающего устройства является такое же большое потребление установочной мощности (сорок…сто киловатт) из питающей сети при экспозиции.
Прототипом заявляемого способа является способ работы высоковольтного питающего устройства, включающий: бестрансформаторное выпрямление трехфазного напряжения шестифазным выпрямителем (схема Ларионова), преобразование постоянного напряжения в переменное высокой частоты (10…100 кГц), стабилизацию напряжения до заданных значений путем широтно-импульсной модуляции высокочастотных импульсов низкого напряжения, повышение напряжения на высокочастотном трансформаторе, выпрямление высокочастотного напряжения и подачу его на рентгеновскую трубку; питание рентгеновской трубки осуществляется с падающей нагрузкой, т.е. при пуске подают максимально допустимые ток и напряжение на холодный катод, затем снижают величину тока, что вызывает увеличение напряжения, поэтому снижают и напряжение. Изменение напряжения и тока ведут по границе допустимой мощности рентгеновской трубки [Блинов Н.Н., Леонов Б.И. Рентгеновские диагностические аппараты. Т. 1, Москва 2001, 220 с., стр. 15…24]. Регулирование тока трубки осуществляют путем изменения напряжения накала катода, а регулирование напряжения на трубке осуществляют на высоковольтной стороне [Блинов Н.Н., Леонов Б.И. Рентгеновские диагностические аппараты. Т. 1, Москва 2001, 220 с., стр. 77…79, рис. 2.15, стр. 79].
Достоинствами этого способа работы являются: автоматическая экспозиция и повышенная точность задания напряжений и выдержки экспозиции на трубке и тока анода.
Основным недостатком приведенного способа работы является потребление большой установочной мощности (сорок…сто киловатт) от сети при выполнении снимка.
Технической задачей изобретения способа работы рентгеновского аппарата является снижение мощности, потребляемой из сети во время экспозиции.
Поставленная техническая задача решена тем, что способ работы питающего рентгеновского устройства включает повышение сетевого напряжения до сорока…двухсот киловольт, его выпрямление, сглаживание и подачу на высоковольтное управляющее устройство, регулирующее напряжение и ток анода на рентгеновской трубке в соответствии с программой, при этом батарею конденсаторов заряжают через переключатель «Зарядка»-«Экскозиция»; при положении переключателя в положении «Зарядка» конденсаторы соединяют параллельно с маломощным модулем на десять…тридцать киловольт, мощностью полкилловата…десять киловатт, после зарядки конденсаторов переключатель переводят в положение «Экспозиция», при этом заряженные конденсаторы соединены переключателем последовательно, напряжение с последовательно включенных конденсаторов подают на схему высоковольтного управления напряжением и током анода рентгеновской трубки.
Известно устройство питания рентгеновского аппарата, содержащее: автотрансформатор для регулировки входного напряжения на повышающем высоковольтном главном трансформаторе, высоковольтный главный трансформатор, высоковольтный выпрямитель для питания рентгеновской трубки и регулятор накала катода для регулирования тока трубки [Блинов Н.Н., Леонов Б.И. Рентгеновские диагностические аппараты. Т. 1, Москва 2001, 220 с., стр. 46…59, рис. 2.6, стр. 55].
Основным недостатком приведенного устройства является большое потребление установочной мощности (сорок…сто киловатт) из питающей сети при экспозиции и большие массогабаритные показатели.
Известно устройство питания рентгеновского аппарата, содержащее бестрансформаторный входной выпрямитель, высокочастотный или среднечастотный преобразователь постоянного напряжения в переменное (инвертор), с обратной связью по высокочастотному выходному напряжению, например с ШИМ-регулятором этого высокочастотного напряжения для задания напряжения на рентгеновской трубке, высокочастотный повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, соединенный с рентгеновской трубкой, и регулятор анодного тока трубки путем изменения напряжения накала на катоде рентгеновской трубки [Блинов Н.Н., Леонов Б.И. Рентгеновские диагностические аппараты. Т. 1, Москва 2001, 220 с., стр. 54…55, рис. 2.6, стр. 55].
Достоинством этого устройства является уменьшение массогабаритных показателей благодаря применению высокочастотного высоковольтного трансформатора.
Основным недостатком приведенного устройства является большое потребление установочной мощности (сорок…сто киловатт) из питающей сети при экспозиции.
Прототипом настоящего изобретения является известное питающее устройство рентгеновской трубки, содержащее бестрансформаторный выпрямитель трехфазного напряжения шестифазным выпрямителем (схема Ларионова), преобразователь постоянного напряжения в переменное средней частоты (10…20 КГц) на тиристорных или высокой частоты (30…70 КГц) на транзисторных ключах, высоковольтный высокочастотный трансформатор, высоковольтную схему выпрямления и высоковольтную электронную схему управления, осуществляющую регулирование напряжения на рентгеновской трубке, его коммутацию и регулирование задаваемого тока анода [Блинов Н.Н., Леонов Б.И. Рентгеновские диагностические аппараты. Т. 1, Москва 2001, 220 с., стр. 77…79, рис. 2.15, стр. 58]. Достоинствами этого устройства являются: повышенная точность задания напряжений на трубке и тока анода и более простая схема установки времени экспозиции.
Основным недостатком приведенного устройства является потребление большой установочной мощности от сети при выполнении снимков.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции, снижение мощности, потребляемой из сети во время экспозиции, уменьшение массогабаритных показателей и сложности преобразовательного питающего устройства.
Поставленная задача решена тем, что рентгеновское питающее устройство содержит модуль, преобразующий сетевое переменное напряжение в постоянный ток высокого напряжения, в котором маломощный источник питания напряжением десять…тридцать киловольт и мощностью от полкиловатта до десяти киловатт при помощи переключателя «Зарядка»-«Экспозиция» соединен с конденсаторами параллельно при положении переключателя в положении «Зарядка», а при положении переключателя в положении «Экспозиция» конденсаторы включены последовательно и соединены с входными клеммами панели автоматического высоковольтного управления напряжением и током анода рентгеновской трубки; переключатель выполнен в виде стакана из изоляционного материала, заполненного изолирующей жидкостью; на противоположных стенках стакана выполнены контактные клеммы конденсаторов, входные клеммы переключателя соединены с выходными клеммами маломощного источника питания на десять…тридцать киловольт в соответствии с полярностью напряжений, а выходные клеммы переключателя соединены с клеммами высоковольтной схемы управления напряжением и током анода рентгеновской трубки в соответствующей полярности; ротор переключателя установлен по оси стакана и снабжен двумя парами параллельных шин, соединенных с конденсаторными клеммами в положении «Зарядка»; в положении ротора «Экспозиция» соединительными перемычками с выходными клеммами переключателя, заземленной перемычкой, соединяющей правую и левую конденсаторные панели, и косыми перемычками, соединяющими последовательно между собой конденсаторные клеммы в последовательную цепь, и выходными клеммами, соединенными с входными клеммами высоковольтной схемы управления напряжением и током анода рентгеновской трубки.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6.
На фиг. 1 приведена структурная схема зарядки конденсаторов от маломощного низковольтного модуля.
На фиг. 2 приведена принципиальная схема переключателя «Зарядка»-«Экспозиция» в положении ротора «Зарядка».
На фиг. 3 приведена принципиальная схема работы устройства в положении переключателя «Экспозиция».
На фиг. 4 приведена принципиальная схема переключателя в положении ротора «Экспозиция».
На фиг. 5 приведена принципиальная схема маломощного низковольтного модуля с умножителями напряжения при питании от трехфазной сети.
На фиг. 6 приведена принципиальная схема маломощного низковольтного модуля с входным повышающим низкочастотным трансформатором и умножителями напряжения при питании от однофазной сети 220 вольт 50 Гц.
На фиг. 1 изображена схема заряда батареи конденсаторов, при положении переключателя в положении «Зарядка». Низковольтный (10…30 кВ) маломощный (0,5…10 кВт) модуль 1 состоит из бестрансформаторного выпрямителя 2, соединенного с повышающим преобразователем 3 постоянного напряжения в высокочастотное напряжение, выпрямителя высокого напряжения 4 и регулятора выходного напряжения 5, управляющего преобразователем 3. Переключатель 6 содержит две клеммные панели конденсаторов - отрицательные выводы конденсаторов соединены с клеммами 7, положительные выводы конденсаторов соединены с клеммами 8. Конденсаторы C1, С2, …, Cn первой (левой) клеммной панели создают отрицательное напряжение на трубке, конденсаторы С01, С02, …, C0m второй (правой) клеммной панели создают положительное напряжение на рентгеновской трубке относительно средней заземленной точки. При положении переключателя в положении «Зарядка» параллельные шины 11 соединяют отрицательные конденсаторные клеммы 7 с входными отрицательными клеммами 9, а положительные конденсаторные клеммы 8 - с положительными входными клеммами 10. Выходные клеммы переключателя 13 - отрицательная и 14 - положительная с клеммами заряжаемых конденсаторов не соединяются, а соединены только с входными клеммами 15 и 16 панели высоковольтного управления напряжением и током анода рентгеновской трубки соответственно.
На фиг. 2 представлено положение ротора 17 переключателя 6 «Зарядка»-«Экспозиция» в положении ротора «Зарядка». Вид сверху, вдоль оси вращения ротора 17. Здесь на роторе переключателя 17 установлены две пары параллельных шин 11 и 12, которые соединяют конденсаторные клеммы 7 и 8 с входными клеммами 9 и 10, которые постоянно соединены с выходными клеммами низковольтного маломощного модуля 1. Выходные клеммы 13 и 14, установленные на стакане переключателя, соединены с положительной клеммой 15 и отрицательной клеммой 16 высоковольтной панели в соответствии с их полярностью. На роторе 17 установлены в разомкнутом нерабочем положении соединительная (заземленная) перемычка 18 и соединительные косые перемычки 20, 21.
На фиг. 3 приведена принципиальная схема переключателя «Зарядка»-«Экспозиция» в положении ротора 17 «Экспозиция» (повернутого по часовой стрелке на 90°). В этом положении ротора переключателя 6 отрицательная клемма 7 каждого конденсатора соединяется косой перемычкой с положительной клеммой предыдущего конденсатора 8, отрицательная клемма последнего конденсатора Cn соединена с выходной клеммой переключателя 13 соединительной перемычкой 21. Выходная клемма 13 в свою очередь соединена с отрицательной клеммой 16 схемы высоковольтного блока управления напряжением и током рентгеновской трубки. Положительная клемма конденсатора С1 соединена соединительной перемычкой 18 с заземлением и отрицательной клеммой конденсатора С01. Положительная клемма конденсатора С01 соединена косой перемычкой 20 с отрицательной клеммой конденсатора С02, и так далее до конденсатора C0m, положительная клемма которого соединяется соединительной перемычкой 22 с выходной клеммой 14 переключателя 6, которая соединена с положительной клеммой 15 высоковольтного блока управления напряжением и током рентгеновской трубки. Таким образом на анод трубки подается напряжение, снимаемое с батареи конденсаторов С01…C0m, а на катод трубки подается напряжение, снимаемое с батареи конденсаторов С1…Cn. Эти напряжения на панели высоковольтного управления напряжением трубки ограничиваются регуляторами до необходимых значений.
Работает устройство следующим образом. После зарядки всех конденсаторов, параллельно подключенных к низковольтному модулю, до необходимого напряжения (фиг. 1, 2), поворотом ротора 17 переключателя 6 на угол 90° по часовой стрелке, параллельные шины 11 и 12 отсоединяют входные клеммы 9 и 10 от клемм конденсаторов 7 и 8, а соединительные (прямые и косые) перемычки 18, 19, 20,21 и 22 соединяют конденсаторы последовательно. Перемычка 18 соединяется с заземлением, а перемычки 21 и 22 соединяют последовательно включенные конденсаторы с выходными клеммами 13 и 14, которые соединены с входными клеммами 15 и 16 панели высоковольтного управления напряжением и током анода трубки.
Через трубку течет ток, и напряжение на конденсаторах снижается по экспоненциальному закону, поэтому конденсаторы должны быть заряжены на величину, большую падения напряжения на конденсаторах при максимальной экспозиции и при максимальном токе анода трубки. Скорость падения напряжения на конденсаторах напрямую зависит от тока трубки и обратно пропорциональна емкости конденсаторов батареи.
a
Для зарядки конденсаторов может быть использован более простой низковольтный (10…30 кВ) маломощный (0,5…5 кВт) модуль, питающийся от трехфазной сети, построенный на трехфазных диодно-конденсаторных двухполупериодных умножителях напряжения: положительном и отрицательном (фиг. 5). Зарядка конденсаторов приближается к амплитудному значению трехфазного напряжения 380 В. Это с учетом потерь U=380*1,4=532 В. При десятикратном умножении это около 5300 В. Но так как используются положительный и отрицательный умножители, то полученное напряжение вдвое большее 10600 В. При использовании батареи конденсаторов из 14 конденсаторов получим напряжение 10600*14=148000 В. При рабочих напряжениях на диагностической трубке 40…110 кВ.
a
При использовании однофазного напряжения 220 В применяют повышающий входной трансформатор, например с коэффициентом трансформации n=1,5…3, тогда амплитудное напряжение на входе умножителя равно U=1.4*220*3=920 В. При десятикратном умножении 9200 В. Поскольку используется два умножителя - положительный и отрицательный, то на выходе умножителей, т.е. модуля 6, будет напряжение 18400 В. При использовании десяти конденсаторов в батарее получим выходное напряжение 184000 В.