专利名称：双能x射线装置的改进电源的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及受调制电源，特别涉及用于双能X射线装置的改进电源。
测量材料密度的常见方法为用X射线照射该材料而测量该材料所吸收的辐射量，所吸收的辐射量即表示出密度。这一公知方法用于CT扫描器之类的X射线装置中。
使用双能X射线源不只是测量密度而且还提供有关材料的化学特性的技术也是公知的。使用双能X射线源的技术涉及到测量材料对两个不同能级的X射线的吸收特性，这些测量不但表示出材料密度，而且还表示出材料的原子数。使用能量可选X射线重构CT图象的双能X射线技术例如可见刊登在Phys.Med.Bio1.1976，Vo1.21，No.5，733-744上的Alvarez，Robin等人的文章“X射线CT中的能量可选重构”和美国专利No.5,132,998。
这类双能技术的一个应用例子是用来检测行李中是否有炸弹的行李扫描器。众所周知，炸弹材料的一般特征是原子数较大，因此很容易被装在机器中的这类双能X射线源检测出来。人们作出了很大努力来设计可行的X射线行李扫描器。这类设计例如可见美国专利Nos.4,759,074(Donges等人)；4,884,289(Glockmann等人)；5,132,988(Tsutsui等人)；5,182,764(Peschmann等人)；5,247,561(Kotowski)；5,319,547(Krug等人)；5,367,552(Peschmann等人)；5,490,218(Krug等人)和德国专利DE31 503 06 Al(Heimann GmbH)。
一种使用双能X射线源的可称为“交替光束”式装置的现有扫描装置是在第三代CT扫描器中加装一转动过滤器而成。简单说来，第三代CT扫描器包括分别紧固在一环形圆盘或转台直径方向上相反两边上的一X射线源和一检测器阵列。该圆盘可转动地装在一龙门支柱中，从而扫描时该圆盘不断围绕一转动轴线转动，同时从X射线源发出的X射线穿过一放置在该圆盘开口中的一物体而到达该检测器阵列。在每一测量周期中该检测器阵列中的每一检测器发出一表示所扫描的物体的一部分的密度的输出信号。由该检测器阵列在任何测量周期中生成的所有输出信号的集合称为一个“投影”，在产生一个投影时该圆盘的角度方向(也即X射线源和检测器阵列的角度方向)称为“投影角”。该圆盘围绕该被扫描的物体转动时，扫描器在许多投影角上相应生成许多投影，CT扫描器然后对从所有这些投影角上所收集的所有数据进行处理而重构出物体的CT图象。
交替光束式装置包括一设置在X射线源与被扫描物体之间靠近X射线源的转动过滤器。该转动过滤器可构作成一转动金属圆片，该圆片的一半足够薄从而对X射线源所生成的绝大部分光子来说是透明的，该圆片的另一半足够厚从而吸收X射线中较大百分比的低能光子同时又足够薄从而对X射线中的高能光子来说基本上是透明的。该金属圆片在X射线源所生成的光束的光路中转动，从而在其转动周期的一半中，该圆片的薄部位于光束中，此时X射线中的绝大部分光子穿过该圆片而被导向被扫描物体；在其转动周期的另一半中，该圆片的较厚部位于光束中而吸收部分低能光子，从而X射线中只有高能光子和很小百分比的低能光子穿过该圆片而被导向被扫描物体。因此照射到被扫描物体上的光束的能级以转动圆片的转动频率交替变化在一半时间中光束中含有较少量的低能光子，在另一半时间中光束中含有较大量的低能光子。通过在扫描时如此交替改变光束的能级，该装置测量被扫描物体对两个不同能级的X射线的吸收特性。该圆片以足够高的频率转动，从而该CT扫描器在转台每转动一圈过程中可对两能级各生成许多投影，从而该扫描器在转台每转动一圈过程中重构出两个CT图象，一个图象用在低能光束下所收集的数据生成，另一个图象用在高能光束下所收集的数据生成。对这两个图象进行比较从理论上说应该能检测出高原子数的炸弹材料。
但在实际上，由于光束的这两个能级不足以区分到用来精确分析被扫描物体的原子数，因此交替光束式装置是有缺点的。由于这种装置所生成的光束中所含的高能光子的数量不论该转动圆片处于什么位置都大致相同，因此无法清楚区分开不同的能级。
“双检测器”式扫描装置代表着另一类使用双能X射线源的扫描装置。双检测器式扫描装置由在第三代CT扫描器中加装第二检测器阵列而成。在一种双检测器装置中，X射线源生成两束不同的X射线光束一高能光束和一低能光束。该装置包括一从两光束之一中除去大部分低能光子而生成高能光束的过滤器。另一未经过滤的光束为低能光束。高能光束被导向检测器阵列之一，低能光束被导向另一检测器阵列，从而两检测器阵列分别测量被扫描物体对两不同能级的吸收特性。这两个检测器阵列彼此不同而都必须调节成与用它来检测的特定能量一致。这种装置除了具有交替光束式装置的所有缺点外，还有一个缺点是，由于该装置包括两个检测器阵列而不是一个检测器阵列，从而需要非常复杂的数据获取装置处理数据，因此整个检测装置更复杂。
在另一种双检测器扫描装置中，检测器阵列之一为构作成高能光子可通过、但吸收低能光子从而测量被扫描物体对低能级的吸收特性的低能阵列。另一检测器阵列为设置在低能阵列后方从而截获穿过低能阵列的光子的高能阵列。照射在高能阵列上的低能光子极少(因为大多数低能光子在能到达高能阵列之前被低能阵列吸收)。从而穿过被扫描物体和低能阵列的高能光子照射到高能阵列上。该高能阵列测量被扫描物体对高能级的吸收特性。这种装置还可在两检测器阵列之间设置一过滤器而在高能检测器阵列截获光束之前进一步吸收可能通过第一阵列的低能光子。这种装置的缺点是检测器阵列过于复杂。
由于X射线源生成的光子的能谱随加到X射线源上的电压而变，另一种可想到的使用双能X射线技术的方法是用一电源把大小交替变动的电压加到CT扫描器的X射线源上而使X射线源在两不同的能级之间周期性地变动。这类电源最好生成一以在两大小不同的高压(例如-160kV和-100kV)之间迅速变动的一周期性变动电压为表征的输出信号，从而生成能级可清楚区分的两X射线光束。理想的情况是，该电源以足够高的频率在两个大小不同的高压之间周期性地变动，从而在转台每转动一圈过程中在两能级上都生成许多投影。但是，当前用来向使用在CT扫描器中的X射线管提供高压DC信号的现有高压电源无法轻易改装成提供其变动频率可为X射线源供电而使X射线源产生双能X射线光束的周期性变动电压。电压之所以难于产生合适的周期变动频率，是因为高压DC电源一般把单向整流器与滤波电容一起用作电压放大器，而滤波电容的时间响应很差，即电压突然升高时该电容器充电，但当电压突然下降时该电容器未必迅速放电。因此，衰减率受到电容的很大限制，从而一般对于比方说行李扫描器所需的转换率来说显得太慢。此外，由于把电压从一高压拉下到另一高压需要消耗大量能量，因此这类电源的电力消耗量过大。
本发明的一个目的是大大减小或克服现有技术的上述问题。
本发明的另一个目的是提供一种改进电源，从而生成一以较高变动频率在两大小不同的高压之间变动的周期变动高压信号而特别可用来以该变动频率以两大小不同的强度驱动一X射线源。
本发明的另一个目的是提供一种用于CT扫描器而生成一双能X射线光束的改进高压电源。
本发明的另一个目的是提供一种包括一CT扫描装置的改进行李扫描器，该扫描装置有一高压电源用来生成一周期变动高压并把该周期变动高压加到该装置的X射线源上而使该射线源生成一双能X射线光束。
本发明的另一个目的是提供一种向一X射线管供电而生成一双能X射线光束的高压电源，该电源包括至少一个具有单向整流器和储能电容器的DC电源。
本发明的另一个目的是在CT扫描器的X射线源的阴极和阳极之间提供一较稳定的、受调制的高压DC信号，从而使该X射线源的输出光束在一高能级与一低能级之间转换。
本发明的另一个目的是提供一种双能行李扫描器，它的各部件可生成一以该行李扫描器所需频率在一高能级与一低能级之间周期性地变动的X射线光束。
本发明的另一个目的是把一可以合适调制频率生成周期变动电压的改进电源与一X射线源相结合而生成一双能X射线光束从而提供一改进双能扫描器。
本发明的另一个目的是提供一种可在无电力损耗或电力损耗很小的情况下生成一以较快的周期变动频率在两大小不同的高压之间变动的高压输出的高压电源。
本发明的另一个目的是提供一种行李扫描器，它包括使双能X射线光束的周期与龙门支柱转盘之类的转台的转动同步的部件。
本发明的另一个目的是提供一种扫描器，它包括把行李之类的物品传送过该CT扫描器的部件。
本发明的上述和其他目的用一用来向生成双能X射线光束的X射线源供电而比方说可用于行李扫描器的改进电源实现。该电源包括至少一生成一稳定的DC高压的DC高压电源；用来生成周期变动波形的装置，包括一波形发生器；以及耦合装置，包括至少一变压器，从而把波形发生器耦合到DC高压电源上而以预定调制频率生成一受调制电压，把该受调制电压加到X射线源上而使该X射线源生成以预定频率在预定高低能级之间变动的双能X射线光束。
该变压器最好在波形发生器的输出与DC高压电源的输出之间形成DC隔离。该变压器最好为升压变压器，从而波形发生器的输出电压可较低。该升压变压器的响应时间较快，从而便于周期变动电压以预定频率在两个方向上变动。该变压器的使用造成在所生成的波形的每一周期中的损耗极低，该损耗一般只是变压器损耗。
按照本发明的另一个方面，可用该电源向CT扫描器中的X射线源供电而提供一改进的行李扫描器。
按照另一个方面，该CT扫描器可包括使龙门转台的转动与由波形发生器生成的波形的周期变动频率同步的部件。
本发明的另一个方面是在X射线源生成的X射线光束中使用一与电源的调制频率同步的转动过滤器而扩大穿过被扫描物体的高能光束与低能光束之间的差别。
按照另一个方面，该调制电源和CT扫描器可用在一包括一把行李传送过该CT扫描器的传送带的行李扫描组件中。
本领域普通技术人员可从下面的详细说明中清楚看出本发明的其他目的和优点，在下面的详述中，只是为例示出本发明的最佳实施方式而示出并说明若干实施例。应该看到，在本发明的范围内本发明可有其他不同的实施例，其若干细节也可作出种种改动。因此，这些附图和说明应看成是例示性的而非限制性的，本申请的范围表示在权利要求中。
可从结合附图的下述详述中更充分地理解本发明的性质和目的，在这些附图中，相同或相似部件用同一标号表示，附图中
图1为本发明双能行李扫描组件的立体图；图2为图1所示组件的端视横截面图；图3为图1所示组件的径向横截面图；图4为本发明所设计的图1所示组件的电源和X射线管的一优选实施例的方框图；图5为图4实施例的详图，其一部分为方框图，一部分为示意图；图6为本发明所设计的图1所示组件的电源和X射线管的第二优选实施例的方框图；图7为图6实施例的详图，其一部分为方框图，一部分为示意图；图8为本发明所设计的图1所示组件的电源和X射线管的第三优选实施例的方框图；图9为图8实施例的详图，其一部分为方框图，一部分为示意图；图10为本发明所设计的图1所示组件的电源和X射线管的第四优选实施例的方框图。
图1-3示出一按照本发明构作的用来扫描行李以检测炸弹材料的扫描组件100。组件100包括一以箭头114所示方向把行李112连续传送过一CT扫描装置120的中心开口的传送装置110。所示传送装置110包括许多传送部件122，但当然也可使用其他方式的传送装置。该传送装置包括电动机驱动的用来支撑行李的传动带。CT扫描装置120包括一设置在一龙门支柱中而可围绕一最好与箭头114所示行李112传送方向平行的转动轴线127(见图3)转动的环形转台或圆盘124。转台124可用任何合适的传动机构驱动而围绕转动轴线127转动，比方说皮带116和电动机驱动装置118或其他合适的传动机构，例如1995年12月5日授予Gilbert McKenna、转让给本受让人的、题为“X射线层析照相扫描装置”的美国专利No.5,473,657所述的传动机构。转台124有一中心孔126供传送装置110所传送的行李112通过。装置120包括一X射线管128和一设置在该转台直径方向上另一边的检测器阵列130。检测器130最好布置成在美国专利申请Serial No.08/671,716中所详述的那种两维阵列。装置120还包括一用来接收和处理检测器阵列130所生成的信号的数据获取装置134(见图2和3)以及一向X射线管128供电或控制X射线管128的工作而形成一双能X射线源的X射线管控制装置136(见图1和2)。装置120还包括比方说防止射线幅射到龙门支柱125外的铅制防护罩138。
工作时，X射线管128最好发出一穿过一由传送装置110传送的行李112所通过的象场的几何形状一定的锥形或扇形X射线光束132(从图2中可看得最清楚)。光束132被检测器阵列130截获，该检测器阵列转而生成表示行李112穿过该光束的部分的密度的信号。转台124围绕其转动轴线127转动，从而在传送装置110把行李连续送过中心孔126时在围绕行李112的圆形轨道上转动X射线源128和检测器阵列130，从而以许多投射角相应产生许多投影。扫描装置120用公知的螺旋三维重构技术生成表示穿过该光束的行李112的三维CT图象。
如下详述，控制装置136生成一表征为一以较高调制频率或变动频率f1(例如200-800Hz)在第一高压V1(例如-160kV)与第二高压V2(例如-100kV)之间周期变动的电压的输出信号。该输出信号加到X射线管128上。X射线管128生成的光束132对应于第一高压V1为较高能量的光束，而对应于第二高压V2为较低能量的光束，从而光束132在转台124围绕行李112转动的同时以转换频率f1在两能级之间交替变动。检测器阵列130对应于高能光束所生成的投影可称为“高能投影”，同样，检测器阵列130对应于低能光束所生成的投影可称为“低能投影”。由于光束132的能级以高频f1交替变动，因此CT扫描装置120在转台124每转动一圈过程中生成许多高能投影和许多低能投影。
数据获取装置134接收由检测器阵列130所生成的所有高能和低能投影并与其他处理器或计算机(未示出)配合而重构出行李112的三维CT图象。转台每转动一圈，CT扫描装置120生成行李112的两个三维CT图象，一个图象与高能投影对应，另一个图象与低能投影对应。其他处理器或计算机(未示出)然后分析这两个三维图象而确定被扫描的行李中是否有炸弹材料。被怀疑有炸弹材料的行李可从传送装置110上取下，需要时可自动送到另一地点(未示出)作进一步检查。或者，也可把该信息显示在一显示器(未示出)上和/或发出合适警报。
光束132的能级最好以比转台124的转速大得多的调制频率f1交替变动，从而该转台每转动一圈CT扫描装置120生成两个三维图象。装置120也可生成其能级交替变动频率很低、比方说等于转台124的转动频率的光束132，从而X射线管128在转台转动一圈时生成一低能光束，然后在转台转动下一圈时生成一高能光束。但是，在这种实施例中，转台124围绕行李112转动两圈而生成两个对应于两差别很大的能级的三维图象，从而行李112相应较慢地传送过装置120。但是，由于行李的扫描速度对行李扫描器来说是一个很重要的设计标准，因此光束132的能级变动频率f1最好远远大于转台124的转动频率以便一边把行李112连续、迅速地传送过扫描装置120，一边扫描装置120在转台124每转动一圈中生成行李的两个明显不同的三维图象。
在一优选实施例中，转台124每2/3秒转动一圈，检测器阵列130在Z轴方向(与转动轴线127平行)上的线度为15.5cm，(传送装置110所传送的)行李112的线速度为每秒0.131m，频率f1等于533Hz，虽然本领域普通技术人员不难看出，这些尺寸和频率的选择范围可较大。在这些尺寸和频率下，组件100可每小时扫描约675件行李。在另一实施例中，转台124每2/3秒转动一圈，检测器阵列130在Z轴方向上的线度为23.256cm，行李112的线速度大致等于每秒0.175m，频率f1等于800Hz。在该实施例中，组件100可每小时扫描900件行李。
按照本发明，控制用作双能X射线源的X射线管128的X射线管控制装置136最好包括至少一个在该X射线管的阴极与阳极之间生成一稳定的DC高压的DC高压电源以及至少一个变压器电路，该变压器电路把一波形发生器的输出耦合到该DC高压电源的输出上，从而使阴极与阳极之间的总电压以随该波形发生器的输出而变的预定频率在预定高压与低压之间变动。
尽管本发明涉及加于一X射线管的阴极与阳极之间的电压，但双能X射线操作的好处在于，该X射线光束中含有能量可达与所加电压能量相等的各种能量的一系列光子。本发明的目的是在X射线光束中生成两个“有效电压”值。这一“有效电压”可看作该光束中的所有光子的一种平均值，但它并不是真正的数学平均值。这是因为在X射线装置中所检测的光谱的形状不但随所加电压而变，而且还随许多其他因素而变。这些因素包括“横倾角”(阳极表面的斜置)，X射线光束射出X射线管所经出口窗的“固有过滤作用”，X射线所要检测的起衰减作用的物体的厚度和性质以及X射线检测器对各种不同能量的光子的敏感性。总之，有效能一般比所加电压小得多，根据上述因素约为所加电压的40％-70％。因此，本说明书中的光束的能量指的是光子的有效能。
图4为控制X射线管128的控制装置136的一优选实施例的方框图。在图4实施例中，X射线管128为热阴极型，包括一阴极140、一加热阴极140的灯丝142和一接地的水冷阳极144。众所周知，在这类X射线管中，管128所生成的X射线光束的能谱随加到阴极140与阳极之间的电压而变，而该管所生成的X射线的通量随从阴极140流到阳极144的电子流而变，而该电子流又随阴极140的温度而变。如图4所示，用一阴极温度控制装置180控制X射线管128的阴极140的灯丝142的温度。在该实施例中，一DC高压电源182与该阴极连接而把一稳定的DC高压加到该管的阴极上。此外，变压器电路184最好连接在DC高压电源182与该装置的接地线之间。一波形发生器186把一表示调制频率f1的信号送到变压器电路184，从而该变压器电路根据该信号以频率f1调制或周期性地变动电源182的稳定的DC输出信号。因此该变压器电路184用来把波形发生器186的输出耦合到该DC电源的输出上而用随波形发生器的输出而变的调制信号调制该DC电源的输出。波形发生器186最好生成一随f1而变的周期变动的波形，而f1又随一转动件的角位而变，这在下文详述。
图5示出图4的一优选实施例。如图所示，控制装置136包括一阴极温度控制装置180和一高压电源200，该高压电源200包括DC高压电源182和变压器电路184。该电源也可看成还包括波形发生器186，尽管在图中该波形发生器与电源200分开表示。如下详述，电源200生成一以较高频率f1在第一高压V1与第二高压V2之间调制的高压信号，然后把这一高压调制信号加到X射线管128的阴极140与阳极144之间。由于管128对应于第一高压V1生成高能光束、对应于第二高压V2生成低能光束，因此电源200交替变动加到管128上的电压而控制光束的能谱。波形发生器186控制电源200所生成的高压信号的转换频率f1，从而控制管128生成高能和低能光束的频率。阴极温度控制装置180通过控制流过加热灯丝142的电流而控制X射线管128中的阴极140的温度，从而控制管128所生成的X射线通量。
下面详细说明图5，阴极温度控制装置180包括温度传感电阻250、一放大器252、一高频功率变换器254和一变压器256。电阻250电连接在调制电路184(在节点C处)与装置的接地线之间。电阻250上代表流过该电阻的传感电流的电压加到放大器252的输入上。该电压较之加到阴极与阳极之间的电压太小而不足以用作生成低能和高能光束的电压。放大器252的输出信号加到功率变换器254上，功率变换器254转而生成输出信号而加到变压器256的主边上。变压器256的副边与X射线管128的灯丝142并联，该副边的一端与节点A电连接。
工作时，电流传感电阻250上的电压代表从阴极140流到阳极144的电子流(因为流过电阻250的电流等于流入阴极140的电流)，这一电压加到放大器252上。放大器252生成一代表电阻250上的电压的输出信号并把这一信号加到高频功率变换器254上，高频功率变换器254又生成其振幅代表电阻250上的电压的一AC信号。该AC信号加到变压器256的主边上，而变压器256的副边生成加到灯丝142上的AC信号。
阴极温度控制装置180根据从阴极140流到阳极144的电子流控制阴极140的温度。放大器252的增益最好选择成在电阻250上的电压下降时提高阴极140的温度，而在电阻250上的电压提高时降低阴极140的温度，从而把阴极140的温度平均值保持在一大致不变的温度上。
图5所示DC高压电源182包括一连接在管128的阴极140与变压器电路184之间的电容器212。电容器212上形成一稳定的DC高压输出V3而加到管128的阴极上。在图5优选实施例中，该DC高压V3等于-130kV。DC高压电源182还包括用作在电容器212上生成DC电压的电压倍增器的一高压整流器210；其输出连接到整流器210的输入的一高频功率变换器218以及一连接成反馈电路而传感电容器212上的电压并把一反馈信号送到该变换器218的电压稳定放大器216。该电压稳定放大器216最好为一差分放大器，其变换输入(1)经电阻214连接到管128的阴极140与电容器212之间的节点A、(2)经电阻220连接到装置的接地线。放大器216的非变换输入经电阻222连接到电容器212与变压器电路184之间的节点B。这些部件大致构成一DC高压电源而在电容器212上生成一表征为中等大小的高压(例如-130kV)的稳定的DC高压信号。该DC电源182与本发明受让人所生产的CT扫描器Anatom 2000中使用的DC电源相似。
工作时，整流器210在电容器212上生成一高压，而电阻214、220、222、224、放大器216和功率变换器218构成一控制回路而稳定整流器210所生成的高压而使电容器212上的电压保持在中等大小的电压V3上。放大器216生成一代表整流器210加到电容器212上的输出电压并随之变动的低压输出信号。放大器216把该信号加到功率变换器218上，功率变换器218转而生成一高频振荡信号而加到整流器210上。因此，电阻214、220、222、224、放大器216和功率变换器218相配合而传感电容器212上的电压大小而调节功率变换器218加到整流器210上的信号的振幅，从而把电容器212上的电压保持并从而稳定在中等大小的电压V3上。
电源200的变压器电路184包括一低压功率放大器230、一变压器232、一电容器234和一反馈电容器236，这些部件构成一连接在DC电源182的电容器212与阴极温度控制装置180的电阻250之间的AC高压电源而在节点B与C之间生成一最好在一正电压+VAC(例如+30kV)与一负电压-VAC(例如-30kV)之间周期性地变动的AC电压。更确切说，放大器230的输出最好连接到变压器232的主边的一端，主边的另一端连接到装置的接地线。变压器232的副边与电容器234的两端连接。应该看到，该变压器用来放大放大器230的电压输出，从而该放大器230可以是一低压AC功率放大器而比高压AC放大器容易设计和制造。例如，可把功率放大器230设计成生成一变动范围为+1kV到-1kV的AC电压。副边与主边的匝数比可为30∶1，从而节点B与C之间的电压在所要求的+30kV与-30kV之间变动。
放大器230的输入由波形发生器186提供。波形发生器186生成一最好代表转台124的位置并以频率f1变动的周期变动脉冲或信号，从而如下所详述，频率f1与转台124的转动同步。
因此，由波形发生器186生成而输入到功率放大器230的周期变动信号为一转换频率为f1的较低电压信号。放大器230按照这一信号生成一周期变动频率也为f1的低压AC信号并把这一信号加到变压器232的主边上。变压器232对加到其主边的这一信号电压升压从而变压器232的副边生成一周期变动频率也为f1的AC高压信号。反馈电容器236有效地阻塞DC分量而生成一代表节点B处的AC电压的AC低压信号并把这一低压AC信号加到功率放大器230的控制端上。功率放大器230根据加到其控制端上的该信号调节其增益而把电容器234上的AC电压稳定在±VAC上。
电容器234最好选择成与变压器232的副边的电感配合而使电容器234与变压器232的副边形成一以频率f1共振的LC共振电路。如下文详述，在电源200的优选实施例中，频率f1的容许变动范围较小，从而用电容器234与变压器232的副边形成一共振电路提高了电源200的效率。在电源200的一些实施例中，电容器234最好为可变电容器，从而可调节该电容器而选择所需频率f1。
反馈电容器236可如图所示为单个电容器，或者，也可有其他实施方式。例如，电容器236可以做成一由两串联电容器构成的分压器一作为高压电容器(即高压绝缘的电容器)的第一电容器和一作为低压电容器的第二电容器，该第一电容器连接在节点B与该第二电容器之间，而该第二电容器连接在该第一电容器与功率放大器230的控制端之间。在其他实施例中，也可包括连接在节点C与放大器230的又一控制端(未示出)之间的第二反馈电容器(未示出)而使放大器230同时从节点B和C接受反馈。这一优选实施例示出在图6方框图中。图7的一部分为方框图，一部分为示意图，它详示出图6实施例。
由于整流器210在电容器212上生成一DC中压V3，且由于变压器232在节点B与C之间生成一在+VAC与-VAC之间变动的AC信号，因此电源200在节点A与C之间生成一表征为一以频率f1在V1与V2之间变动的电压的调制信号，其中，V1等于V3减去VAC(例如，-160kV＝-130-30kV)，V2等于V3加VAC(例如，-100kV＝-130+30kV)。本领域普通技术人员可以看出，在装置136的其他实施例中，DC电源182与变压器电路184位置可互换，从而变压器电路184连接在阴极140与DC电源182之间，而DC电源182连接在变压器电路184与温度控制装置180的电阻250之间。
变压器232的使用简化了电源200的AC部分，因为只有变压器232和电容器234、236需高压绝缘。用来生成AC电压的所有其他部件、例如放大器230和频率控制装置204都以装置接地线为基准而工作在低压下。如果不使用变压器232而把控制装置136设计成包括现有转换式电源，则电源200的AC部分中的所有部件必须是以中压V3而不是以接地线为基准的昂贵的高压部件。使用变压器232还可使电源200在生成一在V1与V2之间调制的电压的同时降低电力消耗。若用单向整流器构作生成这一调制电压的电源，该电源每次把该电压从高压V1向下拉到低压V2时必须消耗大量能量。由于通过变压器232的平均功率为零(不计变压器的较小损耗)，因此电源200有效地生成调制电压而不消耗过多能量。
节点A与X射线管128的阴极140电连接，从而节点A处的高压信号使得电子流从阴极140流到阳极144，然后电子冲击阳极144表面而生成X射线。如上所述，X射线管128对应于V1生成较高能量的X射线光束，对应于V2生成较低能量的X射线光束。因此电源200与X射线管128配合而生成一以频率f1在两能级之间周期变动的双能X射线光束。
由波形发生器186所生成而加到放大器230上的AC信号可以是任何类型的周期变动信号，例如波形为方形或梯形的脉冲，也可以是连续变动的信号，例如正弦波信号。AC信号最好为方波，从而变压器电路184和波形发生器186设计成用于方波。此外，AC信号最好为对称波形，即生成平均值为零的DC信号。而且，由于波形发生器186所生成的AC信号由变压器电路184放大，因此波形发生器186可生成低压AC信号。
对于图1-3所示、从图5中可看到的优选双能行李扫描器来说，为了进一步扩大穿过被扫描行李的高能与低能光束的能级之间的差别，波形发生器186最好包括一转动一过滤器262的电动机260、一转轴编码器264以及一数字-模拟转换器268。过滤器262最好为一设置在X射线管128旁而在X射线管128所生成的光束中转动的圆片。转轴编码器263传感过滤器262的角度位置而生成一代表该角度位置的数字信号并把该数字信号送到数字-模拟转换器268。数字-模拟转换器268生成一代表编码器264所生成的数字信号的模拟信号并把该模拟信号送到电源200的放大器230。
在所示实施例中，过滤器262为一分成大小相同的6个扇区的金属圆片，虽然扇区的数量可不同。3个扇区270用密度较大的材料的较厚片材(例如0.6mm的铜片)制成，从而足够厚而吸收X射线管128所生成的一部分低能光子同时又足够薄而可让X射线管128所生成的绝大部分高能光子通过。其余3个扇区272用轻型材料的较薄片材(例如，0.1mm的铝片)制成而比扇区270足够薄，从而扇区272可让管128所生成的较高百分比的低能光子通过。扇区270与272交替排列，从而每一较厚扇区270邻接两较薄扇区272，反之亦然。
工作时，过滤器262在电动机260的控制下转动，数字-模拟转换器268生成一表示过滤器262的角度位置的周期变动的模拟信号而表明是扇区270还是扇区272处于光束124中。在所示实施例中，转换器268最好生成一频率为f1的正弦信号，其中，f1等于过滤器262的转动频率的三倍。如上所述，由转换器268所生成并加到放大器230的信号的频率f1控制着X射线光束在高能与低能之间周期变动的频率。由于转换器268生成的信号与过滤器262的转动同步，因此波形发生器186确保X射线光束在两能级之间的周期变动频率与过滤器262的转动同步。
在所示实施例中，最好是X射线光束每振荡一次过滤器262转动120°，过滤器262的初始位置调节成当管128生成高能光束时(即当节点A与装置接地线之间的电压为V1时)较厚扇区270之一位于管128与行李112之间的光束中(见图1)，而当管128生成低能光束时(即当节点A与装置接地线之间的电压为V2时)，较薄扇区272之一位于光束中。因此过滤器262从高能光束中除去一部分低能光子而从低能光束中除去很少低能光子，如果低能光束中尚有低能光子的话。从而过滤器262用来扩大管128生成的低能和高能光束的能级之间的差别。
在所示实施例中，过滤器262的转动(从而X射线光束的振荡)与行李扫描器(见图1-3)的转台124的转动同步，从而转台124每转动一圈X射线光束在高能级与低能级之间(波形的一个循环或周期)周期变动N次后回到高能级，其中，N为整数。在一优选实施例中，N为600，尽管N显然可变。可以看出，因此转台124每转动一圈就生成N个低能投影和N个高能投影。可使用常称为CT扫描器的“分度镜”这种公知装置控制电动机控制器280的工作从而控制电动机260的转速而实现转台124与过滤器262的同步。图5中用标号282表示的这样一种检测装置可见申请人为Bemard M.Gordon，Douglas Abraham，David Winson和Paul Wagoner、转让给本受让人、1995年7月11日授与的题为“测量具有多个间隔标记的转动装置的几何、位置和运动参数的装置和方法”的美国专利No.5,432,339。由于转台124为一较大较重的装置，因此很难确保转台124的转动频率不变。X射线光束的周期变动频率f1与转台124的转动的同步确保了转台124每转动一圈X射线光束始终以不变次数在两能级之间周期性地变动。从而确保转台124每转动一圈总能生成相同数量的高能投影和低能投影，即使转台124的转动频率在扫描时慢慢变动。由于转台124的转动频率一般不恒定而在一较小的范围内变动，因此光束134的变动频率f1相应地也不恒定而在一较小范围内变动。还应看到，也可使用传感器282的输出控制行李112通过扫描器的线速度，例如把该输出输入一控制该受电动机驱动的传送装置的电动机控制器(未示出)而使该传送装置的线速度与转台124的转速同步并同时达到最大值。
因此波形发生器186最好执行数项功能波形发生器186(1)控制X射线光束132在高能与低能之间的周期变动频率f1；(2)使光束在高能与低能之间变动的这一频率与转台124的转动同步；以及(3)使光束132在高能与低能之间周期变动的频率与过滤器262的转动同步。光束132的周期变动频率与转台124的转动的同步确保了转台124每转动一圈都生成相同数量的高能和低能投影。尽管本领域普通技术人员可看出，最好转台124每转动一圈生成相同数量的高能和低能投影，但在本发明其他实施例中，波形发生器186不必使光束132的周期变动频率与转台124的转动同步。电源200与X射线管128配合而生成在两能级之间周期变动的双能X射线光束，而转动过滤器262用来扩大照射到行李112上的光束的两能级之间的差别。但是，在本发明其他实施例中，可不用转动过滤器262。在另一些实施例中，可改变过滤器262的结构(例如增加或减少扇区数)而比方说增加或减少转台每转动一圈的高能和低能投影数。
图8和9示出图4和5所示实施例的另一优选实施例。在图8中，使用两个稳定的DC高压电源182A和182B把两个DC高压分别加到管128的阴极140和阳极144上，变压器电路184A把波形发生器186耦合到DC电源182A和182B上而在每一个电源与装置接地线之间生成一AC转换电压。在该实施例中DC电源182A和182B分别把-65kV和+65kV的电压加到阴极140和阳极144上，从而使阴极与阳极之间的总DC偏压为-130kV。在该实施例中，变压器电路只需分别向阴极和阳极提供-15kV和+15kV的调制电压即能在阴极与阳极之间获得所需的V1(-160kV)和V2(-100kV)而生成高能和低能光束。
图9详示出图8优选实施例。在图9中，阴极温度控制装置180和波形发生器186的作用同图5。DC高压电源182A和182B同图5所示电源182，只是它们分别在节点A’与B’之间的电容器212A和节点A”与B”之间的电容器212B上生成-65kV和+65kV的稳定的DC电压。因此，反馈放大器216B的变换和非变换输出的接线与反馈放大器216A所示相反，因为DC电源的极性相反。
变压器电路184A最好也如图所示改变。更确切说，使用两个变压器232A和232B，一变压器向阴极140提供调制电压，另一变压器向阳极提供调制电压。放大器230的输出同时输入并驱动变压器232A和232B的主边。变压器232A和232B的副边分别与电容器234A和234B连接而形成两个都与周期变动频率f1调谐的LC电路。若在阴极140与阳极144之间需要一在-160kV与-100kV之间调剌的电压，则需要在两节点B’与C’和两节点B”与C”之间有一在±15kV之间转换的AC调制信号。若放大器230的输出为+1kV，则变压器232A和232B的主边与副边的匝数比都只需为15∶1即能合适放大电压。此外，变压器232B的主边与变压器232A的主边相反，因此两AC信号的相位差为180°。可以看出，DC电源182A和182B在管128的阴极140与阳极144之间提供稳定的-130kV偏压，而生成在节点B’与C’之间和节点B”与C”之间的两AC信号提供±30kV的调制电压。与图5所示实施例一样，变压器电路184A与DC电源182A和182B的位置当然可以互换。
图5、7和9所示本发明的双能电源具有明显的优点。变压器184和184A的电压输出的功率比所需的总功率低。一般来说，调制较低功率较为容易。其次，变压器电路装在接地线处或靠近接地线，因此制造简化。变压器232、232A和232B所生成的装置把供应给X射线管的功率与该装置的包括波形发生器在内的其余部分隔离了开来。变压器对周期变动信号的时间响应比DC高压电源的高压整流器210、210A、210B好得多。变压器还可有效地为生成调制电压供电而消耗较少量的电力。
变压器132、232A、232B还提供了放大放大器230的输出的装置而可把放大器230设计成比方说使用常见FETs的低压功率放大器而无需使用一般使用在高压功率放大器中的功率管。
图10示出图1-9所示实施例的另一优选实施例。在该实施例中，DC高压电源182如前所述与管128的阴极140连接而把DC高压加到阴极上。但是，变压器电路184连接在阳极与装置接地线之间而把AC转换信号加到阳极上。变压器电路184把波形发生器186耦合到阳极上而在阳极与装置接地线之间生成一AC转换信号。在该实施例中，DC电源182在阴极140上提供-130kV的电压，而AC转换电压在+30kV与-30kV之间变动。从而分别形成所需的第一和第二电压-100kV和-160kV。
以上结合第三代CT扫描器说明了本发明，但本领域普通技术人员可以看出，本发明也可用于其他类型的X射线设备，例如第四代CT扫描器。此外，上述扫描器用于行李扫描器，但该装置也可用来大量扫描其他物品，例如包裹或邮件。
因此所提供的改进电源可以较高变动频率生成一在两不同高压之间变动的周期变动高压信号而特别用来以该频率以两不同的强度驱动一X射线源。该改进高压电源特别可用于一生成双能X射线光束的CT扫描器，从而用来提供一改进行李扫描器。该高压电源可以较低电力损耗或无电力损耗而提供一以较快的周期变动频率在两不同高压之间变动的高压输出。该行李扫描器包括使双能X射线光束的周期与龙门转台之类的转台的转动同步的部件。该扫描器包括把行李之类的物品传送过该CT扫描器的部件。
由于在本发明范围内可对上述装置作出改动，因此上述说明和附图所述和所示的所有内容应看成是例示性的而非限制性的。
权利要求
1.一种以预定频率以高压和低压向一包括一阴极和一阳极的X射线管交替供电的电源，其特征在于包括至少一向该X射线管提供一稳定的DC高压的DC高压电源；用来生成周期变动波形的装置，包括至少一波形发生器；以及耦合装置，包括一变压器，用于把该波形发生器耦合到所述DC高压电源上，从而使在该管的阴极与阳极间的总电压按照该波形发生器所生成的周期变动波形以该预定频率在该高压与低压之间周期性地变动。
2.按权利要求1所述的电源，其特征在于，所述波形发生器通过所述变压器耦合到该DC高压电源上，从而该变压器在该波形发生器与该DC高压电源之间形成DC隔离。
3.按权利要求2所述的电源，其特征在于，该耦合装置按照波形发生器生成的周期变动波形在变压器的在所述管的阴极与所述DC高压电源的稳定的DC高压输出之间的至少一输出上提供一周期变动电压，而所述DC高压电源在该变压器与装置接地线之间提供所述稳定的DC高压。
4.按权利要求2所述的电源，其特征在于，该耦合装置按照波形发生器生成的周期变动波形在变压器的在所述管的阳极与装置接地线之间的至少一输出上提供一周期变动电压，而所述DC高压电源在所述管的阴极与装置接地线之间提供所述稳定的DC高压。
5.按权利要求2所述的电源，其特征在于，所述DC高压电源在所述管的阴极与该变压器之间提供所述稳定的DC高压，而该耦合装置按照波形发生器生成的周期变动波形在变压器的在该DC高压与装置接地线之间的至少一输出上提供一周期变动电压。
6.按权利要求2所述的电源，其特征在于，所述耦合装置还包括一按照该波形发生器生成的周期变动波形生成一以该预定频率周期性变动的电压输出信号的低压功率放大器，而所述变压器包括放大该功率放大器的该电压输出信号的幅值的手段。
7.按权利要求6所述的电源，其特征在于，该变压器还包括至少一具有第一预定匝数的主边和至少一具有第二预定匝数的副边，该放大电压幅值的手段包括副边与主边的匝数比。
8.按权利要求2所述的电源，其特征在于，该变压器包括一与一电容器耦合的副边而构成一与该预定频率所确定的频率调谐的LC电路。
9.按权利要求1所述的电源，其特征在于，该波形发生器包括一以按照该预定频率而变的一频率生成一周期变动信号的信号发生装置。
10.按权利要求1所述的电源，其特征在于，该周期变动波形的频率随一转动物的角度位置而变。
11.按权利要求10所述的电源，其特征在于，该X射线管按照由所述电源加到该管上的高压和低压生成一高能和低能交替变动的X射线光束，该转动物为一在该光束中的转动过滤器。
12.按权利要求11所述的电源，其特征在于，该过滤器具有至少两种X射线吸收性较大和较小的扇区；这些扇区在该光束中交替转动；所述生成周期变动波形的装置还包括使所述过滤器的转动同步的装置，从而当X射线管由高压供电时吸收性较大的扇区位于光束中，而当X射线管由低压供电时吸收性较小的扇区位于光束中。
13.按权利要求1所述的电源，其特征在于还包括控制所述X射线管的阴极的温度的装置。
14.按权利要求1所述的电源，其特征在于还包括一第二DC高压电源，所述耦合装置进一步包括两个变压器，其中所述DC电源之一与所述变压器之一互相串联而与所述阴极连接，另一个所述DC电源与另一个所述变压器互相串联而与所述阳极连接。
15.按权利要求14所述的电源，其特征在于，两变压器的主边都与所述波形发生器连接。
16.一种CT装置，其特征在于包括一具有一阴极和一阳极的X射线管、一检测所述管发出的X射线的检测装置、至少使该管围绕一转动轴线转动的装置以及一以预定频率以高压和低压交替向该X射线管供电而使该管生成双能X射线光束的电源，该电源包括至少一向该X射线管提供一稳定的DC高压的DC高压电源；用来生成周期变动波形的装置，包括至少一波形发生器；以及耦合装置，包括一变压器，用于把该波形发生器耦合到所述DC高压电源上，从而使在该管的阴极与阳极间的总电压按照该波形发生器所生成的周期变动波形以该预定频率在该高压与低压之间周期性地变动。
17.按权利要求16所述的装置，其特征在于，所述波形发生器通过所述变压器耦合到该DC高压电源上，从而该变压器在该波形发生器与该DC高压电源之间形成DC隔离。
18.按权利要求17所述的装置，其特征在于，该耦合装置按照波形发生器生成的周期变动波形在变压器的在所述管的阴极与所述DC高压电源的稳定的DC高压输出之间的至少一输出上提供一周期变动电压，而所述DC高压电源在该变压器与装置接地线之间提供所述稳定的DC高压。
19.按权利要求17所述的装置，其特征在于，该耦合装置按照波形发生器生成的周期变动波形在变压器的在所述管的阳极与装置接地线之间的至少一输出上提供一周期变动电压，而所述DC高压电源在所述管的阴极与装置接地线之间提供所述稳定的DC高压。
20.按权利要求17所述的装置，其特征在于，所述DC高压电源在所述管的阴极与该变压器之间提供所述稳定的DC高压，而该耦合装置按照波形发生器生成的周期变动波形在变压器的在该DC高压与装置接地线之间的至少一输出上提供一周期变动电压。
21.按权利要求17所述的装置，其特征在于，所述耦合装置还包括一按照该波形发生器生成的周期变动波形生成一以该预定频率周期性变动的电压输出信号的低压功率放大器，而所述变压器包括放大该功率放大器的该电压输出信号的幅值的手段。
22.按权利要求21所述的装置，其特征在于，该变压器还包括至少一具有第一预定匝数的主边和至少一具有第二预定匝数的副边，该放大电压幅值的手段包括副边与主边的匝数比。
23.按权利要求17所述的装置，其特征在于，该变压器包括一与一电容器耦合的副边而构成一与该预定频率所确定的频率调谐的LC电路。
24.按权利要求16所述的装置，其特征在于，该波形发生器包括一以按照该预定频率而变的一频率生成一周期变动信号的信号发生装置。
25.按权利要求16所述的装置，其特征在于，该周期变动波形的频率随一转动物的角度位置而变。
26.按权利要求25所述的装置，其特征在于，该转动物为使至少该管围绕该转动轴线转动的装置。
27.按权利要求25所述的装置，其特征在于，该X射线管按照由所述电源加到该管上的高压和低压生成一高能和低能交替变动的X射线光束，该转动物为一在该光束中的转动过滤器。
28.按权利要求27所述的装置，其特征在于，该过滤器具有至少两种X射线吸收性较大和较小的扇区，其中这些扇区在该光束中交替转动，所述波形发生器还包括使所述过滤器的转动同步的装置，从而当X射线管由高压供电时吸收性较大的扇区位于光束中，而当X射线管由低压供电时吸收性较小的扇区位于光束中。
29.按权利要求27所述的装置，其特征在于，该转动过滤器的角度位置随使至少该管围绕转动轴线转动的该装置的角度位置而变。
30.按权利要求16所述的装置，其特征在于还包括控制所述X射线管的阴极的温度的装置。
31.按权利要求16所述的装置，其特征在于，该电源还包括一第二DC高压电源，所述耦合装置进一步包括两个变压器，其中所述DC电源之一与所述变压器之一互相串联而与所述阴极连接，另一个所述DC电源与另一个所述变压器互相串联而与所述阳极连接。
32.按权利要求31所述的装置，其特征在于，两变压器的主边都与所述波形发生器连接。
33.一种扫描物体的扫描装置，其特征在于包括一CT扫描器，该CT扫描器包括一具有一阴极和一阳极的X射线管、一检测所述管发出的X射线的检测装置、一连续把所述物体送过该扫描器的传送装置、至少使该管围绕一转动轴线而围绕被送过该扫描器的物体转动的装置以及一以预定频率以高压和低压交替向该X射线管供电而使该管生成双能X射线光束的电源，该电源包括至少一向该X射线管提供一稳定的DC高压的DC高压电源；用来生成周期变动波形的装置，包括至少一波形发生器；以及耦合装置，包括一变压器，用于把该波形发生器耦合到所述DC高压电源上，从而使在该管的阴极与阳极间的总电压按照该波形发生器所生成的周期变动波形以该预定频率在该高压与低压之间周期性地变动。
34.按权利要求33所述的装置，其特征在于，所述波形发生器通过所述变压器耦合到该DC高压电源上，从而该变压器在该波形发生器与该DC高压电源之间形成DC隔离。
35.按权利要求34所述的装置，其特征在于，该耦合装置按照波形发生器生成的周期变动波形在变压器的在所述管的阴极与所述DC高压电源的稳定的DC电压输出之间的至少一输出上提供一周期变动电压，而所述DC高压电源在该变压器与装置接地线之间提供所述稳定的DC高压。
36.按权利要求34所述的电源，其特征在于，该耦合装置按照波形发生器生成的周期变动波形在变压器的在所述管的阳极与装置接地线之间的至少一输出上提供一周期变动电压，而所述DC高压电源在所述管的阴极与装置接地线之间提供所述稳定的DC高压。
37.按权利要求34所述的装置，其特征在于，所述DC高压电源在所述管的阴极与该变压器之间提供所述稳定的DC高压，而该耦合装置按照波形发生器生成的周期变动波形在变压器的在该DC高压与装置接地线之间的至少一输出上提供一周期变动电压。
38.按权利要求34所述的装置，其特征在于，所述耦合装置还包括一按照该波形发生器生成的周期变动波形生成一以该预定频率周期性变动的电压输出信号的低压功率放大器，而所述变压器包括放大该功率放大器的该电压输出信号的幅值的手段。
39.按权利要求38所述的装置，其特征在于，该变压器还包括至少一具有第一预定匝数的主边和至少一具有第二预定匝数的副边，该放大电压幅值的手段包括副边与主边的匝数比。
40.按权利要求34所述的装置，其特征在于，该变压器包括一与一电容器耦合的副边而构成一与该预定频率所确定的频率调谐的LC电路。
41.按权利要求33所述的装置，其特征在于，该波形发生器包括一以按照该预定频率而变的一频率生成一周期变动信号的信号发生装置。
42.按权利要求33所述的电源，其特征在于，该周期变动波形的频率随一转动物的角度位置而变。
43.按权利要求42所述的装置，其特征在于，该转动物为使至少该管围绕该转动轴线转动的装置。
44.按权利要求42所述的装置，其特征在于，该X射线管按照由所述电源加到该管上的高压和低压生成一高能和低能交替变动的X射线光束，该转动物为一在该光束中的转动过滤器。
45.按权利要求44所述的装置，其特征在于，该过滤器具有至少两种X射线吸收性较大和较小的扇区；这些扇区在该光束中交替转动；所述调制器装置还包括使所述过滤器的转动同步的装置，从而当X射线管由高压供电时吸收性较大的扇区位于光束中，而当X射线管由低压供电时吸收性较小的扇区位于光束中。
46.按权利要求44所述的装置，其特征在于，该转动过滤器的角度位置随使至少该管围绕转动轴线转动的该装置的角度位置而变。
47.按权利要求33所述的装置，其特征在于还包括控制所述X射线管的阴极的温度的装置。
48.按权利要求33所述的装置，其特征在于，该电源还包括一第二DC高压电源，所述耦合装置进一步包括两个变压器；所述DC电源之一与所述变压器之一互相串联而与所述阴极连接，另一个所述DC电源与另一个所述变压器互相串联而与所述阳极连接。
49.按权利要求48所述的装置，其特征在于，两变压器的主边都与所述波形发生器连接。
全文摘要
该双能行李扫描组件包括一CT扫描装置,一传送装置和一向CT扫描器的X射线源供电而生成双能光束的改进电源。该改进电源包括:至少一向该X射线管提供一稳定的DC高压的DC高压电源;用来生成周期变动波形的装置,包括一波形发生器;和耦合装置,包括一变压器,从而把该波形发生器耦合到所述DC高压电源上,从而使在该管的阴极与阳极上的总电压按照该形发生器所生成的周期变动波形以预定频率在该高压与低压之间周期性地变动。
文档编号H05G1/32GK1173637SQ97111850
公开日1998年2月18日 申请日期1997年6月24日 优先权日1996年6月27日
发明者伯纳德·M·戈登, 汉斯·威登, 约瑟夫·伊兹雷利特, 蒂莫西·R·福克斯, 约翰·F·穆尔 申请人:模拟公司