X射线高压高频脉冲发生器以及X射线设备的制作方法

x射线高压高频脉冲发生器以及x射线设备
技术领域
1.本发明涉及x射线设备技术领域，尤其涉及一种x射线高压高频脉冲发生器以及x射线设备。


背景技术：

2.x射线作为一种电磁波，具有频率极高、波长极短、能量大、穿透性强等特点，它在诸如医学诊断、疾病治疗、材料结构分析、材料无损检测、光谱或影像分析等方面具有广泛应用。为了产生x射线，通常是在高电压的条件下，提供电子撞击金属靶并且在此过程中使电子突然减速而造成动能损失，这些损失能量将以光子形式释放而形成x射线。
3.在目前已知的方案中，一般是使用x射线真空发生器向灯丝提供阳极高压，并且为了满足高压绝缘的要求，通常需要将阳极高压部分置于高压绝缘油中，然后利用灯丝在高压下经加热后产生的电子用来撞击金属靶，从而生成x射线。采用此类技术方案，不仅会致使体积可观且重量大，并且功耗高，而且由于发射电子束散射多，影响需要设置较多的防护屏蔽装置，因此导致难以在整体上令人满意地解决涉及设备成本、体积、重量、功耗和性能等诸多方面问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了x射线高压高频脉冲发生器以及x射线设备，从而解决或者至少缓解了现有技术中存在的上述问题和其他方面的问题中的一个或多个，或者为现有技术提供可替换的技术方案。
5.根据本发明的一个方面，首先提供了一种x射线高压高频脉冲发生器，其用于将输入电源转换成高压提供给x射线源，所述x射线高压高频脉冲发生器包括：电源部，其布置于绝缘壳体内并且与输入电源相连，所述电源部包括第一单元、第二单元和第三单元用于基于所述输入电源分别输出第一高压、第二高压和第三高压提供给x射线源的阳极部、阴极部和聚焦部，其中所述第一高压范围为40kv至120kv，所述第二高压范围为-0.5kv至-2.5kv，所述第三高压范围为0.1kvdc至5kvdc；以及控制部，其与所述电源部相连，并设置成控制所述电源部以输出所述第一高压、所述第二高压和所述第三高压。
6.在根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器中，可选地，所述第一单元包括充电模块和第一处理模块，所述充电模块与所述输入电源和所述控制部相连，用于基于所述输入电源存储电能，所述第一处理模块与所述充电模块和所述控制部相连，用于将所述充电模块存储的电能升压并整流后输出所述第一高压，其中所述充电模块包括一个或多个电容、用于对所述电容进行充电操作的反激式转换器和llc全桥谐振电路，所述第一处理模块包括升压变压器。
7.在根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器中，可选地，所述电容被充电至425vdc+5vdc且电容量不小于80000uf，并且所述电容的工作电压不低于450v。
8.在根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器中，可选地，所述第二单元包括逆变模块和第二处理模块，所述逆变模块与所述输入电源和所述控制部相连，用于基于所述输入电源处理生成中间高压，所述第二处理模块与所述逆变模块和所述控制部相连，用于将所述中间高压升压并整流后输出所述第二高压，其中所述逆变模块包括llc半桥谐振电路，所述第二处理模块包括升压变压器。
9.在根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器中，可选地，所述第三单元包括逆变模块和第三处理模块，所述逆变模块与所述输入电源和所述控制部相连，用于基于所述输入电源处理生成中间高压，所述第三处理模块与所述逆变模块和所述控制部相连，用于将所述中间高压升压并整流后输出所述第三高压，其中所述逆变模块包括buck变换器，所述第一处理模块包括升压变压器。
10.在根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器中，可选地，所述第一单元和/或所述第二单元和/或所述第三单元包括滤波模块，其设置成用于对从所述输入电源接收到的电压信号进行滤波处理；并且/或者，所述第一处理模块和/或所述第二处理模块和/或所述第三处理模块包括至少两个倍压器，所述倍压器经串联布置用于对输入的电压进行升压处理。
11.在根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器中，可选地，所述控制部设置成执行以下一种或多种操作：向所述第一单元和所述第二单元提供门控驱动控制脉冲，用以控制所述第一单元和所述第二单元分别生成所述第一高压和所述第二高压；向所述第三单元提供pwm驱动控制脉冲，用以控制所述第三单元各自生成所述第三高压；向所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元提供各自的电压参考信号和电压需求并且调整开关频率；接收来自于所述第一单元和/或所述第二单元和/或所述第三单元的与电压相关的反馈信号，并在根据反馈信号确定存在过压时进行保护处理；接收来自于所述第一单元和/或所述第二单元和/或所述第三单元的与电流相关的反馈信号，并在根据反馈信号确定存在过流时进行保护处理；接收来自于所述第一单元和/或所述第二单元和/或所述第三单元的与电弧相关的反馈信号，并在根据反馈信号确定已超过预设的电弧阈值时进行保护处理；对所述第一单元和/或所述第二单元和/或所述第三单元进行温度检测，并在检测到的温度超过预设的温度阈值时进行保护处理；计算由所述第一高压输入至所述阳极部产生的电流所形成的电荷量，并在所述电荷量达到预设的照射剂量阈值时停止所述第一单元对所述阳极部输出所述第一高压。
12.在根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器中，可选地，所述绝缘壳体的内部填充具有预设压力的气体，用于使得所述电源部中的第一单元与外部形成绝缘；并且/或者，所述输入电源为电池组，其输出电压范围为62vdc至76vdc；并且/或者，所述x射线源为冷阴极x射线源，所述冷阴极x射线源的阴极部具有单束碳纳米管或者碳纳米管阵列。
13.在根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器中，可选地，所述绝缘壳体上设置有用于观察所述壳体内部的观察部，并且/或者所述预设压力为6-10个大气压，并且/或者所述
气体是惰性气体，所述惰性气体包括氮气。
14.其次，根据本发明的另一方面，进一步提供了一种x射线设备，所述x射线设备包括：x射线源；以及如以上任一项所述的x射线高压高频脉冲发生器，其设置成用于为所述x射线源的阳极部、阴极部和聚焦部分别提供所述第一高压、所述第二高压和所述第三高压。
15.本发明可以显著减小现有的x射线高压高频脉冲发生器和x射线设备的体积、重量及功耗，并且能够减少设备复杂度，大幅降低设备故障率，从而有效提升设备工作性能。采用本发明能够有利地促进实现x射线设备小型化，提升产品的移动性和便携性，从而扩大它们的应用范围。本发明特别适用于例如便携式医疗诊断x射线设备等。
附图说明
16.以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图只是出于解释目的而设计的，仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
17.图1是示出了一个根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器实施例的构成及工作原理示意图。
18.图2是图1所示x射线高压高频脉冲发生器实施例中电源部的第一单元的架构示意图，其中同时示出了控制部和x射线源的阳极部。
19.图3是图1所示x射线高压高频脉冲发生器实施例中电源部的第二单元的架构示意图，其中同时示出了控制部和x射线源的阴极部。
20.图4是图1所示x射线高压高频脉冲发生器实施例中电源部的第三单元的架构示意图，其中同时示出了控制部和x射线源的聚焦部。
21.图5至图7分别从三个不同视角示意性地示出了一个根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器实施例中用于第一单元的绝缘壳体的立体结构以及布置于其中的若干零部件。
具体实施方式
22.首先，需要说明的是，以下将以示例方式来说明根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器以及x射线设备的结构组成、特点以及优点等，然而所有的描述不应用于对本发明形成任何的限制。在本文中，技术用语“连接（或相连等）”涵盖了部分直接地和/或间地接连接至另一部分，技术术语“前”、“后”、“内”、“外”、“上”、“下”及其派生词等应联系附图中的定向，除非明确指出以外，本发明可以采取多种替代定向。
23.此外，对于在本文所提及的实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，本发明仍然允许在这些技术特征（或其等同物）之间继续进行任意组合或者删减而不存在任何的技术障碍，由此获得可能没有在本文中直接提及的本发明的更多其它实施例。另外，在本文中不再赘述已经被本领域技术人员公知的一般事项。
24.在图1中以框图示意方式大致给出了一种根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器实施例的构成情况，下面就先结合这个示例来说明其基本工作原理。
25.如图1所示，该x射线高压高频脉冲发生器包括电源部10和控制部14，并通过这两个部分的协同工作将输入电源20转换成相应的高压分别提供给x射线源30中的阳极部31、阴极部32和聚焦部33，从而在高压能量的作用下促使x射线源30生成所需要的x射线。对于x射线源30，它可使用诸如冷阴极x射线源等多种形式来实现，比如应用配置有碳纳米管的冷阴极x射线源等，上述碳纳米管可以按需采用单束或阵列布置方式。输入电源20通常可以采用低压低电流工作方式，例如可使用诸如铅酸蓄电池、锂电池等任何可行形式的电池组为整个高压高频脉冲发生器提供外部电源供电。作为可选情形，可以将输入电源20的工作电压设置在例如62vdc-76vdc等符合实际应用需要的合适范围内。
26.在x射线高压高频脉冲发生器中，电源部10接收来自于输入电源20的电能，在图1中已使用虚线框对于电源部10的整体功能实现进行了概括性标示。根据具体功能实现，电源部10可以包括彼此相对独立的三个部分，即第一单元11、第二单元12和第三单元13，这些单元都与控制部14相连并设置成分别基于输入电源20各自输出第一高压110、第二高压120和第三高压130，以上三种高压能量可分别输送给x射线源30的阳极部31、阴极部32和聚焦部33，使得该x射线源工作运行并产生所需要的x射线，例如形成具有特定的光子谱（kvp）、照射剂量（mas）和焦斑大小（fss）等特性的x射线，以便充分满足各种不同的应用需求。
27.结合参考图1和图2，电源部10中的第一单元11与输入电源20和控制部14相连并工作输出第一高压110，例如可将其电压范围选择设置成40kv-120kv或其他的适宜数值范围。第一高压110是高频脉冲电压，并且可设置成可调电压。第一高压110用于提供给x射线源30中的阳极部31，该阳极部31通常包括阳极件和靶件，靶件通常可采用钨材料等合适材料制成并且可通过例如激光焊接等连接方式固定到阳极件上，在射线源30中阴极部32通电并发射出电子束后，这些电子束可以穿过栅极，然后轰击到上述靶件上并生成x射线。
28.作为可选情形，第一单元11可以包括充电模块和第一处理模块，可以通过前者在控制部14的控制下从输入电源20接收并存储电能，然后再提供给第一处理模块进行例如升压、整流等处理，以便生成第一高压110。
29.例如，充电模块可以具有一个或多个电容（未示出）、电容充电器（未示出）和llc全桥谐振电路111。上述电容的具体类型、数量等方面允许根据应用情形进行选择设置，例如可以可选地采用诸如工作电压不低于450v、高能量超过800uf和/或单个储能模块超过1000j等的电容产品。电容充电器可采用反激式转换器等装置用来对电容进行充电操作，例如将电容可选地充电到425vdc+5vdc且电容量达到80000uf或更高。第一处理模块与充电模块和控制部14相连，用于将充电模块所存储的电能进行升压和整流后输出第一高压110，该第一处理模块可采用诸如升压变压器112来实现。在以上过程中，llc全桥谐振电路111提供了谐振的方式，可以实现功率开关元件的软切换，通过改变开关的频率来改变变压器的增益，从而能够显著提升以上转换效率。此外，如图2所示，在llc全桥谐振电路111的控制过程中，通过引入电流环闭环控制的方式，可以更加及时准确地反应出输入电压的变化情况，促进形成在输出电流变动时恢复稳态电压的快速响应能力等。
30.继续参考图3，电源部10中的第二单元12可以包括逆变模块和第二处理模块。可以将该逆变模块与输入电源20和控制部14进行连接，以便用来基于输入电源20处理生成一个合适的中间高压（具体电压值可按需选择设置），然后提供给第二处理模块随后进行处理来产生第二高压120，该第二处理模块可以可选地采用例如升压变压器122来实现。
31.第二高压120也是高频脉冲电压，例如可将其按需选择设置在诸如-0.5kv至-2.5kv或任何其他的合适范围内，并且可设置成可调电压。x射线源30中的阴极部32可在该第二高压下通电工作，然后发射出电子束用来轰击阳极部31生成x射线。对于逆变模块，作为示范性说明，它可以采用llc半桥谐振电路，这在图3示例中已使用附图标记121进行了标示。与上述的llc全桥谐振电路111相类似，由于llc半桥谐振电路在控制过程中采用了诸如谐振方式、电流环闭环控制方式等，因此能有效提高电压升压转换效率、增强调整响应能力等。
32.在图4中示范性地展示了电源部10中的第三单元13的一种具体应用情形。该第三单元13可以包括逆变模块和第三处理模块，可以将该逆变模块与输入电源20和控制部14进行连接，以便用来基于输入电源20处理生成一个合适的中间高压（具体电压值可按需选择设置），然后提供给第三处理模块随后进行处理来产生第三高压130。作为举例说明，上述逆变模块可以包括buck变换器131，第三处理模块可以采用例如升压变压器132来实现。在逆变模块的控制过程中，同样可以可选地使用电流环闭环控制方式等，由此能够在诸如电压升压转换效率、系统调整响应能力等方面获得改进的更佳性能。
33.在图4示例中，第三高压130是作为直流稳压电源提供给x射线源30中的聚焦部33，它可以按需选择设置在诸如0.1kvdc-5kvdc或任何其他的合适范围内，并且可以设置成可调电压。聚焦部33在第三高压130下工作并对从阴极部32发射出的电子束进行聚集作用，使得原先穿过栅极后可能形成产生一定发散的电子束经过聚焦处理之后再集中能量轰击阳极部31，从而促进更佳地生成x射线。
34.不用于现有技术普遍采用双电源工作方式，即只考虑对x射线源中的阳极部和阴极部二者提供对应高压，在本发明方案中额外增加了第三单元用来生成第三电压并专门提供给x射线源中的聚焦部，通过聚焦部可以控制电子束的焦点大小，从而促使阴极部发射出的电子束能够聚焦得更小，成像更加清晰，有利于减小阴极部的电子束发射量，进而减少屏蔽防护装置，降低设备体积、功耗和复杂程度等，大幅降低设备故障率和使用成本。
35.以上详细介绍了电源部10以及其中的第一单元11、第二单元12和第三单元13的设置情况，然而这些描述都是示范性的而不应构成对于本发明方案的任何限制，即根据本发明允许提供更多可能的实施方式。
36.例如，作为可选情形，可以在第一单元11、第二单元12和第三单元13当中任何一个或多个中设置滤波模块，以便用来对从输入电源20输入的电压信号进行滤波处理，从而消除或减少可能对后续处理带来不利影响、甚至干扰的不期望信号，这在图2、图3和图4中已经分别使用附图标记113、123和133对此类可选的滤波模块进行了示例性标示。
37.此外，作为举例说明，对于第一处理模块、第二处理模块和/或第三处理模块，可以在其中设置两个或更多个倍压器，通过将这些倍压器串联连接在一起用来输入的电压进行升压处理。采用这种模块化设计不仅有利于快速构建系统，并且在采购、维护和更换等方面也具有优势。
38.结合参考图1至图4，控制部14作为x射线高压高频脉冲发生器中的主控部件，它可以根据应用需求情况设置成具有合适的功能，比如在整个系统中负责调控能量分布、储存和释放电能、控制生成各高压并输送给x射线源30的相应部分等。
39.在本发明方案中，控制部14被允许采用任何可行的元器件、芯片模块或装置等来
实现，例如它可使用具有微控制器、内置闪存等电子器件的主板单片机，通过与电源部10一起配合协作来产生第一高压110、第二高压120和第三高压130。
40.举例而言，例如单独地或者结合图2至图4示例，可以将控制部14设置成执行以下列出的任意一种或多种操作：向第一单元11和第二单元12提供门控驱动控制脉冲，用以控制第一单元11和第二单元12各自生成相应的第一高压110和第二高压120，这在图2和图3中进行了示范性显示；向第三单元13提供pwm驱动控制脉冲，用以控制第三单元13生成第三高压130，这在图4中进行了示范性显示；向第一单元11、第二单元12和第三单元13提供各自的电压参考信号和电压需求并且调整开关频率，通过控制比较以上这些电压的当前输出信号和相对应的电压参考信号并进行变更工作频率操作，可以促使电源部11更加稳定运作，并且快速且准确地完成调整响应；接收来自于第一单元11和/或第二单元12和/或第三单元13的与电压相关的反馈信号，并在根据反馈信号确定存在过压时进行保护处理，例如此时可进行断电操作来进行保护；接收来自于第一单元11和/或第二单元12和/或第三单元13的与电流相关的反馈信号，并在根据反馈信号确定存在过流时进行保护处理，例如此时可进行断电操作来进行保护；接收来自于第一单元11和/或第二单元12和/或第三单元13的与电弧相关的反馈信号，并在根据反馈信号确定已超过预设的电弧阈值时进行保护处理，例如此时可进行断电操作来进行保护；对第一单元11和/或第二单元12和/或第三单元13进行温度检测，这通过例如设置温度传感器来实现，并且在检测到的温度超过预设的温度阈值时进行保护处理，例如此时可进行断电操作来进行保护；计算由第一高压输入至阳极部31产生的电流所形成的电荷量，并在电荷量达到预设的照射剂量阈值时，停止第一单元11向x射线源30的阳极部31输出第一高压110，这对于例如在使用x射线进行医疗诊断时安全控制x射线的光谱和照射剂量符合特定要求是非常有利的。
41.继续参考图5、图6和图7，由电源部10中的第一单元11处理并输出的第一高压110相当高，根据本发明方案可以将该第一高压110可选地布置在x射线高压高频脉冲发生器的绝缘壳体15的内部。为了简化图面起见，在图5至图7中仅示例性地展示出了作为一种示例的第一单元11中的升压变压器112而省略了其他部分，由第一单元11产生的第一高压110可通过设置在绝缘壳体16上的高压接口17与外部导电器件（如电缆等）进行电连接并输出。在绝缘壳体15的内部腔体16中，可以填充具有预设压力（例如6-10个大气压等）的气体，使得电源部10的第一单元11与外部保持绝缘。此类气体可以采用惰性气体等任何合适气体，例如基于经济性等方面考虑可选择使用容易获得的氮气。此外，为了便于观测绝缘壳体16内部情况，可以在绝缘壳体15上设置可供从外部进行可视化查看的观察部18，比如将其构造成孔洞等结构贯穿绝缘壳体16的内外壁，然后安装诸如玻璃等透明器件来封闭上述结构并避免气体泄露。
42.与本发明相对比，现有的x射线高压高频脉冲发生器产品为了满足高压绝缘要求，通常是将高压发射部分布置到具有高压绝缘油的油箱中，然而采用此种方式会带来诸如设备体积大、重量大、成本高、不利于便携移动使用等问题。不同于这些现有产品，本发明方案创新性地提出采用气体绝缘方式取代早已被业界惯用的传统绝缘油方式，如此能够极大地减轻设备体积和重量，促进实现整体结构小型化和紧凑性，显著改进x射线高压高频脉冲发生器设备的移动性和便携性等突出效果。例如，目前主流的高压发生器通常重量会超过20公斤，并且常常会超过50公斤，因此不能实现便携移动，然而应用本发明方案，通过如上所述的改变高压绝缘方式，能够取代传统绝缘油和油箱方式来大幅减小设备体积，显著减轻整体重量，从而促进x射线高压高频脉冲发生器更广泛地投入使用。
43.本发明还提供了一种x射线设备。在根据本发明的x射线设备中，可以包括x射线源，以及根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器用来为该x射线源中的阳极部、阴极部和聚焦部分别提供第一高压、第二高压和第三高压，从而可以实现例如在前文中已经详细讨论的本发明明显优于现有技术的突出优势和积极效果，例如使得设备具有高效率性、高稳定性、高可靠性和节能环保等特点。
44.应当理解，由本发明提供的x射线设备可以包括但不限于例如用于医学诊断、疾病治疗、材料结构分析、材料无损检测、光谱分析、影像分析等诸多领域中的各种类型的设备，特别是一些具有诸如便携移动性要求的x射线设备，例如便携式医疗诊断x射线设备等。另外，该x射线设备中的x射线源可以考虑使用例如基于碳纳米管的冷阴极x射线源，或者使用其他合适类型的x射线源，本发明对此不做出任何限制，只要能够符合特定应用要求即可。
45.以上仅以举例方式来详细阐明根据本发明的x射线高压高频脉冲发生器以及x射线设备，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员还可以做出各种变形和改进。因此，所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。