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装置
高压发
生装置
X线管
装置
机械装置与辅助装置
电源X线
图2-1X线机构成方框图
固定阳极X线管是诊断用X线管中最简单的一种,如图3-1所示,其结构主要由阳极、阴极和玻璃壳三部分组成。
阳极的主要作用是阻挡高速运动的电子流而产生X线,同时将曝光时产生的热量辐射或传导出去;其次是吸收二次电子和散乱射线。
阳极帽它又称阳极罩或反跳罩,由含钨粉的无氧铜制成,依靠螺纹固定到阳极头上,其主要作用是吸收二次电子和散乱射线。阳极帽上有两个圆口:头部圆口面对阴极,是高速运动的电子流轰击靶面的通道;侧下部圆口向外,是X线的辐射通道,有的X线管在此圆口处加上了一层金属铍片,以吸收软X线,降低病***肤剂量。
阳极帽罩在靶面的四周,与阳极同电位,故它可以吸收50%~60%的二次电子,并可吸收一部分散乱X线,从而保护X线管和提高影像质量。
一般情况下,灯丝点燃时间越长,工作温度越高,钨的蒸发越快,灯丝寿命越短。
固定阳极X线管的主要缺点是:焦点尺寸大、瞬时负载功率小。
旋转阳极X线管的最大优点是瞬时负载功率大、焦点小。
软X线管具有以下特点:①X线输出窗的固有过滤小;②在低管电压时能产生较大的管电流;③焦点小。
阳极特性曲线是在一定的灯丝加热电流下,管电压(Ua)与管电流(Ia)之间的关系。
灯丝发射特性曲线是在一定的管电压下,管电流(Ia)与灯丝加热电流(If)的关系。
增大容量的途径,通常有五个:①增大焦点面积;②减小靶面倾角;③增加阳极转速;④增大焦点轨道半径;⑤减小管电压波形的纹波系数。
旋转阳极X线管的标称功率是指在三相全波整流电路中,。例如,XD51-20·40/125型旋转阳极X线管的标称功率为:小焦点(×)20kW,大焦点(×)40kW。
高压发生装置是X线机主机系统的重要组成部分,其作用是:①把自耦变压器输入的交流电压升高数百倍,再经整流,为X线管提供产生X线所需的直流高压(kV);②把X线管灯丝初级电路输入的交流电压降低,为X线管灯丝提供加热电压;③如配有两只以上X线管,还要完成kV和灯丝加热电压的切换。
高压发生装置由高压变压器、X线管灯丝变压器、高压整流器、高压交换闸、高压插头和插座等高压元器件构成,按要求组装后置于方形或圆形钢板制成的箱体内。
高压变压器次级中心点接地:采用两个次级绕组同相串联,中心点接地的方式。
高压变压器设计容量小于最高输出容量
高压次级中心点接地后可获得与大地相同的零电位,因此次级两根输出线的任何一根对中心点的电压,等于两根输出线间电压的一半,如图4-3所示。如果高压变压器次级输出的电压为100kV,中心点接地后,每根次级输出线对中心点(地)的电位差都是50kV,这就将构成高压变压器的各种材料的耐压要求从100kV降到50kV。另外,由于次级中心点电位为零,可以把mA表串接在次级中心点处,安装在控制台上,使控制台免受高压威胁,从而保证操作人员的安全。
次级绕组电位很高:灯丝变压器次级绕组的一端与高压变压器次级绕组的一端相连,当高压变压器工作时,灯丝变压器次级绕组电位很高,这就要求初、次级间具有良好的绝缘,绝缘强度不能低于高压变压器最高输出电压的一半。
高压变压器次级输出的交流高压,如果直接加到X线管两端,正半周时,阴极发射的电子能飞向阳极,产生X线。负半周时,阳极比阴极电位低,阴极发射的电子飞不到阳极,X线管不辐射X线。这种利用X线管本身的整流作用整流的X线机称为自整流X线机。
大、中型X线机的高压发生装置和X线管是分开组装的,两者之间通过两根特制的电缆线连接在一起,即高压电缆。它的作用是将高压发生装置产生的高压输送到X线管的两端,同时把灯丝加热电压输送到X线管的阴极。
高压电缆既要有一定的截面积,以达到一定的耐压强度,传输高压;又要尽可能减小截面积,以使其轻便柔软,以适应X线管头经常移动和电缆弯曲的需要。
高压电缆自内向外,依次是:
变压器油又称为绝缘油,是碳氢化合物,属矿物绝缘油。是高压发生装置和X线管管套内的绝缘和散热物质。
变压器油耐压试验。变压器油一般应达到30kV。小型组合机头和X线管管套内用的变压器油要求更高,应达到40kV。
目前,X线机所使用的X线管为固定阳极或旋转阳极热电子真空管。尽管X线机电路结构不同,但都必须满足X线管产生X线的下列基本要求。
,以改变X线管灯丝的加热温度,达到控制X线量的目的。
,使X线管灯丝发射的电子以高速撞击阳极而产生X线,达到控制X线质的目的。
,以准确控制X线的发生时间。
二、基本电路
上述电路是最简单的X线机电路,带有示意性质,而实际使用的X线机,其整机电路结构要复杂得多,一般应由下列单元构成。
。该电路一般由电源闸刀、电源线、电源保险丝、机器通断按钮和接触器等元件构成。为了便于对输入电压进行观察和调节,还设有电源电压表及电源电压调节器。有的还设有输入电压选择器、电源自动补偿装置等。
。该电路又分为灯丝变压器初级电路(简称为灯丝初级电路,也称为mA调节电路)和灯丝变压器次级电路(也称为灯丝次级电路)两部分。灯丝初级电路,是指由自耦变压器输出线圈至灯丝变压器初级线圈所构成的回路。在小型(50mA以下)X线机中,该电路主要由mA调节电阻和灯丝变压器构成。在中型(100mA以上、400mA以下)、大型(500mA以上)的X
线机中,还设有稳压电路,冷压保护电路和空间电荷补偿电路等。
。通常又分为高压变压器初级电路(简称为高压初级电路,也称为管电压调节电路)和高压变压器次级电路(简称为高压次级电路)两部分。高压初级电路,是指由自耦变压器输出端至高压变压器初级线圈所构成的回路。该部分电路主要由kV调节器、kV指示仪表、接触器触点或晶闸管、熄弧装置和管电压补偿电路构成。高压次级电路,是指由高压变压器次级线圈至X线管两极所构成的回路。该部分电路在小型机器中,只有测定管电流的mA表和安全保护装置;在大中型X线机中,还设有将交流高压变为直流高压的各种不同形式的整流电路,以及用来指示mA值的mA测量电路和交换X线管的高压交换闸等。
,以及与此相关的各种电路所构成的系统。这是X线电路中所用元件最多、结构最复杂的一部分,除有脚闸、手开关、各种继电器或接触器和限时电路等基本元件与电路外,还按X线机的功能不同而设有点片摄影、滤线器摄影、体层摄影等控制电路,以及台次交换、旋转阳极启动、延时、保护和容量保护等电路。
。由于应用设备有多有少,结构也不相同,因此其电路也不一致。通常多指电动诊视床电路、X线管支持装置电路,以及大型X线机所配的影像增强器、X-TV、快速换片机、高压注射器等组件的电路。
把上述五个单元的电路有机地组合在一起,就构成了一台X线机的完整电路。它们之间既因其作用不同而有各自的独立性,又因其内在联系而有相互制约性,任一单元发生故障,都将影响X线机的正常工作。各单元电路的相互关系如图5-1所示。
电源电路
控制电路
灯丝加热
电路
各种应用
设备电路
高压发生电路
X线管
四、电源电压自动调整电路
为了进一步减小高压发生器整流输出kV的脉动率,提高X线辐射强度,50kW的大功率X线机趋向于采用三相自耦变压器供电且电源电压自动调整。
图5-5和图5-6分别为XHDl50B-10型X线机电源电压自动调整电路的构成方框图和电路图。
整流电路
差分放大电路
升压驱动继电器
降压驱动继电器
升压驱动装置
降压驱动装置
自耦变压器
电源电压
信号L1L2L3
基准信号LSV
图5-5电源电压自动调整电路的构成方框图
如图5-6(1)所示,取样信号(表示电源电压高低的信号)由三相自耦变压器的辅助线圈L1、L2、L3取得,经整流滤波再由R8-0l调节后加至运算放大器M1-02的②脚(如自耦变压器的输出电压符合机组要求,则此电位为-10V),Ml-02的③脚施加固定的基准电位LSV(约-10V)。Ml-02是差分放大器,当电源电压低(或高)时,LPV端电位绝对值低于(或高于)LSV基准电位,则Ml-02输出为负(或正)电压信号,晶体管Ql-02(或Q2-02)导通,继电器K-LU(或K-LL)工作;使双向晶闸管D2-04(或D2-03)触发导通,伺服电机得电正转(或反转)、带动碳轮在自耦变压器端面上滑行直至LPV=LSV,使自耦变压器的输出电压符合机组设计的额定值。此时Ml-02无输出,电机停转。
图5-6(2)中LL、LU是两个电压限位开关。
二、使用单结晶体管和晶闸管的简单限时电路
如图5-46所示,限时电路工作原理如下:当S1闭合,Ry1得电,导致Ry3得电,X线曝光开始,因为此时单结晶体管UJT、晶闸管SCR尚未导通,所以Ry2不工作。曝光开始的同时,电容C1通过Rx充电,当C1两端电压达到UJT的峰点电压时,UJT立即导通,并在R1
上产生脉冲电压,经R2、D1耦合到SCR的控制极,触发SCR导通,Ry2得电,切断Ry3得电回路,曝光停止。曝光时间决定于Rx与C1的乘积,适当选择Rx的值,便可选取所需的曝光时间。图中二极管D1为防止晶闸管误触发,二极管D2为续流二极管,防止晶闸管在导通或切断时SCR两端产生异常电压。
图5-46使用单结晶体管和晶闸管的简单限时电路
三、使用单结晶体管和三端双向晶闸管的限时电路
如图5-47所示,限时电路原理简述如下:当电源接通后,在电源变压器次级产生35V交流电压,经硅堆D1全波桥式整流获得脉动直流电,通过二极管D2经C1滤波,再经R3、ZD1削波后获得稳定的直流电。经硅堆D1全波桥式整流,获得的脉动直流电,通过R1及R2构成的分压器分压后送给晶体管Tr1的基极,使Tr1的集电极上产生和交流电源零相位一致的脉冲(图5-48)。当曝光手开关一闭合,晶闸管SCR1的阳极便加上了直流电压,再在交流电源过零时,晶体管Tr1集电极输出的窄脉冲使晶闸管SCR1触发导通,直流电源经SCR1通过R6给电容C4充电,当C4两端电压达到两端交流开关(DIAC)的反转电压时,两端交流开关导通,给C5充电,C5两端电压为双向晶闸管SCR3控制极提供触发信号使其导通,曝光开始。C4通过两端交流开关对C5放电后,其两端电压下降导致DIAC截止,C4将再次充电,如此便形成振荡,产生大约2kHZ的振荡电压。这个振荡电压输送到三端双向晶闸管SCR3的控制极,使SCR3连续导通,X线持续产生。曝光开始的同时,SCR1输出的直流电通过R5、限时电阻群Rx给C3充电,当C3两端电压达到单结晶体管Tr2峰点电压时,Tr2导通,促使SCR2导通,加在DIAC和C5上的直流电压被短路,SCR3因控制极失去触发脉冲信号,而在交流电源过零时截止,曝光停止。各点波形见图5-49。
图5-47使用单结晶体管和三端双向晶闸管的限时电路
(二)XHD150B-10型X线机mA测量电路
如图5-42所示,N1、N2接在高压变压器次级电路中心接地处的端子上,mA表用来指示***mA值,mAs表用来指示摄影时的mAs值。mAs表实为一数字电压表,本电路采用积分电路用电压表来指示mAs值。
图中继电器K2-B摄影时工作,继电器K2-U曝光结束时工作。
图5-42XHD150B-10型X线机mA测量电路
l.***状态下mA表测量回路N2→K2-B(常闭)→R2→R4-02→mA表→N1。
,由于继电器K2-B工作,所以管电流经N2→K2-B(常开)→R1→N1,在电阻R1两端产生输入电压信号为
(5-1)
M1是一积分器,所以输出信号为
(5-2)
将(5-1)式代入(5-2)式得
(5-3)
令式中
则U1=-K1It(5-4)
M2-01是一反相放大器,则输出信号
U0=-K2U1(5-5)
其中K2是M2-01的放大系数
将(5-4)式代入(5-5)式得
(5-6)
式中I为摄影管电流,t为曝光时间。
U0经K2-B常开接点加至mAs表,此时mAs表指示的即是摄影时的mAs值,这是一种模拟量测量法。
图中电位器VR1和电容器C7构成一积分电路,其作用是避免短时间的测量误差,电位器VR2是mAs表指示值校准调整,电位器VR3是mAs表调零电位器。
第七节旋转阳极启动、延时与保护电路
一、启动电路
(一)构成
该电路如图6-11(1)所示。图中D1、D2分别为I、Ⅱ台X线管的启动电机;JC6为启动延时继电器,其触点23、24为缓放触点,B6为电流互感器初级,B8为电压互感器初级,它们的次级接在启动保护电路中,其感应的电流、电压作为保护电路“与门”输入信号。若启动电路发生故障,启动电流、电压低于额定值时,保护电路将使曝光不能进行。C1B、C1A为剖相电容器。
(二)工作原理
开机后,台次转换接触器JCIA或JCⅡA即工作,常开触点闭合,为X线管旋转阳极启动作好准备。
图6-11旋转阳极启动及保护电路
,I台工作,JCIA触点闭合,待预备继电器JC4工作后,使启动延时继电器JC6经0V→RD4→JC6(线圈)→JC4(常开)→120V得电工作,其触点闭合,交流电压加于D1定子线圈,D1启动运转。其得电电路为
QQ1→JCⅠA(常开)→C1A//C1B→JC4(常开)
0V→RD4→→120V。
YQ1→JCⅠA(常开)→B6→JC6(常开快速触点)
、滤线器摄影和体层摄影时Ⅱ台工作,JCⅡA触点闭合,待摄影预备继电器JC5工作后,JC6得电触点闭合,交流电压加于D2定子线圈,D2启动运转。其得电电路为
QQ2→JCⅡA→C1A//C1B→JC5(常开)
0V→RD4→→120V。
YQ2→JCⅡA→B6→JC6(常开快速触点)
,JC6失电,其快速触点11、12断开,21、22闭合,电源经JC6的缓放触点23、24(延时6s可调)和整流二极管BG7产生一脉动直流,使流过电机的工作线圈产生制动力矩,电机迅速制动,X线管阳极停转。其得电电路为
120V→JC6(23、24)→BG7→JC6(21、22)→B6→JCIA(或JCⅡA)→YQ1(或YQ2)→RD4→0V。
二、延时与保护电路
(一)构成
该电路由信号输入电路和开关电路两部分组成。如图6-11(2)所示,信号输入电路是三输入端的
“与门”,每个输入端由互感器次级线圈(B6、B7、B8)、二极管(BG215、BG216、BG214)、电阻(R209、R210、R208)和电容器(C203、C204、C202)组成。其各自的信号输入电压分别由启动电流互感器B6次级、X线管灯丝电流互感器B7次级和启动电压互感器B8次级提供。
开关电路由三极管BG204和BG205组成。其电源电压为直流22V,是由变压器B92次级B1-41、B1-42(见图6-11)输出的70V交流电压,经BG601和C601整流滤波、R201限流、BG201稳压后获得的。该电压又经R202和稳压管BG206二次稳压后,作为三极管BG205发射极和基极间的基准电压()。二极管BG207、BG208作为温度补偿用,以保证基准电压不受温度变化的影响。二极管BG209的作用是避免三极管BG204由导通转为截止状态的瞬间,J4线圈产生的反电动势对三极管的冲击。
(二)工作原理
开机后,保护电路得电。B8、B6无电压输入,使BG211、BG212处于正偏置而导通,C201被旁路,三极管BG205截止。摄影时,当按下手闸后,旋转阳极启动,X线管灯丝升温,B6、B7、B8的次级各产生一感应电压,分别经BG214、BG215、BG216整流,C204、C203、C202滤波,在R210、R209、R208两端得到约10V的直流电压,使二极管BG213、BG212、BG211反偏置而截止。稳压电源经R207、R206给电容器C201充电,其得电电路为
BG601(+)→R201→R207→R206→C201→BG601(-)。
当电压充至9V时,BG205导通,继而BG204导通,继电器J4工作,其得电电路为
BG601(+)→R201→BG202→BG203→BG204→J4(线圈)→BG601(-)。
其串联在摄影高压接触器JC2、JC3A回路中的常开触点闭合,为JC2、JC3A工作提供了条件。~,可改变电位器R206的阻值进行调节。曝光结束后,B6、B8失电,B7因灯丝低温预热而电流减小,BG211、BG212、BG213导通,C201经R208、R209、R210放电。其得电电路为
C201(+)→R206→BG211(或BG212)→R208(或R209)→C201(-)。
如果旋转阳极未转动或未达到额定转速,或X线管灯丝没有增温,都将使门电路的三个输入端中的一个为低电位,二极管BG211、BG212、BG213中则有一个处于导通状态,使充电电容器C201被旁路而不能充电。因而BG205、BG204均处于截止状态,J4不工作,曝光不能进行,从而起到保护作用。若旋转阳极启动电路发生短路故障,使电流过大,则熔断器RD4将烧断,切断启动电路电源,起到保护作用。
FSK302-1A型程控X线机主要由电源伺服电路、灯丝加热电路、接口电路、采样电路、计算机电路(CPU)、操作显示电路等构成。如图8-1所示。
CPU板
操作显示板
电源伺服板
灯丝加热板
灯丝电源
采样板
微机电源
接口板
图8-1FSK302-1A型程控X线机的电路框图
X-。X-TV只是X线机的一个成像部件,其工作受X线机的控制。X-TV***式X线机的构成如图10-1所示。
二、灯丝电路
灯丝电路如图8-3所示。其主要作用为:①提供灯丝电源;②进行mA调整;③灯丝初级电压逆变。
图8-3灯丝电路
Korder为灯丝加热工作指令继电器,当选择主床或按下手闸Ⅰ档时工作。KLS为大、小焦点切换继电器,小焦点时,KLS继电器不得电,大焦点时,KLS继电器得电工作。开机后,X线机自动工作在小焦点状态,选择摄影条件时,单片机便自动确定大、小焦点,给出相应指令控制KLS继电器是否得电。
当选择主床或按下手闸Ⅰ档时,Korder继电器工作,交流70V电压通过Korder继电器的常开触点(1,2),经BV2整流,C6、C7滤波后,获得±90V的直流电压。LM317和LM337都是三端可调稳压集成块,稳压后TP3点电位为+80V,TP4点电位为-80V,TP5为±80V的零电位。
X48-4输入单片机电路输出的占空比为1:1的方波信号。该信号是mA控制信号,预选mA越大,则此输入方波信号的频率越高。D1(4024)是7位二进制计数器,用作二分频器,下降沿有效。二分频后的信号送到施密特触发器D2B的5脚和D2C的9脚。
D12(4051)是八通道选一模拟开关,X0~X7为输入信号端,X为输出端,4051的C、B、A构成编码信号作为控制输出端,其功能如表8-2所示。
表8-2编码信号真值表
INH
C
B
A
X
1
×
×
×
OFF
0
0
0
0
X0
0
0
0
1
X1
0
0
1
0
X2
0
0
1
1
X3
0
1
0
0
X4
0
1
0
1
X5
0
1
1
0
X6
0
1
1
1
X7
D9~D11(4538)与外围电路构成单稳态电路,输入信号为mA控制信号。六路输出信号全部送4051,4051的输出取决于其输入A、B、C端信号,该信号即是CPU输出的对应床选、焦点大、小的编码信号。该编码信号含义如表8-3所示。
表8-3CPU输出的编码信号含义
CBA
4051输出(X端)
技术信息
000
X0
副床小焦点
001
X1
副床大焦点
010
X2
副床400mA档
011
X3
副床500mA档
100
X4
主床小焦点
101
X5
主床大焦点
信号脉冲宽度经单稳态电路调整后,分别送到D12的X0~X5,经D12选通后送到D2B的6脚和D2C的8脚。脉宽调制后的mA控制信号经4051单通道8选1电路选通,与单片机输入的mA控制信号一起送到D2B和D2C,触发变压器T1、T2,输出触发脉冲,驱动场效应管G3、G4工作,实现对正负80V直流电压的逆变,使灯丝加热。其中,F22接大焦点,F11接小焦点,F03为公共端。
中频机的电路构成如图9-1所示,主要由主电路(工频电源→整流电路→主逆变和灯丝逆变→高压发生器)、功率控制电路(主逆变触发控制、灯丝逆变触发控制)、阳极启动等其它控制电路和计算机系统等构成。
工频
电源
整流电路
主逆
变
高压发生
器
X
线
管
灯丝
逆变
主逆变
触发
灯丝逆
变触发
服务
开关
计算机
阳极
启动
键盘、
显示
曝光
控制
自动
曝光
自动
亮度
U0U1U2U3
U6
U5
U4
图9-1中频机的电路构成方框图
-4所示。
图9-4国产中频机主逆变电路
桥式晶闸管逆变电路在国产中频机中的应用实例为主逆变电路,其直流电源为530V,经L1、L2加在由VT1、VT2和VT3、VT4构成的晶闸管桥路上,逆变电路的负载为高压变压器初级线圈。曝光时,触发脉冲成对、交替触发晶闸管,使VT1、VT2和VT3、VT4轮流导通,从而产生与触发脉冲频率相同的交流输出。VT1、VT2导通时,流过负载的电流为i1;VT3、VT4导通时,流过负载的电流为i2。触发脉冲频率升高或降低,高压初级电压也随之升高或降低。触发信号和负载电流波形如图9-5所示。
图9-5触发信号和负载电流波形
图中ton为导通时间,在这段时间里,电源向负载输出能量,T-ton为反向关断时间,在这段时间里,由于电流反向,晶闸管关断,LC储存的能量将通过反并二极管VR1、VR2或VR3、VR4回馈给电源。VT1、VT2截止到VT3、VT4导通存在一段间隔时间,被称为最短间隔时间tg,一般为20~30μs。在tg时间内VT1、VT2仍有导通的可能,这样就容易造成短路,为此在设计触发脉冲序列时,应适当增加安全系数,并使T-ton≥2~3tg。
桥式晶闸管逆变电路的电流谐振周期T是基本恒定的,通常称为固有频率,由该电路LC参数决定;逆变电流周期
Tv是变化的,由触发脉冲频率TR决定。一般来讲,最高触发脉冲频率不应大于该电路固有频率的一半,比如该电路的固有频率约为16kHz,最高触发脉冲频率约为7kHz。照相时,KX吸合,将C3短路,谐振回路中电容量增大(C=10μF),逆变电路输出能量大;***时,KX断开,将C3接入,谐振回路中电容量减小(C=),逆变电路输出能量小。
该电路还具有良好的短路保护功能,当逆变电路工作正常时,光耦E1原边有电流通过,发光二极管VM亮;当逆变电路发生短路时,由于L1电感较大,可以限制电流上升率,同时由于短路,C1、L2构成LC并联谐振回路,当谐振电压反相时,发光管VM灭、E1、V21截止,晶闸管关断,E1付边给出短路信号将触发脉冲关断。
-6所示。
图9-6国产中频机灯丝逆变电路
桥式场效应管逆变电路在国产中频机中的应用实例为灯丝逆变电路,其直流电源为40V,直接加在由V11、V41和V22、V32构成的场效应管桥路上,逆变电路的负载为灯丝变压器初级线圈。曝光前,触发脉冲成对、交替控制场效应管,使V11、V41和V22、V32轮流导通,从而产生与触发脉冲频率相同的交流输出。灯丝逆变电路的工作原理与主逆变电路基本相同,但也有不同点,比如在灯丝逆变电路中,触发脉冲的频率是恒定的20kHz,而触发脉冲的宽度即占空比是变化的,触发脉冲宽度变宽或变窄,灯丝初级电压随之升高或降低;再比如主逆变电路中,晶闸管的截止是由负载电流决定,而在灯丝逆变电路中,场效应管的截止则由触发脉冲控制。另外,在中频机的实际应用中,一般要设置两个结构相同的灯丝逆变电路,以满足双焦点X线管灯丝加热的需求。