X射线机管电流控制方法研究

X射线机主要有三个物理量需要控制,它们分别是:管电压、管电流以及曝光时间[1]。控制管电压的大小可以控制X射线的质,而管电流的大小决定X射线的量;三者共同决定放射剂量的大小。从技术实施角度来看,实现管电流的精密控制有一定的难度,主要受到X射线管阴极空间电荷效应的影响。管电流控制有线性补偿法和非线性补偿法两种[2],前者对普通小容X射线管而言,补偿效果较好,可以使管电流基本稳定,但管电压改变时,管电流变化范围较大,线性补偿不能满足要求,只有采用非线性补偿法。而目前国内外文献关于高频开关电源供电的X射线机管电流的控制研究报道寥寥无几。本文在此方面进行了研究与实践,该方法可以实现X射线管电流的非线性补偿和大小的精密控制。

1　管电流补偿方法分析

根据如图1灯丝发射特性曲线可知,管电流一定的情况下,X射线的管电流的大小可以通过控制X射线管灯丝的加热电流来改变;同时由于存在空间电荷,X射线管的管电流还会与管电压有关系,这是因为管电压改变时,管内加速电场强度变化,阳极收集电子的能力发生相应的变化,从而导致管电流的改变,也就是阴极周围存在空间电荷的原因。为了保证X线机管电流在整个照射过程中一直稳定不变,在设计电路时就必须采用某些电路或程序来实现负反馈功能去限制和抵消空间电荷效应的影响。

在目前的工频供电X射线机中,多数设备是采用线性补偿方法,有些采用电压补偿的方法,其基本原理是在灯丝加热电路中引入与高压初级电压成比例的电压来抵消或抑制空间电荷的影响。但由于它们采用的电路比较简单,所以补偿效果不够理想或不太适合高频逆变型X射线机的管电流控制。下面介绍高频开关电源供电的X射线机管电流控制问题。

2　高频逆变型X射线机管电流控制电路设计

图2为高频逆变型X射线机的原理框图,与传统的工频X射线机一样,它包含X射线管灯丝加热逆变电路、高压阳极逆变电路、单片机曝光时间控制电路、X线管头电路以及各种辅助电路等几个部分。与传统的X射线机不同的是它采用绝缘栅场效应管或绝缘栅双极型三极管作功率开关器件,脉宽调制集成电路作管电压和管电流控制,采用单片机或数字处理器作定时控制器,同时也可以进行各种参数的设定、机器自身工作状况的检测和保护功能。

图3为X射线管灯丝加热逆变电路,这是一个推挽电路,其供电电源采用+15V直流电源,次级接至灯丝两端,输出电压的有效值大小受两个互补驱动信号占空比的控制,R5为1%精度的电阻,用于检测灯丝加热电流IF的大小。