第三節(jié)　高壓發(fā)生裝置

一、高壓發(fā)生裝置的基本結(jié)構

高壓發(fā)生裝置由高壓變器、X線管燈絲變壓器、高壓整流器和高壓交換閘等高壓元件構成，高壓元器件除X線管組件和高壓電纜之外，其余的都封裝在高壓發(fā)生器箱內(nèi)。高壓發(fā)生器主要由高壓變壓器、X線管燈絲加熱變壓器、高壓整流器、高壓交換閘、高壓插座、高壓絕緣油等組成。

高壓發(fā)生器的作用是：產(chǎn)生并輸出X線管所需要的直流高壓；產(chǎn)生并輸出X線管燈絲加熱所需要的低電壓；完成多管X線機中不同X線管的管電壓及燈絲加熱電壓的切換。

二、工頻高壓變壓器的結(jié)構與特點

（一）工頻高壓變壓器的結(jié)構

傳統(tǒng)的工頻高壓變壓器的結(jié)構由鐵芯、初級線圈、次級線圈、絕緣物質(zhì)及固定件等組成，作用是將100～400V的交流電壓升高為100～150kV，再經(jīng)整流供X線管使用。它是一個初、次級線圈匝數(shù)比很大的升壓變壓器，其工作原理與分析方法同普通變壓器。要求結(jié)構緊湊、體積小、重量輕；具有良好的絕緣性能，線圈內(nèi)阻盡量小以使其在工作時內(nèi)部不產(chǎn)生過大的電壓降。

1.鐵芯

作用是給磁通提供通路，高壓變壓器的鐵芯選用熱軋?zhí)妓毓桎撈珼41-D44或冷軋?zhí)妓毓桎撈珼310、D320、D330制成。現(xiàn)代高壓變壓器的鐵芯，廣泛采用C形卷繞鐵芯，用帶狀冷軋硅鋼片經(jīng)過卷繞、成形、退火、浸漬和切割等多種工序加工而成。這種C形鐵芯，由于卷繞緊密，接縫量小，導磁性能較好，因此磁化電流低，空載電流小，與相同容量的其他形狀鐵芯相比，可減少鐵芯重量和體積。

2.初級線圈

在X線發(fā)生裝置工作電路中，雖然加在高壓變壓器初級線圈上的電壓不高，一般在400V以下，但是在負載情況下，高壓變壓器初級線圈流過的電流很大，攝影時瞬間電流可達到上百安培。因此，生產(chǎn)變壓器時其初級線圈所用的導線要有足夠線徑，機械強度要高。一般采用環(huán)氧樹脂漆包線、玻璃絲包圓銅線或扁銅線，分層繞在用絕緣紙及紗帶包好的鐵芯上成為一個完整的線圈線包，層與層之間用絕緣紙隔開絕緣。

有的高壓變壓器將初級線圈繞制成兩個，然后串聯(lián)或并聯(lián)在一起使用。此時要特別注意兩個線圈的首尾端接線不能接錯，否則磁通將反向抵消而無輸出。

3.次級線圈

為提高效率，高壓變壓器的初、次級線圈通常繞在鐵芯的同一個臂上，次級線圈繞在具有一定厚度且有足夠的機械強度和絕緣性能的絕緣筒上，絕緣筒套在初級繞組上，兼作初、次級間的絕緣。

在X線發(fā)生裝置中，要求高壓變壓器的次級線圈輸出電壓為40～150kV，但是負載時流過線圈的電流很小，一般不超過1500mA。故繞制次級線圈所用的導線多采用QZ 序列線徑較小的高強度漆包線。因輸出電壓高，所以其繞制線圈的總匝數(shù)多達數(shù)萬匝或數(shù)十萬匝，從里到外繞制成若干層。各層的繞線匝數(shù)不同，最里面的一層繞線匝數(shù)最多，從里向外各層的繞線匝數(shù)依次減少，繞制完后整個線圈呈階梯形。層間用電容器紙或黃蠟綢等隔開絕緣，絕緣紙的寬度每邊均要超過線圈繞線寬度5～15mm，以防止相鄰的兩層之間產(chǎn)生放電擊穿現(xiàn)象。為了增加線圈的機械強度，最里面的層及最外面的二層、三層都用線徑較大的高強度漆包線繞制。線圈的外表面圍繞一條寬約2cm 的不閉合薄銅片，該銅片與線圈繞線的末端相連，對外方便引線和接線牢固。

次級線圈通常繞成匝數(shù)相等的2個（或4個）線圈，兩個線圈的始端接在一起并接地，該處位于線圈的最里層，距離初級線圈最近，電位最低。兩個次級線圈的末端（即線圈外表面銅片引出線端）就是高壓變壓器的輸出端。這樣次級線圈的電壓隨著由里層到表層層數(shù)的增加而增加，一般層間電壓差為1000～1500V。有的高壓變壓器在初、次線包之間絕緣筒上放置一層不閉合的薄銅片隔開，并將銅片接地，以防高壓初、次級間擊穿時對機器和人身產(chǎn)生損害。

4.高壓變壓器次級線圈的中心接地

診斷用X線發(fā)生裝置高壓變壓器的次級線圈通常繞成參數(shù)相同的兩個線圈，兩線圈的始端連接在一起，并將此中心點接地稱為高壓次級中心接地，又叫次級線圈的中心接地。

高壓變壓器次級中心接地后，該中心的電位就與大地相同，為零電位，這樣兩個次級線圈的另一根輸出線對中心點的電壓就為兩根輸出線間電壓的一半（圖1-13）。假如高壓變壓器要產(chǎn)生100kV 的電壓，則兩根輸出線間的電壓為100kV，而每根輸出線相對中心點的電壓卻為50kV，這樣，制造高壓變壓器所需要的各種元器件的絕緣要求就降低了一半，輸出高壓的兩根電纜線的絕緣要求也降低了一半，所以高壓次級中心接地的主要目的是降低高壓變壓器、高壓電纜的絕緣要求，所以稱作工作接地。另外，由于高壓變壓器次級中心點電位為零，就可以在此處串入指示管電流的毫安表。因此處電位趨于零，毫安表可安全地安裝在控制臺面上，方便技術人員在操作中觀察表的指示情況，保證了操作人員的安全。此時為防止毫安表電路斷路故障而使中心點電位升高，特設有保護裝置。多數(shù)X線發(fā)生裝置都是在該中心點兩根引出線的接線柱上并聯(lián)一對放電針或一個充氣放電管。當斷路發(fā)生，中心點電位升高時，放電針放電或充氣放電管起輝導通，將高電位處對地接通，起到保護作用。

5.高壓油箱

在高壓發(fā)生器發(fā)展的初級階段，實現(xiàn)高壓下的正常工作并不是一件容易做到的事，為了保證在高壓下主機的正常工作，除了選用可靠的高耐壓器件，還需要在設計高壓油箱時采取相應的技術措施，這包括適當?shù)脑骷g的空間距離和爬電距離；變壓器的絕緣保證；絕緣高壓油的選用；注油工藝等。以注油工藝為例，為了保證變壓器或浸入油箱中的器件中不存有可能導致?lián)舸┑臍馀荩诩佑偷倪^程需要先經(jīng)過加熱以去除吸附于固體之上的氣體或水汽，然后再緩慢從底部逐漸注油，在注油過程中還需要采用加熱、振動、真空、超聲等輔助方法以減小存在氣泡的可能性。

6.單相與三相電供電

X線發(fā)生器誕生的100多年來，基于工頻的高壓發(fā)生器經(jīng)歷了工頻單相自整流、工頻單相半波整流、工頻單相全波整流、三相12波整流等幾個發(fā)展階段，從工程上看采用三相供電相當于將高壓的頻率提高到原來的三倍，這對于減小高壓的紋波進而減小射線中的無效成分顯然是有益的。圖1-14是各種供電方式輸出高壓經(jīng)整流后的高壓波形。

（二）工頻高壓變壓器的工作原理

高壓變壓器的工作原理同普通變壓器，遵循如下分析：

1.初、次電壓之比等于初、次級繞組匝數(shù)之比，計算公式為：

K=U1/U2=N1/N2

式中K 為變壓器的變壓比，U1為初級電壓，U2為次級電壓，N1為初級繞組，N2為次級繞組。

高壓變壓器因是一個次級升壓很高的變壓器，所以其變壓比大，可升壓數(shù)百倍，該變壓比是高壓變壓器的重要參數(shù)。

根據(jù)公式可知，在變壓比不變的情況下，調(diào)節(jié)初級輸入電壓就獲得了不同的次級輸出高壓電壓，這就是多數(shù)X線發(fā)生裝置用來調(diào)節(jié)管電壓的方法。

2.當忽略不計高壓變壓器本身的損耗時，變壓器遵循能量守恒定律，初級輸入功率等于次級輸出功率。公式為：

P1=U1I1，P2=U2I2　U1I1=U2I2

公式表明，高壓變壓器的輸出功率是由初級提供的，工作中需要輸出功率高時，在初級電壓一定時，其初級電流就越大。

3.當高壓變壓器空載時，初級線圈中有一很小的勵磁電流流過，稱為空載電流，是衡量變壓器質(zhì)量的參數(shù)之一。空載電流的大小決定了無功功率的大小，對變壓器來說，空載電流越小越好。

（三）工頻高壓變壓器存在的不足

隨著電子技術的發(fā)展，工頻機高壓變壓器的設計顯現(xiàn)出很大不足。

1.結(jié)構笨重

變壓器鐵芯截面的大小與交流的頻率相關，頻率低則面積大，因此工頻變壓器的體積與重量往往都很大，這給安裝和運輸帶來許多不便。

2.線束頻譜寬

由于工作頻率低，因此升壓后經(jīng)整流如果需要濾波將不得不采用耐壓高、容值大的電容，這在工程上是有難度的，傳統(tǒng)的高壓發(fā)生器往往在升壓整流之后未加有效濾波就直接將脈動的高壓施加于X線管之上，X線管上的一個高壓脈動周期上，其產(chǎn)生的X線在不同時刻的譜分布是不一樣的，由此可見在一個脈動周期內(nèi)射線中的無效成分加大了，這將導致患者和醫(yī)師吸收X線劑量較大，不利于防護；而且成像質(zhì)量差，易形成偽影，影響醫(yī)生診斷。

3.曝光參量精度低

由于自耦變壓器的內(nèi)阻與碳觸點的位置有關，空間電荷效應具有非線性，所以管電壓（kV）補償和管電流（mA）抵償?shù)臏蚀_度下降；曝光時間長，一次最短有效曝光時間大于3毫秒。此外傳統(tǒng)的高壓發(fā)生器只能交流供電，否則無法使用。

由于工頻機存在上述諸多不足，許多國家已不再使用，目前國際上X線機多用中高頻高壓變壓器。我國中頻機技術也正趨成熟。

三、中、高頻高壓發(fā)生器

隨著電子原器件、計算機技術的進步以及大功率高壓技術的突破，極大地推動了中、高頻高壓發(fā)生器的技術發(fā)展。

（一）中高頻高壓發(fā)生裝置的系統(tǒng)構成

中、高頻X線機的控制同工頻X線機的控制有著較大的區(qū)別，一般需要借助計算機完成，尤其對于數(shù)字X線機而言，系統(tǒng)中還包括了圖像采集等，計算機成為協(xié)調(diào)各部分工作必不可少的核心控制單元。因此對于數(shù)字X線機而言，整個電氣系統(tǒng)同傳統(tǒng)X線機相比有較大的區(qū)別。圖1-15是一個數(shù)字X線機電氣系統(tǒng)邏輯框圖。

圖1-15所示的數(shù)字X線機系統(tǒng)邏輯框圖中，X線機的高壓發(fā)生模塊邏輯框圖和其相應的控制部分可以看成是高壓發(fā)生器子系統(tǒng)，圖1-16示出了這一子系統(tǒng)的完整邏輯框圖。這一子系統(tǒng)由主電路（工頻電源—整流電路—主逆變和燈絲逆變—高壓發(fā)生器）、功率控制電路（主逆變觸發(fā)控制、燈絲逆變觸發(fā)控制）、陽極啟動等其他控制電路和計算機系統(tǒng)等構成。

高頻高壓發(fā)生裝置主要由控制系統(tǒng)（系統(tǒng)電源、HT控制CPU板、調(diào)整板、燈絲驅(qū)動板、低速啟動板、IPM驅(qū)動板、主逆變、放電板、采樣板、接口板、LCD控制CPU板、按鍵顯示、保護系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、與其他系統(tǒng)之間的通訊與配合）、高壓變壓器等組成。

（二）中高頻機工作原理

中、高頻機的工頻電源電壓U0 經(jīng)過整流、濾波之后變?yōu)閹装俜闹绷麟妷篣1，此電壓經(jīng)主逆變電路后成為幾百赫茲至十萬赫茲的中、高頻電壓U2，該電壓被送到高壓變壓器初級，經(jīng)升壓以及整流、濾波（多為倍壓整流）后變?yōu)楹阒绷鞲邏篣3，作為X線管的管電壓。燈絲加熱也采用類似的方法，工頻電源電壓U0 經(jīng)過整流、濾波之后變?yōu)閹资驇装俜笥业闹绷麟妷篣4，此電壓經(jīng)燈絲逆變電路后成為幾千或幾萬赫茲的中、高頻電壓U5，該電壓被送到燈絲變壓器初級，其次級輸出電壓作為X線管的燈絲加熱電壓。

計算機控制電路是整個中、高頻機的核心，其主要作用是通過讀、寫數(shù)據(jù)并發(fā)出指令來協(xié)調(diào)整機電路有條不紊的工作。它一般由單片機和外圍電路組成。主逆變觸發(fā)和燈絲逆變觸發(fā)大多采用閉環(huán)控制模式，在曝光過程中，千伏值檢測信號和毫安值 檢測信號與曝光參量設定值進行實時比較，比較信號不斷跟蹤調(diào)整主逆變觸發(fā)脈沖的頻率和燈絲逆變觸發(fā)脈沖的寬度，從而實時調(diào)整千伏值和毫安值。通過服務開關可以設置X線管、主機以及主機外圍設備的一些參數(shù)，同時還可以調(diào)用服務程序完成模擬曝光、顯示實際千伏值和毫安值、顯示X線管熱容量等多種功能。鍵盤操作、數(shù)碼或液晶顯示、曝光操作以及X線管陽極啟動等都由計算機系統(tǒng)控制和管理。若配以相應的裝置，中、高頻機還可實現(xiàn)自動亮度控制（automatic brightness control，ABC）和自動曝光控制（automatic exposure control，AEC）。中、高頻機多設有較完善的故障檢測及保護，故障顯示等電路。

在高頻高壓發(fā)生器中，中、高頻的逆變是較為關鍵的一個部分，它直接決定了高頻高壓發(fā)生器的關鍵技術參數(shù)，長期以來它一直是高頻高壓發(fā)生裝置的發(fā)展的制約環(huán)節(jié)。

（三）中、高頻機的優(yōu)勢

中、高頻機從工頻機發(fā)展而來，它克服了工頻機的許多不足，改變了工頻機的傳統(tǒng)結(jié)構模式，具有一系列獨特的優(yōu)點，正逐漸成為高壓發(fā)生器的主流。

1.輸出高質(zhì)量的X線

中頻機的X線頻譜單色性好。在工頻范圍內(nèi)不易使用電容對高壓進行濾波，但在中、高頻范圍內(nèi)只需使用容值相對較小的電容即可獲得有效的濾波，因此輸出的電壓更穩(wěn)、單色性更好，高壓輸出的脈動量非常小，近似直流將提高X線質(zhì)的平均強度（半價層）或感光有效成分，因此皮膚接受的劑量低，曝光時間短，圖像質(zhì)量高。

從物質(zhì)吸收X線的規(guī)律可知，對單能窄束X線，其物質(zhì)吸收遵守指數(shù)衰減規(guī)律，X線通過物質(zhì)后，只有光子數(shù)量的減少，沒有光子能量的變化。但物質(zhì)對于連續(xù)X線的衰減，就不遵守指數(shù)衰減規(guī)律，X線通過物質(zhì)后，不僅有光子數(shù)量的減少，而且其能量譜也發(fā)生變化，產(chǎn)生X線的硬化效應（即透射X線中的高頻成分的比例加大）。硬化效應會形成偽影，一般來說，硬化效應越大，影像質(zhì)量就越差。中頻機相對工頻機來說，譜線單色化程度大大加強，確保了成像質(zhì)量進一步提高。

2.輸出劑量大

由于中頻機輸出的X線譜線中高能成分大大增多，在獲得膠片黑化度相同的情況下，中頻機的mAs是工頻機的60%，減少了患者接受X線照射量。

例如，單相工頻機中一個脈沖的持續(xù)時間為10ms，而大于0.707倍峰值的持續(xù)時間約為5ms，其中另外5ms內(nèi)產(chǎn)生的X線都是無用的。而中頻機的波形近似直流，整個曝光時間周期內(nèi)產(chǎn)生的X線都是有用的，所以，中頻機如果曝光10ms的劑量，則工頻機就需要曝光20ms，曝光時間增加了一倍，這不僅加大了患者的輻射劑量，而且由于成像加長勢必增大了動態(tài)模糊度，嚴重影響了成像質(zhì)量。

如果曝光時間相同，中頻機使用300mA提供的X線劑量與工頻機使用500mA提供的X線劑量相同。

3.實時控制，控制精度高

中頻機中千伏值和毫安值都是由微機管理的，采取閉環(huán)控制。根據(jù)實際檢測值進行跟蹤調(diào)整，實現(xiàn)了實時控制，控制精度很高。而在工頻機中都是采用預調(diào)的辦法，不可能實現(xiàn)實時控制。

4.X線輸出穩(wěn)定、重復性好

中頻機中都是采取閉環(huán)控制，由于中頻機的曝光參數(shù)的設定值可以做得很精確，檢測電路可以做得很穩(wěn)定，所以不論影響千伏值和毫安值的因素有多少，只要它們變化在某一允許范圍內(nèi)，則中頻機每次曝光的輸出量都可以保持一致。由于閉環(huán)控制具有實時性，所以中頻機不需要千伏值補償電路和空間電荷等補償電路。

5.實現(xiàn)了結(jié)構小型化

根據(jù)變壓器原理，電壓/（頻率×匝數(shù)×鐵芯截面積）=常數(shù)，所以要得到同樣的電壓，其電源頻率需要提高幾倍，才能使匝數(shù)、鐵芯截面積的乘積減小幾倍。因此，中頻機在功率不減小的前提下，發(fā)生器可以制作的很小，實現(xiàn)了結(jié)構小型化。大容量的組合式管球制作也成為可能。大容量的組合式管球在CT機上也有非常重要的應用，為滑環(huán)CT機的應用提供了前提。

6.有利于向智能化發(fā)展

中頻機已全部電子化，很容易與計算機進行配合，計算機技術的應用將使X線機的性能（降落負載、實時控制、狀態(tài)監(jiān)測、故障報警與診斷、自動化處理、系統(tǒng)控制等）提高到一個數(shù)字化的嶄新水平。

7.可直接用直流供電

中頻逆變是從直流逆變而來的，所以許多中頻機，可直接用直流供電，這意味著可利用儲能器件解決電源條件的難題，對于缺少交流電或電源條件差的場所，如邊遠地區(qū)、地質(zhì)和野戰(zhàn)等惡劣條件下，具有特殊意義。有些移動式的X線機也使用電容儲能方式或電池儲能方式工作。

此外效率高也是中頻機的一個優(yōu)點。

表1-1給出工頻機和中頻機的性能比較。

四、高壓整流器

高壓整流器是一種將高壓變壓器次級輸出的交流高壓變?yōu)槊}動直流高壓的電子元件。有自整流、橋式整流和高壓硅堆整流三種：

自整流X線機：利用X線管本身的整流作用整流的X線機稱之。

橋式整流：通過橋式整流電路進行的整流。

高壓硅堆整流：許多單晶硅做成的二極管以銀絲串聯(lián)而成，外殼采用環(huán)氧樹脂。

中高頻X線機由于本身進行了交流逆變?yōu)楦邏褐绷鳎什恍枰麟娐贰?/p>

五、高 壓 電 纜

高壓電纜把高壓發(fā)生器產(chǎn)生的高壓輸送到X線管兩端，把燈絲加熱電壓輸送到X線管陰極。其結(jié)構由內(nèi)向外依次為：導電芯線、內(nèi)半導體層、高壓絕緣層、半導體層、金屬屏蔽層、保護層。

1.導電芯線

位于最內(nèi)層，多股銅絲制成，外包絕緣橡皮。作用：傳送高壓、傳送燈絲加熱電壓。芯線數(shù)目不一，二芯供單焦點X線管用，三芯供雙焦點X線管用，四芯供三焦點X線管用等。

2.內(nèi)半導體

由具有半導體性能的橡膠制成，位于非同軸電纜芯線外圍。其作用是使芯線與高壓絕緣層之間的靜電場分布均勻。避免凸起部分發(fā)生擊穿。

3.高壓絕緣層

位于導電芯線（或內(nèi)半導體層）外側(cè)。厚4.5～20mm，灰白色天然橡膠制成，或用高絕緣性塑料制成，耐壓要求：50～200kV（峰值）之間。其作用是使芯線的高電壓與地之間絕緣。

4.半導體層

緊包在高壓絕緣層外，由具有半導體性能的橡膠制成。其作用是防止高壓靜電場引起的不良影響。

5.金屬屏蔽層

緊包半導體層，直徑不大于0.3mm的鍍錫銅絲編制網(wǎng)狀。其作用是一旦高壓擊穿，芯線與金屬屏蔽層短路，屏蔽層通過固定環(huán)接地，保護操作者和患者安全。

6.保護層

機械保護、防止有害氣體、油污和紫外線對高壓電纜的危害。

六、其他高壓部件

其他高壓部件有高壓交換閘，高壓插頭與插座，變壓器油等。