第六節　基本結構與電路

一、X線發生器的基本結構

X線發生器的基本結構包括X線管、高壓發生裝置、控制裝置，基本電路包括電源電路、高壓初級電路、高壓次級電路、燈絲加熱電路、控制電路。

二、電 源 電 路

X線機電源電路是給自耦變壓器供電的電路。

主要元件：電源接觸器、電源保險絲、自耦變壓器、電源電壓補償調節裝置、指示儀表。

電路由保護裝置（35A保險絲）、電源接觸器LC、按鈕開關LS、自耦變壓器T1、電源電壓表及指示燈組成。

電源電路包括：電源接觸器LC線圈供電電路；電源接觸器自控電路；自耦變壓器電路；電源電壓表指示電路等。

三、燈絲加熱電路

燈絲加熱電路由穩壓器、毫安調節器、空間電荷補償裝置、燈絲變壓器等組成，是為X線管燈絲提供加熱電源的電路，又稱mA調節電路。燈絲加熱電路分燈絲初級電路和燈絲次級電路。次級電路與X線管的陰極燈絲相連。

燈絲加熱電壓↑→燈絲溫度↑→燈絲發射的電子數量↑→管電流↑→X線量↑，所以mA的調節可通過改變燈絲變壓器初級電壓來實現。在初級電路中串聯電位器實現mA調節。透視：半可調電阻，攝影：可調電阻。

透視管電流的調節：當調整好R2后，即將管電流限制在某一定值，R1的旋鈕在控制臺面上，并裝有刻度盤。同時可作為透視毫安的預示。

攝影管電流調節器：在電路里串聯一個或數個有若干抽頭的半可調電阻，利用分線器在控制臺進行操作，其對應的毫安值也由臺面預示，故稱毫安選擇器。

空間電荷補償裝置：由于空間電荷作用，管電流不僅與燈絲的加熱電流有關，而且與管電壓的變化有關。在一定范圍內，毫安值隨千伏值的增高而增大，使X線的質和量不能分開調節。其原理是通過改變燈絲加熱電壓的辦法來補償千伏值對毫安值造成的影響。即在增加千伏值的同時，相應地減小燈絲加熱電壓，使毫安值保持不變。

變壓器式空間電荷補償電路是將補償變壓器的初級線圈與高壓變壓器的初級并聯，即初級電壓隨千伏值調節而改變。千伏值增高初級電壓亦增高，反之則低。其次級線圈與燈絲變壓器初級線圈相互串聯，并使補償器次級所感應的電壓與燈絲變壓器的電源電壓極性相反。因而即使增加管電壓，由于燈絲加熱電壓隨千伏值增加而減少，管電流仍保持不變。

電阻式空間電荷補償原理與變壓器補償法基本相同。在X線管燈絲加熱電路初級中串聯一個電阻，從電阻上接出若干抽頭，通過與千伏值調節器連動而選擇一定電阻值。千伏值越高，所串聯的電阻值越大。這樣千伏值增加引起的管電流得到補償。使管電流保持相對穩定。

交流穩壓器：多采用諧振式磁飽和穩壓器。穩定達±1%。

四、工頻X線發生器高壓初級電路

工頻X線高壓初級電路是指由自耦變壓器到高壓變壓器初級線圈所構成的回路。包括管電壓調節電路、管電壓控制電路、管電壓預示、管電壓補償電路、接觸器等。

（一）管電壓調節電路

管電壓調節電路，是用改變高壓變壓器初級輸入電壓的方法來調節管電壓。高壓變壓器B2初級線圈經控制元件的觸點，從自耦變壓器B1上取得電壓。電壓的改變采用手動的多接點調節器與自耦變壓器不同輸出的抽頭相連接，從而得到不同數值的輸入電壓。

（二）管電壓控制電路

管電壓控制電路的作用是控制X線管管電壓的得失。控制方法有電磁接觸器控制高壓初級電路、晶閘管（可控硅）控制高壓初級電路、初次級配合控制與三極X線管控制、電磁接觸器控制高壓初級電路。

1.防突波裝置

初級電路斷開與閉合瞬間，由于電磁感應，使高壓次級發生暫態過電壓，即突波。

2.晶閘管（可控硅）控制高壓初級電路

兩個可控硅SCR1、SCR2組成反并聯電路。當A、B與C、D之間無觸發信號時，電路呈切斷狀態，高壓變壓器初級HT無電壓輸入。在曝光前，接觸器SC的觸點先閉合。此時因SCR1、SCR2未導通，電路無負荷電流，故SC閉合瞬間無電弧放電。在電路設計上SC導通時間比可控硅早0.8秒，后由可控硅導通。

3.管電壓預示電路

對X線管千伏值的測量采取預示的方法。即在X線管空載時，測量高壓初級電壓，根據高壓變壓器的變壓比，計算出高壓次級電壓，預先將本次曝光X線管兩端可能加的實際千伏值指示出來。例如：一個高壓變壓器初、次級電壓對應關系是190V/100kV，由此計算出，初級1.9V對應1kV。這樣可將交流電壓表刻度盤上190V處改刻為100kV，95V處改刻為50kV。如此等。

4.管電壓補償

管電壓負載時，X線管兩端的實際千伏值要小于預示的千伏值，且隨毫安的變化而變化，這種現象嚴重影響攝影效果，所以中高型X線機在千伏值預示電路中設置了千伏值補償電路。千伏值補償的基本原理是：用某種方法按不同毫安值預先增加高壓變壓器的初級電壓，以補償負載時的電壓下降。補償的kV值正好等于負載時降落的kV數值。在kV表電路里串聯一個多抽頭可調電阻器，各抽頭分別與管電流選擇器的相應檔次相連，并與管電流選擇器聯動。

五、中、高頻X線發生器高壓初級電路

中、高頻X線發生器高壓初級電路通過逆變電源可將低壓直流經交流化而升至高壓直流的部件。實際的逆變過程中，要經過了由工頻轉換為直流、再由直流轉換為中頻交流的兩個階段，所以，中頻逆變器由直流電源、直流逆變和逆變控制三部分組成：

（一）直流電源

小型逆變式X線機可直接用蓄電池供電，或由交流電經整流后變為直流電。15kW 以下的逆變式X線機一般使用單相電源，經橋式整流或倍壓整流后轉換成直流電源。15kW 以上的逆變式X線機多采用三相可控橋式整流電源。如圖1-17所示為SX32-I型逆變式X線機的開機及三相整流濾波電路。

當變壓器 T1初級（1，2）端輸入 220V 后，T1次級（3，4）端輸出18V 的交流電壓。經硅橋V1整流，電容器C1濾波后產生24V 的直流電壓。因此時開機和關機按鍵均處于開路狀態，三極管V3 截止，繼電器KS 不工作。

開機時，將“⊙”按下，則24V 電源經R1 R2分壓后使V3 偏置導通，繼電器KS 吸合。其二對觸點閉合使KS 自鎖；另一對觸點閉合后使電源接觸器KL 得電工作。其觸點閉合，則三相380V 50Hz 電源輸入到三相橋式整流電路。然后經繼電器KX觸點（攝影準備時閉合，結束時斷開）或電阻RX（透視時KX斷開）加于電容器CA，CB。經濾波后輸出540V直流電壓，送往VMOS逆變電路，作為逆變電路的直流電源。同時通過降壓變壓器T2（圖1-17）提供控制臺本身和外部床臺使用的各種交流電壓。

關機時，按下“○·”時，V3反偏置截止，KS 和KL釋放，380V 和T2 電源被切斷。

（二）直流逆變電路

1.橋式逆變原理

多用于高壓逆變和燈絲加熱逆變電路中，其原理如圖1-18 所示，圖中K1～K4是4 只開關器件（可以用晶閘管、場效應管等），Z 為X線管的等效負載阻抗，通過適當控制4 只開關的動作來實現直流到交流的逆變。

若電路上能確保4 只開關按以下順序開閉，則在負載Z 上的電壓波形就是正、負交替的矩形波（圖1-19）。

時間 t1：K1，K2閉合，K3，K4斷開，電流為 i1，Z 上電壓為E。

時間 t2：K1，K2斷開，K3，K4斷開，電流為 0，Z 上電壓為0。

時間 t3：K1，K2斷開，K3，K4閉合，電流為 i2，Z 上電壓為-E。

時間 t4：K1，K2斷開，K3，K4斷開，電流為 0，Z 上電壓為0。

t1～t4為一個周期T，然后周而復始。如果周期T 適當，就可輸出正負交替的矩形波。

圖1-19中t2和t4的作用是為了防止實際中可能存在的K1、K4或K2、K3同時導通而產生巨大的短路電流。

圖1-18所示的橋式逆變又稱為全橋式逆變，與此對應還有半橋式逆變，圖1-20為原理圖。

2.橋式逆變器示例

圖1-21所示是一個典型的基于VMOS的RLC 串聯橋式逆變器。電路中包括有 K1，K2，K3，K4 4 個 VMOS 管。

當轉換開關，4個VMOS被交替觸發，在RLC串聯電路中形成衰減振蕩。當K1，K2被觸發而導通，振蕩電流為i1，但衰減的正弦電流只能出現在一個周期中，因為在通過D1，D2形成i1負半周期的過程中，K1，K2 已被截止，所以第二個周期不可能出現。當K3，K4被觸發而導通，振蕩電流為i2，但i2與i1反向，也只能在一個周期內出現。即如果K1、K2閉合后，稍大于半周期的某一時刻，將K3、K4閉合，總電流i如圖1-22 所示，形成近似的正弦波電流，并通過互感線圈輸出。

在高頻高壓發生器問世的最初階段，逆變主電路中功率器件以可控硅為主要的選擇，由于可控硅的可靠性差、對負載電路的純阻性要求較高，因此電路的穩定性不高，近年來，VMOS、IGBT、IPM等更多地被選擇為高壓發生器的功率器件。

（三）逆變控制

交流電壓的有效值為U=1/T∫T 0 udt式中T 為周期，U 為電壓有效值，u為電壓瞬時值。由此式可知調節電壓有效值有兩種方法：調寬控制和調頻控制。

1.調寬控制

在電壓u 的周期T 不變時，通過改變變壓器初級回路中電壓u 的脈沖寬度（占空比），來實現改變輸出電壓的控制方式（圖1-23）。虛線表示的信號占空比大于實線表示的信號占空比。調寬控制法常被用于燈絲電壓的調整電路。

2.調頻控制

通過改變變壓器初級回路中電壓u 的頻率來實現改變輸出電壓的控制方式（圖1-24）。實線表示的信號周期為T1，虛線表示的信號周期為T2，T1大于T2，即頻率f1小于頻率f2調頻法常被用于管電壓的調整電路。

3.控制方式示例

圖1-25 為逆變式X線機調頻控制管電壓的原理方框圖。控制電路由千伏值檢測、比較器、壓頻變換器（V/f）等組成。主電路由直流電源、橋式VMOS管逆變器、高頻高壓變壓器、整流濾波電路、X線管等組成。

比較器的同相輸入端輸入電壓Vs為管電壓預置值，反相輸入端輸入電壓Vr 為實際管電壓的取樣值，它與實際曝光時加在X線管兩端的直流高壓呈正比，比較器輸出電壓Vd與兩者的差值呈正比，Vd控制壓頻變換器（V/f）的輸出頻率，即比較器的輸出電壓控制壓頻變換器的輸出頻率，從而改變逆變器中的VMOS的觸發頻率，實現調整管電壓的千伏值。

在曝光開始的瞬間，由于預置電壓一定，高壓還未形成，觸發頻率最高，高壓濾波電容的充電速率最大，千伏值迅速上升，隨著實際千伏值的增大，觸發頻率下降，千伏值上升速度變慢。當預置電壓值等于實際千伏檢測值，誤差電壓為零，觸發頻率穩定，使千伏值維持在預置值的水平上。若因某種原因，例如電網電壓波動使千伏值發生變化，則因調頻控制過程是閉環控制，該閉環回路立即自動跟蹤調整，千伏值發生相反方向的變化，使千伏值維持在預置值上，克服了電網電壓波動對千伏值的影響，所以逆變式X線機對電源要求較低。

六、高壓次級電路

高壓次級電路是由高壓變壓器次級線圈到X線管兩極所構成的回路。有單相全波整流高壓次級電路、三相全波整流高壓次級電路等類型，本節以單相全波整流高壓次級電路為例講解。

1.高壓整流電路

單相全波橋式高壓整流電路由四個高壓硅堆構成整流橋。在交流電的任一半周，都能產生X線。高壓變壓器次級中心點接地。

2.管電流測量電路

在單相全波整流電路里，一般將次級中心點的交流電流整流后，再用毫安值表進行測量。

3.毫安表測量電路

七、控 制 電 路

（一）限時電路

限時電路是控制X線曝光時間的長短，通過它能準確地控制X線的照射量（毫安值一定時）的電路。目前，大中型X線機一般采用電子限時電路，其基本工作原理是利用電容器和電阻構成的RC充放電特性。

在控制X線曝光時間的方法上，過去一般是將限時電路的控制接點串接在高壓接觸器的線圈電路中，用控制高壓接觸器的工作時間來達到控制曝光時間的目的。由于所使用的交流接觸器本身的固定釋放延遲，使最短曝光時間受到限制。目前，大中型X線機已廣泛使用晶閘管無觸點開關，代替常用的交流接觸器。這樣，可根據限時電路的信號，直接控制高壓的接人和關斷，能夠準確、有效地做到零相位接入高壓，避免過電壓的產生。

（二）自動曝光控時電路

自動曝光控時電路是在X線通過被照物體后，以達到膠片上所需的感光劑量（即膠片密度）來決定曝光時間的；膠片感光劑量滿足后，自動切斷高壓，所以自動曝光控時電路也稱為mAs限時電路。自動曝光控時電路分為光電管自動曝光控時電路和電離室自動曝光控時電路。

1.光電管自動曝光控時電路

它利用可見光的光電效應來達到控制目的。它通過一個薄板狀的“光電拾光器”，將攝影時熒光板發出的熒光經反射沿有機玻璃板導入光電倍增管的銻-銫光電陰極上，利用其光電效應獲得光電子，經光電管倍增放大后轉換成光電流，再經放大器、積分/比較放大器、邏輯電路等，驅動控時執行元件，完成自動曝光控制。光電流的大小與穿過人體之后的X線輻射強度呈正比例。這種系統的要求是：當照片感光量達到要求值時，恰恰等于積分電容器的兩端電壓足以推動控制系統，而使曝光結束。改變光電拾光器的位置，能使一臺通用X線機進行各種部位的光電管自動曝光控時攝影。

2.電離室自動曝光控時電路

它是利用電離室內氣體電離的物理效應，使X線膠片在達到理想密度時自動切斷曝光。它比光電管自動曝光系統的應用范圍廣泛，在各種診斷X線機的攝影中幾乎都可采用。

電離室的結構包括兩個金屬板平行電極，中間為氣體。兩極板間加上直流高壓，氣體作為絕緣介質并不導電；但當X線照射時，X線量子被兩極間的氣體分子吸收而使氣體分子電離。

氣體離子在強電場作用下，不斷移動而形成電離電流。電離電流的大小與X線輻射強度呈正比例。利用這一物理特性，將電離室置于人體與膠片暗盒之間，X線照射時，被人體吸收后的那部分X線，仍可使電離室產生電離電流。此電離電流作為輸入控制信號，待X線膠片達到一定密度時，令執行元件切斷曝光。由上所述，當X線輻射強度大時，電離電流大，曝光時間短；反之，如X線輻射強度小，電離電流小，X線曝光時間則自動延長。

電離室的外形尺寸為400mm×400mm×15mm。根據人體各種生理部位攝影的需要，在電離室某些有利區域安置“測量野”。一般每個電離室表面裝有兩個或三個面積約為50cm2的測量野，多采用“三野結構”。三個測量野多安置于電離室表面中心位置，以使膠片中心的被檢部位影像密度均勻。但也因一些器官對稱于人體某部位，如肺等部位攝影時就可使用對準于兩肺中心的測量野。三個測量野可根據不同部位攝影的要求，用開關選擇單獨使用或任意組合使用。

（三）旋轉陽極啟動、延時與保護電路

旋轉陽極X線管的功率是基于陽極轉速達到額定值時的功率，如果在陽極轉速尚未達到額定值時曝光，將會造成X線管的靶面熔化損壞。因此，使用旋轉陽極X線管的X線機均設有旋轉陽極啟動、延時、保護電路。

由于旋轉陽極X線管內的陽極端裝有與陽極靶同軸的轉子，因此要使陽極轉動，必須在管子玻璃殼外壁靠近陽極端裝一個由鐵芯和繞組構成的定子，構成單相異步電機。定子繞組分啟動繞組和工作繞組，為使電機能夠自行啟動，兩個繞組以90°空間角鑲嵌在圓形定子鐵芯上，并把在時間上相差90°的兩相交流電引入定子繞組，便產生旋轉磁場，使陽極轉動。一般情況下，啟動繞組和工作繞組由同一單相電源供電，為使兩個繞組中的電流在時間上有一相位差，可在啟動繞組中串接電容器進行移相，此種電機稱為電容剖相式電機。在啟動繞組中串入電容后還加大了啟動轉矩，其大小與電容器的容量呈正比例。

為了加大啟動轉矩，也可加一較高的啟動電壓，待旋轉陽極正常運轉后，再將此電壓降低。由于旋轉陽極啟動電機工作時間不長，亦可采用同一啟動電壓。不管是哪種方式，啟動、正常運轉時兩個繞組都必須接入電路。

旋轉陽極轉動的方向，決定于啟動繞組與工作繞組的接法。如果將任一繞組的兩端換接，將會改變轉動方向。新型X線管對轉向沒有具體要求。

中型診斷X線機一般采用低速旋轉陽極X線管，當電源頻率為50Hz時，其陽極轉速理論值為3000r/min，實際轉速為2800r/min左右。在大型X線機中，為了提高X線管的功率，常采用3倍頻以提高陽極轉速，其陽極轉速理論值為9000r/min，實際轉速可高達8500r/min左右。

中、大型X線機一般均配備旋轉陽極剎車裝置。尤其是裝備高速旋轉陽極X線管的大型X線機都裝有旋轉陽極剎車裝置，剎車裝置一旦損壞，就絕對不能啟動X線機。

同時，為在曝光前確保旋轉陽極啟動，并達到規定轉速后才能接通高壓進行曝光，采用了旋轉陽極延時保護電路。一般在工作繞組中串聯一電流繼電器或電流互感器，以監測工作繞組是否有啟動電流流過；在啟動繞組串接的剖相電容器兩端并聯一電壓繼電器或電壓互感器，以監測啟動繞組是否有啟動電流流過。只有當工作繞組和啟動繞組工作均正常時，延時器才開始延時，經過1秒左右的延時，旋轉陽極達到規定的轉速后，旋轉陽極延時、保護電路才允許X線機曝光。

（四）X線管安全保護電路

X線管的正確使用是保證X線管安全和延長X線管壽命的根本措施。它包括X線管容量保護電路、過電壓保護電路、過電流保護電路和冷高壓保護電路等。

每只X線管都有它自己的最大額定規格，即最大允許容量，如果使用不當，超過它的極限，就會造成X線管的損壞。為了避免這種情況的出現，保證每次曝光都是在它的最大允許負載之下進行，大、中型X線機中都設有X線管容量保護電路。

由于X線管的瞬時負載大小，主要決定于千伏值、毫安值和曝光時間三參數的乘積，所以X線管容量保護電路是以X線管瞬時負載特性曲線為依據的。例如，XD51-20·40/125型旋轉陽極X線管瞬時負載特性，對每個焦點，每次攝影所選擇的千伏值、毫安值和曝光時間所對應的坐標點，都應落在瞬時負載特性曲線之下，如果落在曲線之上，保護電路就要動作，自動阻止曝光。

X線管容量保護電路也叫做容量限制電路、過載保護電路、或瞬時負載保護電路。它可從電路結構上防止操作者在選擇攝影條件時超過X線管的額定負載，屬于一次性預置保護，即防止X線管一次負荷（一次曝光）過載的保護。對額定值內的連續重復曝光而出現的累積性過載是不起保護作用的。對累積性過載問題，應根據X線管和管套的熱容量特性，嚴格遵守該管的曝光間隔要求，保證相鄰兩次曝光之間有足夠的間隔時間，以便讓X線管冷卻，這樣，才能確保X線管的安全。

1.參數連鎖式容量保護電路

在三鈕制控制臺中，千伏值、毫安值和曝光時間是分別調節的，均采用三參數連鎖式容量保護電路。其基本做法是使三參數連鎖控制，當某一個參數超過額定值時，由保護電路發出指令，使曝光系統不能工作。

2.負荷率式瞬時負載保護電路

“負荷率”是指X線管一次曝光的負荷占最大允許負荷的百分數。這種保護電路的基礎也是三參數連鎖保護，將千伏值、毫安值、曝光時間三參數連鎖的模擬信號送到負荷率指示儀表（實際是一直流電壓表）上，當預置的一次曝光負載超過額定值時，則通過驅動電路使保護繼電器工作，使曝光不能進行。由于設置了負荷率表，可以指示每次操作時X線管負荷的百分數，所以這種電路也稱為負荷率電路。負荷率表所指示的也是一次性的曝光負荷率。

3.降落負載式瞬時負載保護電路

在三鈕制控制臺中，千伏值、毫安值、曝光時間三個參量采用機械聯鎖或電路控制等容量保護電路，使X線管在某一額定電流值下對應著所允許使用的最高管電壓和最長曝光時間，出現一個接近于最大負載的階梯形曲線，但這種方法不能充分發揮X線管的使用效能。

在配備自動曝光系統的單鈕制控制的大功率X線發生裝置中，曝光時間由膠片感光密度決定。曝光一開始，X線管即在選定千伏值下，使用最高的允許功率（kW），其焦點的溫度接近到極限。然后，隨曝光時間的增長，自動使管電流逐漸減小，所對應的管電流使焦點的溫度近似恒定，充分發揮了X線管的效能，曝光時間保持最短。

有三級降落負載的曲線，第一級對應最大的管電流和很短的曝光時間t1；如在第一級膠片的感光度（密度）不足時，控制系統便自動過渡到第二級。第二級為較低的管電流和較長的曝光時間t2；假如前兩級的輸出能量仍不能使膠片達到理想的密度時，自動系統立即轉入第三級。

此外，在自動降落負載時，由于管電流隨曝光時間的增長而減小，必然導致主電路電壓降的減小，使管電壓相對增高，故在控制系統內必須有相應的管電壓補償電路。

（五）操作控制電路

操作控制電路是操縱X線發生裝置以完成各種曝光的電路。例如臺次選擇、透視及點片攝影、一般攝影、濾線器攝影、體層攝影、間接攝影、雙向血管攝影等操作控制，可通過開關或計算機發出信號，命令執行機構，使X線發生裝置產生X線。