第三节　高压发生装置

一、高压发生装置的基本结构

高压发生装置由高压变器、X线管灯丝变压器、高压整流器和高压交换闸等高压元件构成，高压元器件除X线管组件和高压电缆之外，其余的都封装在高压发生器箱内。高压发生器主要由高压变压器、X线管灯丝加热变压器、高压整流器、高压交换闸、高压插座、高压绝缘油等组成。

高压发生器的作用是：产生并输出X线管所需要的直流高压；产生并输出X线管灯丝加热所需要的低电压；完成多管X线机中不同X线管的管电压及灯丝加热电压的切换。

二、工频高压变压器的结构与特点

（一）工频高压变压器的结构

传统的工频高压变压器的结构由铁芯、初级线圈、次级线圈、绝缘物质及固定件等组成，作用是将100～400V的交流电压升高为100～150kV，再经整流供X线管使用。它是一个初、次级线圈匝数比很大的升压变压器，其工作原理与分析方法同普通变压器。要求结构紧凑、体积小、重量轻；具有良好的绝缘性能，线圈内阻尽量小以使其在工作时内部不产生过大的电压降。

1.铁芯

作用是给磁通提供通路，高压变压器的铁芯选用热轧碳素硅钢片D41-D44或冷轧碳素硅钢片D310、D320、D330制成。现代高压变压器的铁芯，广泛采用C形卷绕铁芯，用带状冷轧硅钢片经过卷绕、成形、退火、浸渍和切割等多种工序加工而成。这种C形铁芯，由于卷绕紧密，接缝量小，导磁性能较好，因此磁化电流低，空载电流小，与相同容量的其他形状铁芯相比，可减少铁芯重量和体积。

2.初级线圈

在X线发生装置工作电路中，虽然加在高压变压器初级线圈上的电压不高，一般在400V以下，但是在负载情况下，高压变压器初级线圈流过的电流很大，摄影时瞬间电流可达到上百安培。因此，生产变压器时其初级线圈所用的导线要有足够线径，机械强度要高。一般采用环氧树脂漆包线、玻璃丝包圆铜线或扁铜线，分层绕在用绝缘纸及纱带包好的铁芯上成为一个完整的线圈线包，层与层之间用绝缘纸隔开绝缘。

有的高压变压器将初级线圈绕制成两个，然后串联或并联在一起使用。此时要特别注意两个线圈的首尾端接线不能接错，否则磁通将反向抵消而无输出。

3.次级线圈

为提高效率，高压变压器的初、次级线圈通常绕在铁芯的同一个臂上，次级线圈绕在具有一定厚度且有足够的机械强度和绝缘性能的绝缘筒上，绝缘筒套在初级绕组上，兼作初、次级间的绝缘。

在X线发生装置中，要求高压变压器的次级线圈输出电压为40～150kV，但是负载时流过线圈的电流很小，一般不超过1500mA。故绕制次级线圈所用的导线多采用QZ 序列线径较小的高强度漆包线。因输出电压高，所以其绕制线圈的总匝数多达数万匝或数十万匝，从里到外绕制成若干层。各层的绕线匝数不同，最里面的一层绕线匝数最多，从里向外各层的绕线匝数依次减少，绕制完后整个线圈呈阶梯形。层间用电容器纸或黄蜡绸等隔开绝缘，绝缘纸的宽度每边均要超过线圈绕线宽度5～15mm，以防止相邻的两层之间产生放电击穿现象。为了增加线圈的机械强度，最里面的层及最外面的二层、三层都用线径较大的高强度漆包线绕制。线圈的外表面围绕一条宽约2cm 的不闭合薄铜片，该铜片与线圈绕线的末端相连，对外方便引线和接线牢固。

次级线圈通常绕成匝数相等的2个（或4个）线圈，两个线圈的始端接在一起并接地，该处位于线圈的最里层，距离初级线圈最近，电位最低。两个次级线圈的末端（即线圈外表面铜片引出线端）就是高压变压器的输出端。这样次级线圈的电压随着由里层到表层层数的增加而增加，一般层间电压差为1000～1500V。有的高压变压器在初、次线包之间绝缘筒上放置一层不闭合的薄铜片隔开，并将铜片接地，以防高压初、次级间击穿时对机器和人身产生损害。

4.高压变压器次级线圈的中心接地

诊断用X线发生装置高压变压器的次级线圈通常绕成参数相同的两个线圈，两线圈的始端连接在一起，并将此中心点接地称为高压次级中心接地，又叫次级线圈的中心接地。

高压变压器次级中心接地后，该中心的电位就与大地相同，为零电位，这样两个次级线圈的另一根输出线对中心点的电压就为两根输出线间电压的一半（图1-13）。假如高压变压器要产生100kV 的电压，则两根输出线间的电压为100kV，而每根输出线相对中心点的电压却为50kV，这样，制造高压变压器所需要的各种元器件的绝缘要求就降低了一半，输出高压的两根电缆线的绝缘要求也降低了一半，所以高压次级中心接地的主要目的是降低高压变压器、高压电缆的绝缘要求，所以称作工作接地。另外，由于高压变压器次级中心点电位为零，就可以在此处串入指示管电流的毫安表。因此处电位趋于零，毫安表可安全地安装在控制台面上，方便技术人员在操作中观察表的指示情况，保证了操作人员的安全。此时为防止毫安表电路断路故障而使中心点电位升高，特设有保护装置。多数X线发生装置都是在该中心点两根引出线的接线柱上并联一对放电针或一个充气放电管。当断路发生，中心点电位升高时，放电针放电或充气放电管起辉导通，将高电位处对地接通，起到保护作用。

5.高压油箱

在高压发生器发展的初级阶段，实现高压下的正常工作并不是一件容易做到的事，为了保证在高压下主机的正常工作，除了选用可靠的高耐压器件，还需要在设计高压油箱时采取相应的技术措施，这包括适当的元器件间的空间距离和爬电距离；变压器的绝缘保证；绝缘高压油的选用；注油工艺等。以注油工艺为例，为了保证变压器或浸入油箱中的器件中不存有可能导致击穿的气泡，在加油的过程需要先经过加热以去除吸附于固体之上的气体或水汽，然后再缓慢从底部逐渐注油，在注油过程中还需要采用加热、振动、真空、超声等辅助方法以减小存在气泡的可能性。

6.单相与三相电供电

X线发生器诞生的100多年来，基于工频的高压发生器经历了工频单相自整流、工频单相半波整流、工频单相全波整流、三相12波整流等几个发展阶段，从工程上看采用三相供电相当于将高压的频率提高到原来的三倍，这对于减小高压的纹波进而减小射线中的无效成分显然是有益的。图1-14是各种供电方式输出高压经整流后的高压波形。

（二）工频高压变压器的工作原理

高压变压器的工作原理同普通变压器，遵循如下分析：

1.初、次电压之比等于初、次级绕组匝数之比，计算公式为：

K=U1/U2=N1/N2

式中K 为变压器的变压比，U1为初级电压，U2为次级电压，N1为初级绕组，N2为次级绕组。

高压变压器因是一个次级升压很高的变压器，所以其变压比大，可升压数百倍，该变压比是高压变压器的重要参数。

根据公式可知，在变压比不变的情况下，调节初级输入电压就获得了不同的次级输出高压电压，这就是多数X线发生装置用来调节管电压的方法。

2.当忽略不计高压变压器本身的损耗时，变压器遵循能量守恒定律，初级输入功率等于次级输出功率。公式为：

P1=U1I1，P2=U2I2　U1I1=U2I2

公式表明，高压变压器的输出功率是由初级提供的，工作中需要输出功率高时，在初级电压一定时，其初级电流就越大。

3.当高压变压器空载时，初级线圈中有一很小的励磁电流流过，称为空载电流，是衡量变压器质量的参数之一。空载电流的大小决定了无功功率的大小，对变压器来说，空载电流越小越好。

（三）工频高压变压器存在的不足

随着电子技术的发展，工频机高压变压器的设计显现出很大不足。

1.结构笨重

变压器铁芯截面的大小与交流的频率相关，频率低则面积大，因此工频变压器的体积与重量往往都很大，这给安装和运输带来许多不便。

2.线束频谱宽

由于工作频率低，因此升压后经整流如果需要滤波将不得不采用耐压高、容值大的电容，这在工程上是有难度的，传统的高压发生器往往在升压整流之后未加有效滤波就直接将脉动的高压施加于X线管之上，X线管上的一个高压脉动周期上，其产生的X线在不同时刻的谱分布是不一样的，由此可见在一个脉动周期内射线中的无效成分加大了，这将导致患者和医师吸收X线剂量较大，不利于防护；而且成像质量差，易形成伪影，影响医生诊断。

3.曝光参量精度低

由于自耦变压器的内阻与碳触点的位置有关，空间电荷效应具有非线性，所以管电压（kV）补偿和管电流（mA）抵偿的准确度下降；曝光时间长，一次最短有效曝光时间大于3毫秒。此外传统的高压发生器只能交流供电，否则无法使用。

由于工频机存在上述诸多不足，许多国家已不再使用，目前国际上X线机多用中高频高压变压器。我国中频机技术也正趋成熟。

三、中、高频高压发生器

随着电子原器件、计算机技术的进步以及大功率高压技术的突破，极大地推动了中、高频高压发生器的技术发展。

（一）中高频高压发生装置的系统构成

中、高频X线机的控制同工频X线机的控制有着较大的区别，一般需要借助计算机完成，尤其对于数字X线机而言，系统中还包括了图像采集等，计算机成为协调各部分工作必不可少的核心控制单元。因此对于数字X线机而言，整个电气系统同传统X线机相比有较大的区别。图1-15是一个数字X线机电气系统逻辑框图。

图1-15所示的数字X线机系统逻辑框图中，X线机的高压发生模块逻辑框图和其相应的控制部分可以看成是高压发生器子系统，图1-16示出了这一子系统的完整逻辑框图。这一子系统由主电路（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）、阳极启动等其他控制电路和计算机系统等构成。

高频高压发生装置主要由控制系统（系统电源、HT控制CPU板、调整板、灯丝驱动板、低速启动板、IPM驱动板、主逆变、放电板、采样板、接口板、LCD控制CPU板、按键显示、保护系统、监控系统、与其他系统之间的通讯与配合）、高压变压器等组成。

（二）中高频机工作原理

中、高频机的工频电源电压U0 经过整流、滤波之后变为几百伏的直流电压U1，此电压经主逆变电路后成为几百赫兹至十万赫兹的中、高频电压U2，该电压被送到高压变压器初级，经升压以及整流、滤波（多为倍压整流）后变为恒直流高压U3，作为X线管的管电压。灯丝加热也采用类似的方法，工频电源电压U0 经过整流、滤波之后变为几十或几百伏左右的直流电压U4，此电压经灯丝逆变电路后成为几千或几万赫兹的中、高频电压U5，该电压被送到灯丝变压器初级，其次级输出电压作为X线管的灯丝加热电压。

计算机控制电路是整个中、高频机的核心，其主要作用是通过读、写数据并发出指令来协调整机电路有条不紊的工作。它一般由单片机和外围电路组成。主逆变触发和灯丝逆变触发大多采用闭环控制模式，在曝光过程中，千伏值检测信号和毫安值 检测信号与曝光参量设定值进行实时比较，比较信号不断跟踪调整主逆变触发脉冲的频率和灯丝逆变触发脉冲的宽度，从而实时调整千伏值和毫安值。通过服务开关可以设置X线管、主机以及主机外围设备的一些参数，同时还可以调用服务程序完成模拟曝光、显示实际千伏值和毫安值、显示X线管热容量等多种功能。键盘操作、数码或液晶显示、曝光操作以及X线管阳极启动等都由计算机系统控制和管理。若配以相应的装置，中、高频机还可实现自动亮度控制（automatic brightness control，ABC）和自动曝光控制（automatic exposure control，AEC）。中、高频机多设有较完善的故障检测及保护，故障显示等电路。

在高频高压发生器中，中、高频的逆变是较为关键的一个部分，它直接决定了高频高压发生器的关键技术参数，长期以来它一直是高频高压发生装置的发展的制约环节。

（三）中、高频机的优势

中、高频机从工频机发展而来，它克服了工频机的许多不足，改变了工频机的传统结构模式，具有一系列独特的优点，正逐渐成为高压发生器的主流。

1.输出高质量的X线

中频机的X线频谱单色性好。在工频范围内不易使用电容对高压进行滤波，但在中、高频范围内只需使用容值相对较小的电容即可获得有效的滤波，因此输出的电压更稳、单色性更好，高压输出的脉动量非常小，近似直流将提高X线质的平均强度（半价层）或感光有效成分，因此皮肤接受的剂量低，曝光时间短，图像质量高。

从物质吸收X线的规律可知，对单能窄束X线，其物质吸收遵守指数衰减规律，X线通过物质后，只有光子数量的减少，没有光子能量的变化。但物质对于连续X线的衰减，就不遵守指数衰减规律，X线通过物质后，不仅有光子数量的减少，而且其能量谱也发生变化，产生X线的硬化效应（即透射X线中的高频成分的比例加大）。硬化效应会形成伪影，一般来说，硬化效应越大，影像质量就越差。中频机相对工频机来说，谱线单色化程度大大加强，确保了成像质量进一步提高。

2.输出剂量大

由于中频机输出的X线谱线中高能成分大大增多，在获得胶片黑化度相同的情况下，中频机的mAs是工频机的60%，减少了患者接受X线照射量。

例如，单相工频机中一个脉冲的持续时间为10ms，而大于0.707倍峰值的持续时间约为5ms，其中另外5ms内产生的X线都是无用的。而中频机的波形近似直流，整个曝光时间周期内产生的X线都是有用的，所以，中频机如果曝光10ms的剂量，则工频机就需要曝光20ms，曝光时间增加了一倍，这不仅加大了患者的辐射剂量，而且由于成像加长势必增大了动态模糊度，严重影响了成像质量。

如果曝光时间相同，中频机使用300mA提供的X线剂量与工频机使用500mA提供的X线剂量相同。

3.实时控制，控制精度高

中频机中千伏值和毫安值都是由微机管理的，采取闭环控制。根据实际检测值进行跟踪调整，实现了实时控制，控制精度很高。而在工频机中都是采用预调的办法，不可能实现实时控制。

4.X线输出稳定、重复性好

中频机中都是采取闭环控制，由于中频机的曝光参数的设定值可以做得很精确，检测电路可以做得很稳定，所以不论影响千伏值和毫安值的因素有多少，只要它们变化在某一允许范围内，则中频机每次曝光的输出量都可以保持一致。由于闭环控制具有实时性，所以中频机不需要千伏值补偿电路和空间电荷等补偿电路。

5.实现了结构小型化

根据变压器原理，电压/（频率×匝数×铁芯截面积）=常数，所以要得到同样的电压，其电源频率需要提高几倍，才能使匝数、铁芯截面积的乘积减小几倍。因此，中频机在功率不减小的前提下，发生器可以制作的很小，实现了结构小型化。大容量的组合式管球制作也成为可能。大容量的组合式管球在CT机上也有非常重要的应用，为滑环CT机的应用提供了前提。

6.有利于向智能化发展

中频机已全部电子化，很容易与计算机进行配合，计算机技术的应用将使X线机的性能（降落负载、实时控制、状态监测、故障报警与诊断、自动化处理、系统控制等）提高到一个数字化的崭新水平。

7.可直接用直流供电

中频逆变是从直流逆变而来的，所以许多中频机，可直接用直流供电，这意味着可利用储能器件解决电源条件的难题，对于缺少交流电或电源条件差的场所，如边远地区、地质和野战等恶劣条件下，具有特殊意义。有些移动式的X线机也使用电容储能方式或电池储能方式工作。

此外效率高也是中频机的一个优点。

表1-1给出工频机和中频机的性能比较。

四、高压整流器

高压整流器是一种将高压变压器次级输出的交流高压变为脉动直流高压的电子元件。有自整流、桥式整流和高压硅堆整流三种：

自整流X线机：利用X线管本身的整流作用整流的X线机称之。

桥式整流：通过桥式整流电路进行的整流。

高压硅堆整流：许多单晶硅做成的二极管以银丝串联而成，外壳采用环氧树脂。

中高频X线机由于本身进行了交流逆变为高压直流，故不需要整流电路。

五、高 压 电 缆

高压电缆把高压发生器产生的高压输送到X线管两端，把灯丝加热电压输送到X线管阴极。其结构由内向外依次为：导电芯线、内半导体层、高压绝缘层、半导体层、金属屏蔽层、保护层。

1.导电芯线

位于最内层，多股铜丝制成，外包绝缘橡皮。作用：传送高压、传送灯丝加热电压。芯线数目不一，二芯供单焦点X线管用，三芯供双焦点X线管用，四芯供三焦点X线管用等。

2.内半导体

由具有半导体性能的橡胶制成，位于非同轴电缆芯线外围。其作用是使芯线与高压绝缘层之间的静电场分布均匀。避免凸起部分发生击穿。

3.高压绝缘层

位于导电芯线（或内半导体层）外侧。厚4.5～20mm，灰白色天然橡胶制成，或用高绝缘性塑料制成，耐压要求：50～200kV（峰值）之间。其作用是使芯线的高电压与地之间绝缘。

4.半导体层

紧包在高压绝缘层外，由具有半导体性能的橡胶制成。其作用是防止高压静电场引起的不良影响。

5.金属屏蔽层

紧包半导体层，直径不大于0.3mm的镀锡铜丝编制网状。其作用是一旦高压击穿，芯线与金属屏蔽层短路，屏蔽层通过固定环接地，保护操作者和患者安全。

6.保护层

机械保护、防止有害气体、油污和紫外线对高压电缆的危害。

六、其他高压部件

其他高压部件有高压交换闸，高压插头与插座，变压器油等。