3.9. Рентгеновские питающие устройства (РПУ)
К параметрам РПУ для компьютерных томографов предъявляют значительно более высокие требования, чем для обычных рентгенодиагностических и терапевтических аппаратов. Различают РПУ со следующими типовыми режимами:
- непрерывный при мощности от 4 до 6 кВт (Uа = 120 – 140 кВ, Iа = 25 – 40 мА) длительностью до 4 мин с перерывом, необходимым для перемещения пациента и подготовки его к сканированию следующего слоя;
- непрерывный при мощности 15 кВт (Ua = 120 – 140 кВ, Iа до 100 мА) длительностью от 3 до 30 с с перерывами для перемещения пациента;
- импульсный (Uа = 120 – 140 кВ, Iа = 250 – 600 мА), при длительности импульса от 1 до 6 мс, частоте следования импульсов 50 – 60 Гц и времени сканирования одного слоя от 2,5 до 10 с.
Томографические РПУ любого вида должны удовлетворять исключительно жестким требованиям к стабильности выходных величин: так, нестабильность напряжения dUа не должна превышать 0,1 – 0,5 %; тока dIа – 0,5 – 1 % при малом уровне пульсаций. (В обычных рентгеновских аппаратах величины dUa и dIа считаются удовлетворительными, если они составляют 5 %, а минимальный уровень пульсаций 3 – 5 %).
Для импульсных РПУ жесткие требования предъявляются к стабильности амплитуды, формы и длительности импульсов анодного напряжения. Стабильность амплитуды оценивается величиной 0,1 – 0,5 %, форма импульсов должна быть максимально приближена к прямоугольной и не изменяться во времени. Длительность импульсов в современных томографах менее 1 мс при максимально допустимой мощности излучателя.
Различают следующие группы схем построения РПУ для компьютерных томографов: 1) РПУ со стабилизацией и управлением величиной Uа по первичной стороне (стороне низкого напряжения); 2) РПУ со стабилизацией и управлением величиной Ua по вторичной (высоковольтной) стороне; 3) РПУ со стабилизацией величины Ua на вторичной стороне и его коммутацией при помощи управляющей сетки трехэлектродной рентгеновской трубки.
Для первой группы наиболее характерна схема построения РПУ томографа фирмы “EMI Medical” (рис. 3.14). Постоянство входного напряжения высоковольтного генератора ВГ поддерживается стабилизатором 3 напряжения, а тока трубки 10 — стабилизатором 5. При малой величине выходного сопротивления R высоковольтного генератора точность поддержания напряжения на трубке оказывается достаточно высокой.
Нестабильность напряжения Uа, которая определяется суммой нестабильностей, вызванных изменениями входного напряжения генератора dUвх и тока трубки dIа:
dUa » dUвх + dIaR.
В качестве источника напряжения для питания высоковольтного генератора используют мотор-генератор повышенной частоты 175 Гц. Его выходное напряжение стабилизируется отрицательной обратной связью, воздействующей на обмотку возбуждения генераторной секции.
Рис. 3.14. Функциональная схема рентгеновского питающего устройства со стабилизацией и управлением по первичной стороне: 1 — двигатель; 2 — генератор переменного напряжения; 3 — блок стабилизации напряжения; 4 — автотрансформатор; 5 — блок стабилизации анодного тока трубки; 6 — высоковольтный трансформатор; 7 — высоковольтный выпрямитель; 8, 9 — фильтры; 10 — рентгеновская трубка; 11 — блок питания цепи канала; ПУ — пульт управления; ВГ — высоковольтный генератор
Благодаря тому, что частота напряжения генератора 2 по сравнению с частотой сети повышена, значительно уменьшаются габаритные размеры и масса высоковольтного генератора. РПУ работает в непрерывном режиме, поэтому ослабляется влияние большой постоянной времени стабилизирующей цепи и появляется возможность использовать на выходе высоковольтного генератора индуктивно-емкостные фильтры 8 и 9. Пульсации высокого напряжения Ua сглаживаются малогабаритными высоковольтными конденсаторами. Паспортная величина нестабильности dUa не превышает 0,5 %.
Ко второй группе относятся томографические РПУ, созданные на базе питающих устройств мощных стационарных рентгенодиагностических аппаратов типов Continental (фирмы “CGR”) и Pandoros Optimatic (фирмы “Siemens”).
В функциональных схемах таких РПУ (рис. 3.15) применен принцип электронного регулирования при помощи высоковольтных тетродов в качестве регулирующих и стабилизирующих элементов.
Рис. 3.15. Функциональная схема рентгеновского питающего устройства со стабилизацией и управлением по вторичной стороне: 1 — высоковольтный трансформатор; 2 — высоковольтный выпрямитель; 3, 5 — фильтры; 4, 6— высоковольтные тетроды; 7, 8 — устройства управления сеткой тетрода; 9, 10 — усилители; 11, 12 — источники эталонного напряжения; 13. 14 — блоки сравнения; 15 — высоковольтный делитель; 16— рентгеновская трубка; 17— блок питания накала рентгеновской трубки; 18 —блок стабилизации тока трубки
Тетроды осуществляют три функции: задают величину, стабилизируют и коммутируют анодное напряжение. Поскольку напряжение на трубку подается симметрично относительно земли, в цепь каждого из выводов генераторного устройства ставят по тетроду и применяют два одинаковых канала управления.
Рассмотрим работу схемы. Величина Ua делится и измеряется прецизионным высоковольтным делителем 15, выходное напряжение с которого в блоках 13, 14 сравнивается с эталонным напряжением источников 11, 12.
Сигнал рассогласования — разность между эталонным и измеренным напряжениями — усиливается элементами 9, 10 и через устройства управления 7, 8 подается на управляющие сетки тетродов 4, 6.
РПУ данной группы представляет собой систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью, которая стремится стабилизировать величину напряжения на трубке при любом воздействии (колебании напряжения сети, изменении тока трубки или внутреннего сопротивления генератора).
Нестабильность напряжения на выходе РПУ связана с величиной возмущения DU и коэффициентом усиления зависимостью
Аналитически и экспериментально доказано, что РПУ второй группы обладают значительно более высокой стабильностью, чем РПУ первой, при меньшей постоянной времени процесса стабилизации.
Так, фирма “CGR” добилась в томографе ND 8000 снижения нестабильности dUа до 0,05 % путем использования РПУ данного вида, дополненного традиционными средствами первичной стабилизации — корректором сети и автотрансформатором. Однако данная схема имеет следующие недостатки:- основным рабочим режимом трансформатора является холостой ход, что значительно увеличивает габаритные размеры и массу высоковольтного генератора;
- высоковольтные тетроды являются источниками рентгеновского излучения и требуют для своего размещения высоковольтного бака, снабженного защитой;
- схема не позволяет получать импульсы Uа прямоугольной формы длительностью менее 1 мс;
- стоимость РПУ, построенных на основе этой схемы, относительно высока.
С целью повышения быстродействия томографов были созданы ротационные многодетекторные сканирующие устройства с импульсным питанием рентгеновской трубки. Поскольку РПУ второй группы для формирования коротких импульсов напряжения непригодны, возникла необходимость создания РПУ третьей группы, способных генерировать короткие импульсы напряжения с высокостабильной амплитудой. Совместно с РПУ этой группы используют трехэлектродные рентгеновские трубки с управляющей сеткой. Функции стабилизации, управления и коммутации выполняют два независимых электронных блока.
Сеткой трубки управляют с помощью импульсного трансформатора с малым внутренним сопротивлением, причем управляющий блок располагают вблизи излучателя. Коммутация по сетке обычно осуществляется синхронно с переменным сетевым напряжением. Примером построения РПУ третьей группы может быть питающее устройство томографа Somatom фирмы “Siemens”.(рис. 3.16).
Рис. 3.16. Функциональная схема рентгеновского питающего устройства со стабилизацией и управлением по вторичной стороне и коммутацией по сетке трубки: 1 — трехэлектродная рентгеновская трубка; 2 — блок управления сеткой трубки; 3 — устройство синхронизации; I — основное питающее устройство
Стабилизация анодного тока Ia трубки в томографических РПУ осуществляется (так же, как и в обычных рентгенодиагностических аппаратах) изменением напряжения накала.
Типовая схема стабилизатора Iа приведена на рис. 3.17.Напряжение, пропорциональное анодному току, снимают со средней точки высоковольтного трансформатора 1, выпрямляют (блок 2) и подают на устройство сравнения 3 вместе с эталонным напряжением источника 4. Полученный в результате сравнения сигнал рассогласования подают на вход регулирующего элемента 5, который задает необходимую величину напряжения накала трубки 6.
Чтобы уменьшить пульсацию анодного тока, цепь накала трубки в некоторых системах питают выпрямленным напряжением. Для управления напряжением накала используют электронные лампы, транзисторы, тиристоры и магнитные усилители.
Рис. 3.17. Функциональная схема стабилизатора анодного тока трубки: 1 — высоковольтный трансформатор; блоки: 2 — уставки тока и выпрямления; 3 — сравнения; 4 — эталонного напряжения: 5 — регулирования и питания накала; 6 — рентгеновская трубка; ВВ — высоковольтный выпрямитель