第六节　基本结构与电路

一、X线发生器的基本结构

X线发生器的基本结构包括X线管、高压发生装置、控制装置，基本电路包括电源电路、高压初级电路、高压次级电路、灯丝加热电路、控制电路。

二、电 源 电 路

X线机电源电路是给自耦变压器供电的电路。

主要元件：电源接触器、电源保险丝、自耦变压器、电源电压补偿调节装置、指示仪表。

电路由保护装置（35A保险丝）、电源接触器LC、按钮开关LS、自耦变压器T1、电源电压表及指示灯组成。

电源电路包括：电源接触器LC线圈供电电路；电源接触器自控电路；自耦变压器电路；电源电压表指示电路等。

三、灯丝加热电路

灯丝加热电路由稳压器、毫安调节器、空间电荷补偿装置、灯丝变压器等组成，是为X线管灯丝提供加热电源的电路，又称mA调节电路。灯丝加热电路分灯丝初级电路和灯丝次级电路。次级电路与X线管的阴极灯丝相连。

灯丝加热电压↑→灯丝温度↑→灯丝发射的电子数量↑→管电流↑→X线量↑，所以mA的调节可通过改变灯丝变压器初级电压来实现。在初级电路中串联电位器实现mA调节。透视：半可调电阻，摄影：可调电阻。

透视管电流的调节：当调整好R2后，即将管电流限制在某一定值，R1的旋钮在控制台面上，并装有刻度盘。同时可作为透视毫安的预示。

摄影管电流调节器：在电路里串联一个或数个有若干抽头的半可调电阻，利用分线器在控制台进行操作，其对应的毫安值也由台面预示，故称毫安选择器。

空间电荷补偿装置：由于空间电荷作用，管电流不仅与灯丝的加热电流有关，而且与管电压的变化有关。在一定范围内，毫安值随千伏值的增高而增大，使X线的质和量不能分开调节。其原理是通过改变灯丝加热电压的办法来补偿千伏值对毫安值造成的影响。即在增加千伏值的同时，相应地减小灯丝加热电压，使毫安值保持不变。

变压器式空间电荷补偿电路是将补偿变压器的初级线圈与高压变压器的初级并联，即初级电压随千伏值调节而改变。千伏值增高初级电压亦增高，反之则低。其次级线圈与灯丝变压器初级线圈相互串联，并使补偿器次级所感应的电压与灯丝变压器的电源电压极性相反。因而即使增加管电压，由于灯丝加热电压随千伏值增加而减少，管电流仍保持不变。

电阻式空间电荷补偿原理与变压器补偿法基本相同。在X线管灯丝加热电路初级中串联一个电阻，从电阻上接出若干抽头，通过与千伏值调节器连动而选择一定电阻值。千伏值越高，所串联的电阻值越大。这样千伏值增加引起的管电流得到补偿。使管电流保持相对稳定。

交流稳压器：多采用谐振式磁饱和稳压器。稳定达±1%。

四、工频X线发生器高压初级电路

工频X线高压初级电路是指由自耦变压器到高压变压器初级线圈所构成的回路。包括管电压调节电路、管电压控制电路、管电压预示、管电压补偿电路、接触器等。

（一）管电压调节电路

管电压调节电路，是用改变高压变压器初级输入电压的方法来调节管电压。高压变压器B2初级线圈经控制元件的触点，从自耦变压器B1上取得电压。电压的改变采用手动的多接点调节器与自耦变压器不同输出的抽头相连接，从而得到不同数值的输入电压。

（二）管电压控制电路

管电压控制电路的作用是控制X线管管电压的得失。控制方法有电磁接触器控制高压初级电路、晶闸管（可控硅）控制高压初级电路、初次级配合控制与三极X线管控制、电磁接触器控制高压初级电路。

1.防突波装置

初级电路断开与闭合瞬间，由于电磁感应，使高压次级发生暂态过电压，即突波。

2.晶闸管（可控硅）控制高压初级电路

两个可控硅SCR1、SCR2组成反并联电路。当A、B与C、D之间无触发信号时，电路呈切断状态，高压变压器初级HT无电压输入。在曝光前，接触器SC的触点先闭合。此时因SCR1、SCR2未导通，电路无负荷电流，故SC闭合瞬间无电弧放电。在电路设计上SC导通时间比可控硅早0.8秒，后由可控硅导通。

3.管电压预示电路

对X线管千伏值的测量采取预示的方法。即在X线管空载时，测量高压初级电压，根据高压变压器的变压比，计算出高压次级电压，预先将本次曝光X线管两端可能加的实际千伏值指示出来。例如：一个高压变压器初、次级电压对应关系是190V/100kV，由此计算出，初级1.9V对应1kV。这样可将交流电压表刻度盘上190V处改刻为100kV，95V处改刻为50kV。如此等。

4.管电压补偿

管电压负载时，X线管两端的实际千伏值要小于预示的千伏值，且随毫安的变化而变化，这种现象严重影响摄影效果，所以中高型X线机在千伏值预示电路中设置了千伏值补偿电路。千伏值补偿的基本原理是：用某种方法按不同毫安值预先增加高压变压器的初级电压，以补偿负载时的电压下降。补偿的kV值正好等于负载时降落的kV数值。在kV表电路里串联一个多抽头可调电阻器，各抽头分别与管电流选择器的相应档次相连，并与管电流选择器联动。

五、中、高频X线发生器高压初级电路

中、高频X线发生器高压初级电路通过逆变电源可将低压直流经交流化而升至高压直流的部件。实际的逆变过程中，要经过了由工频转换为直流、再由直流转换为中频交流的两个阶段，所以，中频逆变器由直流电源、直流逆变和逆变控制三部分组成：

（一）直流电源

小型逆变式X线机可直接用蓄电池供电，或由交流电经整流后变为直流电。15kW 以下的逆变式X线机一般使用单相电源，经桥式整流或倍压整流后转换成直流电源。15kW 以上的逆变式X线机多采用三相可控桥式整流电源。如图1-17所示为SX32-I型逆变式X线机的开机及三相整流滤波电路。

当变压器 T1初级（1，2）端输入 220V 后，T1次级（3，4）端输出18V 的交流电压。经硅桥V1整流，电容器C1滤波后产生24V 的直流电压。因此时开机和关机按键均处于开路状态，三极管V3 截止，继电器KS 不工作。

开机时，将“⊙”按下，则24V 电源经R1 R2分压后使V3 偏置导通，继电器KS 吸合。其二对触点闭合使KS 自锁；另一对触点闭合后使电源接触器KL 得电工作。其触点闭合，则三相380V 50Hz 电源输入到三相桥式整流电路。然后经继电器KX触点（摄影准备时闭合，结束时断开）或电阻RX（透视时KX断开）加于电容器CA，CB。经滤波后输出540V直流电压，送往VMOS逆变电路，作为逆变电路的直流电源。同时通过降压变压器T2（图1-17）提供控制台本身和外部床台使用的各种交流电压。

关机时，按下“○·”时，V3反偏置截止，KS 和KL释放，380V 和T2 电源被切断。

（二）直流逆变电路

1.桥式逆变原理

多用于高压逆变和灯丝加热逆变电路中，其原理如图1-18 所示，图中K1～K4是4 只开关器件（可以用晶闸管、场效应管等），Z 为X线管的等效负载阻抗，通过适当控制4 只开关的动作来实现直流到交流的逆变。

若电路上能确保4 只开关按以下顺序开闭，则在负载Z 上的电压波形就是正、负交替的矩形波（图1-19）。

时间 t1：K1，K2闭合，K3，K4断开，电流为 i1，Z 上电压为E。

时间 t2：K1，K2断开，K3，K4断开，电流为 0，Z 上电压为0。

时间 t3：K1，K2断开，K3，K4闭合，电流为 i2，Z 上电压为-E。

时间 t4：K1，K2断开，K3，K4断开，电流为 0，Z 上电压为0。

t1～t4为一个周期T，然后周而复始。如果周期T 适当，就可输出正负交替的矩形波。

图1-19中t2和t4的作用是为了防止实际中可能存在的K1、K4或K2、K3同时导通而产生巨大的短路电流。

图1-18所示的桥式逆变又称为全桥式逆变，与此对应还有半桥式逆变，图1-20为原理图。

2.桥式逆变器示例

图1-21所示是一个典型的基于VMOS的RLC 串联桥式逆变器。电路中包括有 K1，K2，K3，K4 4 个 VMOS 管。

当转换开关，4个VMOS被交替触发，在RLC串联电路中形成衰减振荡。当K1，K2被触发而导通，振荡电流为i1，但衰减的正弦电流只能出现在一个周期中，因为在通过D1，D2形成i1负半周期的过程中，K1，K2 已被截止，所以第二个周期不可能出现。当K3，K4被触发而导通，振荡电流为i2，但i2与i1反向，也只能在一个周期内出现。即如果K1、K2闭合后，稍大于半周期的某一时刻，将K3、K4闭合，总电流i如图1-22 所示，形成近似的正弦波电流，并通过互感线圈输出。

在高频高压发生器问世的最初阶段，逆变主电路中功率器件以可控硅为主要的选择，由于可控硅的可靠性差、对负载电路的纯阻性要求较高，因此电路的稳定性不高，近年来，VMOS、IGBT、IPM等更多地被选择为高压发生器的功率器件。

（三）逆变控制

交流电压的有效值为U=1/T∫T 0 udt式中T 为周期，U 为电压有效值，u为电压瞬时值。由此式可知调节电压有效值有两种方法：调宽控制和调频控制。

1.调宽控制

在电压u 的周期T 不变时，通过改变变压器初级回路中电压u 的脉冲宽度（占空比），来实现改变输出电压的控制方式（图1-23）。虚线表示的信号占空比大于实线表示的信号占空比。调宽控制法常被用于灯丝电压的调整电路。

2.调频控制

通过改变变压器初级回路中电压u 的频率来实现改变输出电压的控制方式（图1-24）。实线表示的信号周期为T1，虚线表示的信号周期为T2，T1大于T2，即频率f1小于频率f2调频法常被用于管电压的调整电路。

3.控制方式示例

图1-25 为逆变式X线机调频控制管电压的原理方框图。控制电路由千伏值检测、比较器、压频变换器（V/f）等组成。主电路由直流电源、桥式VMOS管逆变器、高频高压变压器、整流滤波电路、X线管等组成。

比较器的同相输入端输入电压Vs为管电压预置值，反相输入端输入电压Vr 为实际管电压的取样值，它与实际曝光时加在X线管两端的直流高压呈正比，比较器输出电压Vd与两者的差值呈正比，Vd控制压频变换器（V/f）的输出频率，即比较器的输出电压控制压频变换器的输出频率，从而改变逆变器中的VMOS的触发频率，实现调整管电压的千伏值。

在曝光开始的瞬间，由于预置电压一定，高压还未形成，触发频率最高，高压滤波电容的充电速率最大，千伏值迅速上升，随着实际千伏值的增大，触发频率下降，千伏值上升速度变慢。当预置电压值等于实际千伏检测值，误差电压为零，触发频率稳定，使千伏值维持在预置值的水平上。若因某种原因，例如电网电压波动使千伏值发生变化，则因调频控制过程是闭环控制，该闭环回路立即自动跟踪调整，千伏值发生相反方向的变化，使千伏值维持在预置值上，克服了电网电压波动对千伏值的影响，所以逆变式X线机对电源要求较低。

六、高压次级电路

高压次级电路是由高压变压器次级线圈到X线管两极所构成的回路。有单相全波整流高压次级电路、三相全波整流高压次级电路等类型，本节以单相全波整流高压次级电路为例讲解。

1.高压整流电路

单相全波桥式高压整流电路由四个高压硅堆构成整流桥。在交流电的任一半周，都能产生X线。高压变压器次级中心点接地。

2.管电流测量电路

在单相全波整流电路里，一般将次级中心点的交流电流整流后，再用毫安值表进行测量。

3.毫安表测量电路

七、控 制 电 路

（一）限时电路

限时电路是控制X线曝光时间的长短，通过它能准确地控制X线的照射量（毫安值一定时）的电路。目前，大中型X线机一般采用电子限时电路，其基本工作原理是利用电容器和电阻构成的RC充放电特性。

在控制X线曝光时间的方法上，过去一般是将限时电路的控制接点串接在高压接触器的线圈电路中，用控制高压接触器的工作时间来达到控制曝光时间的目的。由于所使用的交流接触器本身的固定释放延迟，使最短曝光时间受到限制。目前，大中型X线机已广泛使用晶闸管无触点开关，代替常用的交流接触器。这样，可根据限时电路的信号，直接控制高压的接人和关断，能够准确、有效地做到零相位接入高压，避免过电压的产生。

（二）自动曝光控时电路

自动曝光控时电路是在X线通过被照物体后，以达到胶片上所需的感光剂量（即胶片密度）来决定曝光时间的；胶片感光剂量满足后，自动切断高压，所以自动曝光控时电路也称为mAs限时电路。自动曝光控时电路分为光电管自动曝光控时电路和电离室自动曝光控时电路。

1.光电管自动曝光控时电路

它利用可见光的光电效应来达到控制目的。它通过一个薄板状的“光电拾光器”，将摄影时荧光板发出的荧光经反射沿有机玻璃板导入光电倍增管的锑-铯光电阴极上，利用其光电效应获得光电子，经光电管倍增放大后转换成光电流，再经放大器、积分/比较放大器、逻辑电路等，驱动控时执行元件，完成自动曝光控制。光电流的大小与穿过人体之后的X线辐射强度呈正比例。这种系统的要求是：当照片感光量达到要求值时，恰恰等于积分电容器的两端电压足以推动控制系统，而使曝光结束。改变光电拾光器的位置，能使一台通用X线机进行各种部位的光电管自动曝光控时摄影。

2.电离室自动曝光控时电路

它是利用电离室内气体电离的物理效应，使X线胶片在达到理想密度时自动切断曝光。它比光电管自动曝光系统的应用范围广泛，在各种诊断X线机的摄影中几乎都可采用。

电离室的结构包括两个金属板平行电极，中间为气体。两极板间加上直流高压，气体作为绝缘介质并不导电；但当X线照射时，X线量子被两极间的气体分子吸收而使气体分子电离。

气体离子在强电场作用下，不断移动而形成电离电流。电离电流的大小与X线辐射强度呈正比例。利用这一物理特性，将电离室置于人体与胶片暗盒之间，X线照射时，被人体吸收后的那部分X线，仍可使电离室产生电离电流。此电离电流作为输入控制信号，待X线胶片达到一定密度时，令执行元件切断曝光。由上所述，当X线辐射强度大时，电离电流大，曝光时间短；反之，如X线辐射强度小，电离电流小，X线曝光时间则自动延长。

电离室的外形尺寸为400mm×400mm×15mm。根据人体各种生理部位摄影的需要，在电离室某些有利区域安置“测量野”。一般每个电离室表面装有两个或三个面积约为50cm2的测量野，多采用“三野结构”。三个测量野多安置于电离室表面中心位置，以使胶片中心的被检部位影像密度均匀。但也因一些器官对称于人体某部位，如肺等部位摄影时就可使用对准于两肺中心的测量野。三个测量野可根据不同部位摄影的要求，用开关选择单独使用或任意组合使用。

（三）旋转阳极启动、延时与保护电路

旋转阳极X线管的功率是基于阳极转速达到额定值时的功率，如果在阳极转速尚未达到额定值时曝光，将会造成X线管的靶面熔化损坏。因此，使用旋转阳极X线管的X线机均设有旋转阳极启动、延时、保护电路。

由于旋转阳极X线管内的阳极端装有与阳极靶同轴的转子，因此要使阳极转动，必须在管子玻璃壳外壁靠近阳极端装一个由铁芯和绕组构成的定子，构成单相异步电机。定子绕组分启动绕组和工作绕组，为使电机能够自行启动，两个绕组以90°空间角镶嵌在圆形定子铁芯上，并把在时间上相差90°的两相交流电引入定子绕组，便产生旋转磁场，使阳极转动。一般情况下，启动绕组和工作绕组由同一单相电源供电，为使两个绕组中的电流在时间上有一相位差，可在启动绕组中串接电容器进行移相，此种电机称为电容剖相式电机。在启动绕组中串入电容后还加大了启动转矩，其大小与电容器的容量呈正比例。

为了加大启动转矩，也可加一较高的启动电压，待旋转阳极正常运转后，再将此电压降低。由于旋转阳极启动电机工作时间不长，亦可采用同一启动电压。不管是哪种方式，启动、正常运转时两个绕组都必须接入电路。

旋转阳极转动的方向，决定于启动绕组与工作绕组的接法。如果将任一绕组的两端换接，将会改变转动方向。新型X线管对转向没有具体要求。

中型诊断X线机一般采用低速旋转阳极X线管，当电源频率为50Hz时，其阳极转速理论值为3000r/min，实际转速为2800r/min左右。在大型X线机中，为了提高X线管的功率，常采用3倍频以提高阳极转速，其阳极转速理论值为9000r/min，实际转速可高达8500r/min左右。

中、大型X线机一般均配备旋转阳极刹车装置。尤其是装备高速旋转阳极X线管的大型X线机都装有旋转阳极刹车装置，刹车装置一旦损坏，就绝对不能启动X线机。

同时，为在曝光前确保旋转阳极启动，并达到规定转速后才能接通高压进行曝光，采用了旋转阳极延时保护电路。一般在工作绕组中串联一电流继电器或电流互感器，以监测工作绕组是否有启动电流流过；在启动绕组串接的剖相电容器两端并联一电压继电器或电压互感器，以监测启动绕组是否有启动电流流过。只有当工作绕组和启动绕组工作均正常时，延时器才开始延时，经过1秒左右的延时，旋转阳极达到规定的转速后，旋转阳极延时、保护电路才允许X线机曝光。

（四）X线管安全保护电路

X线管的正确使用是保证X线管安全和延长X线管寿命的根本措施。它包括X线管容量保护电路、过电压保护电路、过电流保护电路和冷高压保护电路等。

每只X线管都有它自己的最大额定规格，即最大允许容量，如果使用不当，超过它的极限，就会造成X线管的损坏。为了避免这种情况的出现，保证每次曝光都是在它的最大允许负载之下进行，大、中型X线机中都设有X线管容量保护电路。

由于X线管的瞬时负载大小，主要决定于千伏值、毫安值和曝光时间三参数的乘积，所以X线管容量保护电路是以X线管瞬时负载特性曲线为依据的。例如，XD51-20·40/125型旋转阳极X线管瞬时负载特性，对每个焦点，每次摄影所选择的千伏值、毫安值和曝光时间所对应的坐标点，都应落在瞬时负载特性曲线之下，如果落在曲线之上，保护电路就要动作，自动阻止曝光。

X线管容量保护电路也叫做容量限制电路、过载保护电路、或瞬时负载保护电路。它可从电路结构上防止操作者在选择摄影条件时超过X线管的额定负载，属于一次性预置保护，即防止X线管一次负荷（一次曝光）过载的保护。对额定值内的连续重复曝光而出现的累积性过载是不起保护作用的。对累积性过载问题，应根据X线管和管套的热容量特性，严格遵守该管的曝光间隔要求，保证相邻两次曝光之间有足够的间隔时间，以便让X线管冷却，这样，才能确保X线管的安全。

1.参数连锁式容量保护电路

在三钮制控制台中，千伏值、毫安值和曝光时间是分别调节的，均采用三参数连锁式容量保护电路。其基本做法是使三参数连锁控制，当某一个参数超过额定值时，由保护电路发出指令，使曝光系统不能工作。

2.负荷率式瞬时负载保护电路

“负荷率”是指X线管一次曝光的负荷占最大允许负荷的百分数。这种保护电路的基础也是三参数连锁保护，将千伏值、毫安值、曝光时间三参数连锁的模拟信号送到负荷率指示仪表（实际是一直流电压表）上，当预置的一次曝光负载超过额定值时，则通过驱动电路使保护继电器工作，使曝光不能进行。由于设置了负荷率表，可以指示每次操作时X线管负荷的百分数，所以这种电路也称为负荷率电路。负荷率表所指示的也是一次性的曝光负荷率。

3.降落负载式瞬时负载保护电路

在三钮制控制台中，千伏值、毫安值、曝光时间三个参量采用机械联锁或电路控制等容量保护电路，使X线管在某一额定电流值下对应着所允许使用的最高管电压和最长曝光时间，出现一个接近于最大负载的阶梯形曲线，但这种方法不能充分发挥X线管的使用效能。

在配备自动曝光系统的单钮制控制的大功率X线发生装置中，曝光时间由胶片感光密度决定。曝光一开始，X线管即在选定千伏值下，使用最高的允许功率（kW），其焦点的温度接近到极限。然后，随曝光时间的增长，自动使管电流逐渐减小，所对应的管电流使焦点的温度近似恒定，充分发挥了X线管的效能，曝光时间保持最短。

有三级降落负载的曲线，第一级对应最大的管电流和很短的曝光时间t1；如在第一级胶片的感光度（密度）不足时，控制系统便自动过渡到第二级。第二级为较低的管电流和较长的曝光时间t2；假如前两级的输出能量仍不能使胶片达到理想的密度时，自动系统立即转入第三级。

此外，在自动降落负载时，由于管电流随曝光时间的增长而减小，必然导致主电路电压降的减小，使管电压相对增高，故在控制系统内必须有相应的管电压补偿电路。

（五）操作控制电路

操作控制电路是操纵X线发生装置以完成各种曝光的电路。例如台次选择、透视及点片摄影、一般摄影、滤线器摄影、体层摄影、间接摄影、双向血管摄影等操作控制，可通过开关或计算机发出信号，命令执行机构，使X线发生装置产生X线。