專利名稱：用恒定閉環(huán)增益的x射線管電流控制的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明的領域是X射線管陽極電流的控制，更準確地說，本發(fā)明涉及CT析象器所用類型X射線管陽極電路的精確控制。
如

圖1所示，X射線管10包括裝在真空玻殼13中的熱陰極燈絲11和陽極12。將2-6·5安培的交流電流IF加到燈絲11上，使之發(fā)熱并發(fā)射電子。將50-150千伏特的直流高壓加在燈絲11和陽極12之間來加速所發(fā)射電子并使這些電子以高速轟擊陽極12上的靶材料。結(jié)果發(fā)射出如虛線14所示的X射線能量。
所產(chǎn)生X射線的能量由高壓電平和燈絲11與陽極12間流過的管電流IT的量所決定。將該高壓設置成選定的值并且在整個掃描期間，高壓電流15和16維持所選電壓值。管電流IT受控于燈絲電流IF的大小，而該燈絲電流則由燈絲變壓器17次級繞組所產(chǎn)生的交流電壓所控制。管電流IT和加在燈絲上的電流之間的關系是非線性的，而且通常呈指數(shù)關系。
在CT析象器實際使用中常常要改變兩次掃描之間的燈絲電流以便改變X射線產(chǎn)生的能級。因此，燈絲電流控制電路必須能夠在每次掃描開始之前將燈絲電流置成可產(chǎn)生所要求的X射線管電流IT的強度。
在CT掃描中，由于在整個掃描過程中順序地得到衰減數(shù)據(jù)以及用于根據(jù)這樣得到的數(shù)據(jù)來重構(gòu)圖象的方法假定X射線能量在整個掃描期間保持恒定，所以要求所產(chǎn)生的X射線量具有很高精度。這就要求對管電流IT進行精確的控制。
再參考圖1，用燈絲電流控制裝置可滿足這些要求，所述燈絲電流控制裝置在燈絲預熱時工作在開環(huán)方式，而在產(chǎn)生X射線時工作在閉環(huán)方式;從而精確地控制管電流IT。在開環(huán)方式工作期間，由數(shù)字控制系統(tǒng)(未示出)把預熱電流命令加到D/A轉(zhuǎn)換器20的輸入端。由放大器21放大所產(chǎn)生的模擬量的預熱電流命令，所述放大器21也將該命令的幅度限定為安全電平，并且將該結(jié)果信號輸入到燈絲驅(qū)動電路22。燈絲驅(qū)動電路22產(chǎn)生一個加到燈絲變壓器17的初級的交流輸出電壓，所述燈絲變壓器17產(chǎn)生指令要求的燈絲電流IF。由和燈絲變壓器17的初級或次級相連的電流傳感器所產(chǎn)生的燈絲電流反饋信號通過線路23反饋，以通過閉環(huán)控制作用使燈絲電流IF為所要求數(shù)值。
短時間的間隔過后，高壓接通產(chǎn)生X射線，所述電流控制裝置轉(zhuǎn)換到閉環(huán)工作方式。這可通過線路26用來自數(shù)字控制系統(tǒng)的控制信號將模擬開關25閉合來實現(xiàn)。從而將反饋信號加到放大器21輸入端的累加點27，把該反饋信號加到預熱電流控制信號上并將燈絲電流調(diào)節(jié)到可產(chǎn)生所要求的X射線管電流IT的一點上。
管電流IT用電阻30測量，電阻30與高壓電源15和16串聯(lián)并跨接在運算放大器31的兩輸入端。在高性能系統(tǒng)中，該管電流反饋信號通過誤差放大器32與管電流控制信號相加，并將差分或誤差信號加到可變增益放大器33的輸入端。所述管電流控制信號通常由數(shù)字控制系統(tǒng)以數(shù)字形式產(chǎn)生并由D/A轉(zhuǎn)換器34將之變換為模擬控制信號。該管電流控制信號的數(shù)值可確定在所選高壓電平下掃描期間所產(chǎn)生X射線的量。由放大器33產(chǎn)生的結(jié)果的反饋信號由于在累加點27的反饋作用、通過控制燈絲電流IF使實際管電流IT等于管電流命令。
為維持穩(wěn)態(tài)精度和所要求的瞬態(tài)響應，在整個工作范圍內(nèi)，管電流反饋環(huán)路的總增益和相位應維持恒定，所述CT的X射線管的工作范圍指從10毫安到1，000毫安以上。然而，眾所周知，可將X射線管的傳遞函數(shù)定義為由燈絲電流IF的遞增變化所產(chǎn)生的管電流IT的遞增變化依賴于管電流IT的范圍。因此，為了在整個工作范圍內(nèi)得到高性能，先有技術(shù)的電流控制裝置把可變增益放大器33包括在管電流反饋環(huán)路中，用以補償管子傳遞函數(shù)可變性，以得到大致不變的閉環(huán)增益。亦即，每當改變管電流命令時，增益命令也通過線35加到可變增益放大器33以調(diào)整閉環(huán)增益，從而適應不同的管電流引起的不同的X射線管的傳遞函數(shù)。如果閉環(huán)增益未能保持在較為恒定的水平，那么，該控制裝置在低的管電流的水平下不精確而且響應不好，在高的管電流水平下可能不穩(wěn)定。
本發(fā)明為X射線管電流控制裝置的改進，更準確地說，本發(fā)明是在X射線管電流的寬范圍內(nèi)保持閉環(huán)增益大致恒定的管電流反饋環(huán)路。再準確些說，所述改進包括在基準輸入端接收與X射線管電流IT成比例的反饋信號的乘法D/A轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生正比于兩個輸入信號乘積的輸出信號;將來自乘法D/A轉(zhuǎn)換器的輸出信號耦合到累加點的誤差放大器，在所述累加點與預熱命令信號結(jié)合控制X射線管燈絲電流。
本發(fā)明的一般目的是保持管電流反饋環(huán)路較為恒定的閉環(huán)增益。閉環(huán)增益自動地獨立于管電流IT，因為乘法D/A轉(zhuǎn)換器的增益正比于數(shù)字輸入信號，而該數(shù)字輸入信號是指令要求的管電流的倒數(shù)。這樣，在管電流IT較高時產(chǎn)生的閉環(huán)增益的增加基本上由乘法D/A轉(zhuǎn)換器的相應較低增益所補償。
本發(fā)明的另一目的是降低電流控制裝置的復雜性。乘法D/A轉(zhuǎn)換器完成雙重功能，即將數(shù)字管電流命令插入管電流反饋環(huán)路，以及隨著管電流的變化來調(diào)整閉環(huán)增益。因此，無需單獨的D/A轉(zhuǎn)換器和可變增益的放大器電路。
通過以下描述，本發(fā)明的上述和其它目的和優(yōu)點是顯然的。在以下描述中，參考構(gòu)成一部分描述的附圖，在附圖中借助于圖例說明方式示出了本發(fā)明的最佳實施例。但是，這種實施例不一定代表本發(fā)明的全部范圍，因此解釋本發(fā)明的范圍時必須參考本發(fā)明的權(quán)利要求書。
圖1是先有技術(shù)的X射線管電流控制裝置的方框圖;
圖2是結(jié)合本發(fā)明的X射線管電流控制裝置的最佳實施例的方框圖;以及圖3是圖2裝置各部分的電原理圖。
具體參考圖2，在本發(fā)明的最佳實施例中使用了圖1電流控制裝置中的許多元件。這些元件用相同標號標志，它們包括含有D/A轉(zhuǎn)換器20、累加點27、模擬開關25、放大器和限幅器21、燈絲驅(qū)動電動22和燈絲變壓器17等開環(huán)元件。這些元件的電路描述于題為“X射線管燈絲的電子發(fā)射調(diào)節(jié)器”的美國專利第4，322，625號中，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。盡管有很多類型的X射線管可為本發(fā)明所使用，作為X射線管10的例子描述于題為“具有改進熱負荷的旋轉(zhuǎn)陽極X射線管”的美國專利第4，187，442號中。
同樣，高壓電源15和16對本領域是人所周知的，并可按美國專利4，504，895和4，477，868號中所述進行構(gòu)造并用美國專利第4，596，029中所述的數(shù)字控制裝置進行控制。
本發(fā)明是對圖1電流控制裝置的改進，其中對管電流反饋環(huán)路的元件作了改變。參考圖2，改進的反饋環(huán)路包括其輸入端跨接在電阻30上以檢測X射線管電流IT大小的放大器50。當管電流IT增加時，電阻30的電壓降增大，加在放大器50上的電壓即管電流反饋信號增大。
將放大器50的輸出加到乘法D/A轉(zhuǎn)換器51的基準輸入端，該轉(zhuǎn)換器也將通過總線52的12位的數(shù)字數(shù)值作為輸入接收。該12位的數(shù)字數(shù)值由數(shù)字控制裝置53產(chǎn)生并正比于管電流命令的倒數(shù)。乘法D/A轉(zhuǎn)換器51的模擬輸出加到誤差放大器54的輸入端，從線路55上固定的正的基準信號中減去所述的轉(zhuǎn)換器51的模擬輸出。結(jié)果得到的管電流誤差信號通過線路56輸出到模擬開關25。
每次開始掃描時，數(shù)字控制裝置53發(fā)出一12位預熱電流命令到D/A轉(zhuǎn)換器20。這使得將電流加到X射線管燈絲11上若干秒鐘，并使燈絲加熱到工作溫度。然后由電源15和16將高壓加到X射線管10上并在5至10毫秒之后，數(shù)字控制裝置53通過控制線25發(fā)出閉環(huán)命令，使模擬開關25閉合。
數(shù)字控制裝置53還計算12位二進制數(shù)，并將該數(shù)輸出到乘法D/A轉(zhuǎn)換器51。這用所要求的、即所控制的X射線管電流數(shù)去除歸一化常數(shù)，并從總線52將結(jié)果輸出。來自放大器50的管電流反饋信號被該12位二進制數(shù)所乘，而該12位二進制數(shù)為管電流命令的倒數(shù)，而D/A轉(zhuǎn)換器51的結(jié)果輸出是已經(jīng)用與X射線管電流成反比的因子換算過的電流反饋信號。該換算因子基本補償了X射線管電流IT增大引起的管電流反饋環(huán)路增益的增大。這樣，閉環(huán)增益基本保持不變而和管電流命令值及相繼的X射線管電流IT的值無關。
由誤差放大器54將固定基準信號減去徑比例放縮的管電流反饋信號，并通過模擬開關25將結(jié)果的管電流誤差信號耦合到累加點27，以產(chǎn)生所需要的反饋控制作用。
除了控制閉環(huán)增益之外，使用乘法D/A轉(zhuǎn)換器51對管電流反饋信號進行比例放縮，也使加在誤差放大器54上的電壓在X射線管的整個工作范圍內(nèi)保持在較小范圍內(nèi)。換言之，在X射線管電流很低時，乘法D/A轉(zhuǎn)換器51的輸出基本上與X射線管工作在很高電流時的輸出相同。這顯著地降低了對誤差放大器51的偏置電壓的要求，并隨之降低了誤差放大器的成本。
圖3中示出管電流反饋環(huán)路單元的更詳細的電路圖。運算放大器是由Precision Monolithics，Inc制造的型號OP27(放大器50)和OP07(放大器51、54和20)，這些放大器描述于由Precision Monolithics，Inc·1986年出版的“PMI Databook”中。乘法D/A轉(zhuǎn)換器為Analog Devices制造的AD7541A型，該轉(zhuǎn)換器描述于由Analog Devices，Inc·1988年出版的“Analog Devices Data ConVersion Handbook”一書中。模擬開關25是Siliconix，Inc·制造的DG303A型，并描述于Siliconix Inc·1988年出版的“Integrated Circuits Databook”一書中。
從最佳實施例可以演變出許多方案，這應該是顯而易見的。例如，預熱電流命令可表示燈絲電壓，而燈絲驅(qū)動級22可產(chǎn)生相應的電壓。燈絲電流或電壓的反饋可從變壓器17的初級或次級繞組中得到，而這種反饋包括受控燈絲參數(shù)的變化速率以便實現(xiàn)微分控制或超前補償，從而為燈絲控制環(huán)路提供消振作用。也可將補償加到燈絲電流命令以便對眾所周知的X射線管的空間電荷特性加以補償，因此為了保持管電流IT不變，隨著所加高壓的降低，勢必增加燈絲發(fā)熱。
權(quán)利要求
1.一種對X射線管的電流控制裝置的改進，所述電流控制裝置具有提供電流給X射線管的燈絲以響應預熱命令信號的燈絲驅(qū)動電路，所述改進其特征在于包含用于產(chǎn)生表明X射線管燈絲和陽極間流過電流量的管電流反饋信號的裝置，用于產(chǎn)生與管電流命令倒數(shù)成比例的命令信號的裝置，乘法裝置，用于將管電流反饋信號乘以命令信號以產(chǎn)生管電流誤差信號，以及用于將預熱命令信號與管電流誤差信號相結(jié)合的累加裝置，從而控制管燈絲溫度，使管電流得到由管電流命令所指出的值。
2.如權(quán)利要求1的改進，其特征在于，所述乘法裝置為乘法數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，而命令信號為多位的數(shù)字信號。
3.如權(quán)利要求2的改進，其特征在于，乘法數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的輸出是一個模擬信號，它與基準信號相加，產(chǎn)生管電流誤差信號。
4.如權(quán)利要求1的改進，其特征在于，累加裝置包括模擬開關，該模擬開關可以在加上預熱命令信號后經(jīng)過一段時間再進行操作，將管電流誤差信號與預熱命令信號相結(jié)合。
全文摘要
X射線管的管電流用閉環(huán)控制電路控制，在該控制電路中，管電流反饋信號用來控制X射線管燈絲電流。通過插入一個與管電流命令倒數(shù)成比例的信號，在管電流的寬范圍內(nèi)使反饋環(huán)路的增益保持基本不變。
文檔編號H05G1/34GK1048780SQ90101239
公開日1991年1月23日 申請日期1990年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月10日
發(fā)明者杰拉爾德·肯尼思·弗萊克斯, 哈羅德·詹姆斯·多爾曼 申請人:通用電氣公司