用于电子射线的电聚焦的电源 |
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| 申请号 | CN201410654059.2 | 申请日 | 2014-09-24 | 公开(公告)号 | CN104597954B | 公开(公告)日 | 2017-08-04 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | J·德林格; J·奥尔施莱格尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及具有高压末级的、用于电聚焦 电子 射线的可快速调节的高压电源。该高压末级具有多个 放大器 元件，它们与第一高压连接 端子 串联 连接；具有一系列 分压器 元件的分压器链，所述分压器元件与第一高压连接端子连接并且与放大器元件处于 信号 连接中，使得在该分压器链上施加 电压 的情况下在放大器元件的信号输入端和分别下一放大器元件的信号输入端之间的电压的差分别具有相同的符号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高压末级，其中，该高压末级(50，51)具有： |
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| 说明书全文 | 用于电子射线的电聚焦的电源技术领域[0001] 本发明涉及一种高压末级，具有第一和第二高压连接端子和控制输入端。该高压末级具有多个放大器元件，它们与第一高压连接端子串联连接。此外，本发明涉及用于快速调节高压信号的具有本发明的高压末级的系统以及可快速调节的具有本发明的系统的高压电源。 背景技术[0002] 在现代的X射线管中辐射位置和辐射质量通过磁场或者电场变化。迄今为可变的焦点大小和焦点位置多使用磁体系统并且借助电场阻挡电子射线。当这些电极还应该承担磁体系统的功能时，需要能够提供恒定的聚焦电压和能够快速改变的偏转电压的电源。 [0003] 由于高的加速电压而需要数千伏的偏转电压，该偏转电压不能用通常的对于每一输出极性各具有一个晶体管的线性的晶体管末级建立。在这种情况下要求，该末级为在两个方向上的射线偏转提供双极的电压。为工作点调整，由于由此产生的损耗功率，在高电压的情况下必须避免无功电流。该末级为电容性负载设计。 [0004] 在现有技术中为产生偏转电压例如公知双极电压多倍级联。然而具有电容器和二极管的级联限制最大电流从而限制动力学特性。也应用低压末级，它的输出信号借助变压器变换为高电压。变压器按照它的变比降落到低频并且不能产生直流电压。还公知双极的高压开关调节器，它的输出信号被过滤。它具有一种残余纹波，这在一些应用中产生干扰。 发明内容[0005] 因此本发明的任务在于，提供一种用于电子射线的电聚焦的高压电源，它具有大的动力学特性、大的带宽和输出信号的高准确性。 [0006] 该任务通过本发明的高压末级以及本发明的用于快速调节高压信号的系统和本发明的用于电聚焦电子射线的能够快速调节的高压电源以及根据本发明的用于运行所述系统的方法解决。 [0007] 本发明的高压末级具有第一高压连接端子和多个第一放大器元件。这些第一放大器元件串联并且与第一高压连接端子连接。另外该高压末级具有带有一系列分压器元件的分压器链。该分压器链与第一高压连接端子连接。为进一步理解，下面从第一高压连接端子开始对分压器元件和放大器元件计数，并且用相应的索引n表示。沿分压器链在各分压器元件上在第一高压连接端子和分压器链的与该第一高压连接端子隔开的末端之间施加电压的情况下，取决于施加的电压的极性和参考电位，存在具有索引x的单调上升或者下降的分电压的序列。根据该数字约定，第一放大器元件n的信号输入端如此与分压器元件n处于第一信号连接中，使得在分压器链上施加电压时在第一放大器元件n的信号输入端上的电压相对于第一放大器元件n+1的信号输入端上的电压分别较小或者分别较大。换言之，放大器元件n的信号输入端上的和放大器元件n+1的信号输入端上的电压的差分别具有相同的符号。 [0008] 这样分压器元件上的电压的单调序列以有利的方式为单个放大器元件如此产生参考电位，使得结合一种负反馈的自稳定的效应得到在放大器元件的序列上施加的电压在放大器元件上的一种预定的分布。 [0009] 放大器元件的串联电路以有利的方式于是引起，在串联电路上施加的电压能够有利地在各个放大器元件上分布。 [0010] 本发明的用于快速调节高压信号的系统以及具有本发明的系统的高压源也具有本发明的高压末级的优点。 [0011] 在本发明的用于运行具有两个串联的高压末级的系统的方法中调节器如此控制控制元件，使得两个高压末级中始终仅一个将电流从高压源通过放大器元件传导到高压输出端，在所述高压输出端上两个高压末级互相连接。 [0012] 以这种方式有利地防止，电流从高压源直接通过放大器元件流走和损耗功率升高。 [0014] 在本发明的高压末级的一种可能的实施方式中该高压末级另外分别与放大器元件的信号输出端串联地具有一个或者多个部件，特别是电阻，其中如此选择和设置部件，使得各放大器元件抵消在它的信号输出端上的信号电平的变化。换句话说部件引起各第一放大器元件的负反馈。 [0015] 放大器元件系列中的单个放大器元件的负反馈有利地负责，单个放大器元件内的偏差自身不放大，而是被均衡。由此通过建立在这些放大器元件上的电压的稳定分布能够防止放大器元件通过过大降落的电压而过载和自损坏。 [0016] 在一种可能的实施方式中本发明的高压末级另外具有非线性元件和第二高压连接端子，其中非线性元件与分压器链串联接入第一高压连接端子和第二高压连接端子之间。非线性元件在其上施加的电压超过预先规定的阈值电压的情况下导通电流，在低于时仅基本上不导通。基本上在本发明的意义上在这里规定，在低于阈值电压的情况下的电流小于在高压末级的符合规定的运行下通过分压器链流动的电流的十分之一、百分之一或者千分之一。另外高压末级具有控制元件，它的电阻能够在高欧姆状态和低欧姆状态之间调整并且与多个第一放大器元件串联接入第一高压连接端子和第二高压连接端子之间。第二信号连接在非线性元件和控制元件之间如此接入，使得在控制元件的高欧姆状态下第一电流从分压器链通过非线性元件向高压输出端流动并且在控制元件的低欧姆状态下第二电流从分压器链通过控制元件向第二高压连接端子流动。这里在低欧姆状态下第一电流不再通过非线性元件流动，而是通过控制元件流动，这通过在非线性元件上的电压通过并联的低欧姆的控制元件降落到阈值以下来实现。在这种情况下第一电流的大小也通过改变了的电压而改变，因此它作为第二电流表示。 [0017] 以有利的方式这使得通过第二信号连接，非线性元件和控制元件在控制元件的高欧姆状态下还可以使得电流通过分压器链流动并且使放大器元件的单个信号输入端上的电压保持稳定，另一方面在低欧姆的控制元件的情况下使得电流通过放大器元件流动并且还通过第二信号连接为与控制元件相邻的放大器元件实现负反馈。 [0019] 有利的是MOSFET的特征在于信号输入端和信号输出端之间的大的电阻，由此在阻断的状态下减小高压末级的损耗功率。 [0020] 在高压末级的一种可以想到的实施方式中非线性元件是齐纳二极管。 [0021] 齐纳二极管以简单的方式实现在超过阈值电压时变得导通的部件。 [0022] 在高压末级的一种可能的实施方式中控制元件是光耦合器。 [0023] 光耦合器以安全和简单的方式保证对控制器的电位分离并且能够使得独立于控制器的参考电位放置控制元件。 [0024] 在本发明的用于快速调节高压信号的系统的一种可选的实施方式中所述高压输出端是第一高压末级的第二高压连接端子。 [0025] 通过高压末级与用电器串联，在本发明的系统的情况下在高压分支中不产生那样的电流，即该电流不能对输出电流做出贡献因此产生损失。 [0026] 在本发明的系统的一种可能的实施方式中该系统具有第二高压末级。第一高压末级的第二高压连接端子与高压输出端和第二高压末级的第三高压连接端子电气连接，其在功能上相应于第一高压末级的第一高压连接端子。调节器还构造为，在第二控制信号输出端上提供第二调节信号，其中第二高压末级的控制元件与第二控制信号输出端处于第四信号连接。 [0027] 串联的第二高压末级以有利的方式使得能够相对于在第一和第二高压连接端子之间施加的电位双极地控制高压输出端。在这种情况下当输出电压不变时以有利的方式在电容性负载的情况下把系统的损耗减到最小，因为在这种情况下两个高压末级的放大器元件被阻断。 [0028] 在用于运行所述系统的方法的一种实施方式中第一调节信号和/或第二调节信号的电平取决于额定信号和实际信号之间的差。 [0029] 以这种方式例如能够实现一种高压信号的波动特别小的比例调节器。 [0030] 在本发明的方法的另一种可能的实施方式中第一调节信号和/或第二调节信号的电平在第一预定值和第二预定值之间变化。在这种情况下在其间电平取第一值的第一持续时间和其间电平取第二值的第二持续时间之间的比例取决于额定信号和实际信号之间的差。 [0032] 本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现它们的方式方法通过结合下面对关联附图详细说明的实施例的说明能够清楚地和明显地理解。 [0033] 附图中： [0034] 图1以功能块表示本发明的能够快速调节的高压电源的示意图； [0035] 图2表示本发明的高压末级的示意图； [0036] 图3表示本发明的用于快速调节高压信号的系统的两个高压末级的布线的示意图；和 [0037] 图4表示本发明的高压电源取决于时间的信号变化的示意图。 具体实施方式[0038] 图1中表示本发明的能够快速调节的高压电源1。能够快速调节的高压电源1具有用于快速调节高压信号的系统10以及正的高压源2和负的高压源3。高压源2、3在一种示范的实施方式中提供5kV的电压。在本发明的意义上作为高压或者作为高压信号应该理解为具有至少多倍电网电压的电位，例如1kV、5kV或者更高。高压源2、3与第一高压连接端子52和第四高压连接端子55电气连接。 [0039] 系统10具有两个高压末级50、51，它们在第一高压连接端子52和第四高压连接端子55之间串联。在这种情况下，第一高压末级50和第二高压末级51通过第二高压连接端子53或者第三高压连接端子54互相连接。这些连接点提供系统10的高压输出信号，它通过滤波器13向负载100引导。根据对于图4还要说明的运行方式，可以去掉滤波器13。在一种可能的实施方式中负载100是纯粹的电容性负载，滤波器13是低通滤波器。 [0040] 测量传感器12与第二和第三高压连接端子53、54电气连接。取决于高压输出信号，测量传感器12从高压输出信号导出测量信号，其供给系统10的调节器11。调节器11比较该测量信号与额定信号，该额定信号在调节器11中预先给定，例如从程序存储器，或者可以通过接口15为调节器11设置。 [0041] 如果测量信号表示对于高压输出信号过高的值，则调节器11通过第四信号连接57如此控制高压末级51，使得它允许电流从第三高压连接端子54向负电压源3流动，由此高压输出信号降低。相反，如果测量信号表示对于高压输出信号过低的值，则调节器11通过第三信号连接56如此控制高压末级50，使得它允许电流从正电压源2向第二高压连接端子53流动，由此高压输出信号升高。 [0042] 在纯电容性负载100的情况下这里可以想到，高压末级50、51作为开关使用，它们允许电荷向电容性负载100流入或者流出，并且以这种方式调整在电容性负载以电路技术的方式所表示的电容器上的高压。为减小负载100上的高压的波动，这里滤波器13可以作为低通滤波器实现。在这种情况下具有特别的优点：在电容性负载上的电压不改变的情况下两个高压末级50、51被接入一种基本上不导电的状态，使得仅最小的泄漏电流以及稳定电流流动，并且减小能够快速调节的高压电源1的损耗功率。细节将针对图2和3详细说明。 [0043] 但是在欧姆负载100的情况下也可以想到，系统10仅具有高压末级50，并且该负载在高压源2、3之一和高压末级50之间与高压末级50串联。那时高压末级50作为可变电阻作用，它作为分压器与负载100一起改变在负载100上降落的电压。 [0044] 图2表示本发明的高压末级50的示意图，这也同样地适用于高压末级51。 [0045] 高压末级50具有多组对于功能来说重要的部件。这一方面是分压器链64，其具有串联的分压器元件65的链。分压器链64在一个末端与第一高压连接端子52电气连接。在相对的末端，分压器链64与非线性部件67串联，后者又与第二高压连接端子53电气连接。 [0046] 在高压末级51的一种可能的实施方式中分压器元件65涉及电阻，非线性部件涉及齐纳二极管。在高压连接端子52、53上施加的电位于是相应于电阻值和齐纳二极管的阻断电压分级地在分压器元件65和非线性部件67上降落，使得根据串联电路中元件的计数方向和施加的电位的符号，为其间的电位值产生电压值的单调下降或者上升的序列。代替电阻和齐纳二极管，也可以使用其他部件，例如有源电压调节器、分压器链中的元件的一部分。 [0047] 下面的说明从如下出发：第一高压连接端子52相对于第三高压连接端子54具有正的电位。但是本发明的电路也能够在应用相应互补的部件的情况下也用相反的极性实现。 [0048] 作为另外的元件组，高压末级50具有放大器元件60的序列，这些放大器元件60同样在链中串联，其中该链的一个末端与第一高压连接端子52电气连接。放大器元件60通过电阻63相互连接。在图2中作为放大器元件60示出MOSFET，但是也可以想到其他的场效应晶体管、或者还想到双极晶体管或者其他具有足够的电压强度的放大器元件。 [0049] 在放大器元件60的信号输入端和两个分压器元件65的对应连接点之间分别存在第一电气信号连接，它把各放大器元件60的信号输入端保持在基本恒定的电位，该电位如对分压器所述，沿该链单调下降。图2中的第一信号连接是直接的欧姆连接，但是也可以想到，提供电阻或者还提供由部件组成的网络。这样在一种实施方式中可以想到，提供频率滤波和/或提供用于保护在信号输入端上的过电压的部件。 [0050] 如果信号输出端71、即MOSFET的源连接端子上的电压下降，则对信号输入端70、即MOSFET的栅极的电位差升高。由此MOSFET的漏极和源极之间的电阻减小，使得在信号输出71上设置的电阻63上的压降升高，并且信号输入端70(栅极)和信号输出端71(源极)之间的电位差减小。由此各放大器元件上的压降得以稳定。也可以为其他的放大器元件60如其他的场相应晶体管类型或者双极晶体管想到一种可比的功能。 [0051] 高压末级50另外具有控制元件61。图2中作为控制元件61示出光耦合器，它的特征是，同时实现调节器11和高压末级50、51之间的电位分离。但是在另一种实施方式中也可以想到，控制元件61是具有能够由调节器改变的电阻的另一种类型的部件。例如可以想到晶体管或者场效应晶体管。 [0052] 控制元件61在第一和第二高压连接端子52、53之间与多个放大器元件串联。同时控制元件61通过电阻63与非线性元件67、即齐纳二极管并联。 [0053] 如果控制元件61处于高欧姆状态，则与控制元件61相邻的放大器元件60的信号输入端70和信号输出端71上的电位基本相同，使得放大器元件60被阻断。在这种情况下分压器链64的、电阻68的和电阻63的以及在图2中表示的、与控制元件61并联的可选电阻的电阻值如此设计，使得分压器链64的电流基本上，也就是说几乎完全，除了通过控制元件61的泄漏电流，作为第一电流流过非线性元件67、即齐纳二极管。 [0054] 如果控制元件61由调节器11通过控制输入端69控制，使得它成为低欧姆的，则与该控制元件相邻的第一放大器元件的信号输出端71上的电位降低。同时第二电流通过电阻68、63和控制元件61向第二高压连接端子53流动。那时分压器链64的电流基本上、也就是说几乎完全，除了通过非线性元件67的泄漏电流，通过控制元件61流动。 [0055] 在这种情况下第一和第二电流具有基本相同的大小。但是也可以想到，控制元件61由调节器11如此控制，使得分压器链64的电流分到非线性元件67和控制元件61上。那时成立，第一电流的大小和第二电流的大小之和相应于分压器链64的电流的大小。 [0056] 第二电流在电阻68上引起压降，它导致编号n的放大器元件60的信号输入端70和信号输出端71之间的电位差。因此在图2中该MOSFET通过栅极和源极之间的电位差导通。具有编号n-1的下一相邻的放大器元件60的信号输出端71的电位由此降低，使得对于放大器元件的过程重复并且通过串联的第一放大器元件前进到第一高压连接端子，使得在第一高压连接端子52和第二高压连接端子53之间流过最大的电流，它基本上通过放大器元件60的序列中的电阻63限制。代替电阻63，在一种可能的实施方式中也可以使用其他具有适宜的、有限的直流电阻的部件。 [0057] 串联的放大器元件60的数目并不规定为在图2和3中示出的数目，而是取决于放大器元件60的耐压强度和在第一高压连接端子52和第二高压连接端子53或者第一高压连接端子52和第四高压连接端子55之间施加的电压而可任意伸缩，而不改变或者离开本发明的高压末级的原理。 [0058] 图3中示出用于快速调节高压信号的、具有第一高压末级50和第二高压末级51的本发明的系统的片段。这两个高压末级通过第二高压连接端子53和第三高压连接端子54相互连接，通过它们，如已经对于图1表示的，可连接电气负载，特别是电容性负载。在电容性负载100的情况下它具有优点，即在高压输出端53、54上的额定电压不变的情况下两个高压末级50、51优选处于一种被阻断的状态。 [0059] 因此在一种可能的实施方式中调节器11如此设计，使得它在通过测量传感器12确定的在高压输出53、54上的实际高压与预先规定的额定高压一致的情况下通过第三信号连接56和第四信号连接57如此控制第一高压末级50和第二高压末级51的控制元件61，使得这两个高压末级处于被阻断的状态并且没有电流通过控制元件60从高压源2、3流动。 [0060] 如果确定的实际电压大于预先规定的额定电压，则第二高压末级51由调节器11如此控制，使得第二高压末级51的放大器元件60导通并且电容性负载100的电荷流出，并且电压下降。反之如果确定的实际电压小于预先规定的额定电压，则第一高压末级50由调节器11如此控制，使得第一高压末级50的放大器元件60导通并且电容性负载100的电荷增加并且电压上升。 [0061] 在一种优选的实施方式中调节器11如此设计，使得两个高压末级50、51都不接入导通状态。由此以有利的方式实现，从高压源2、3基本上仅获取也在负载100内流动的功率。也就是说在本发明的意义上重要的是，仅小于通过放大器元件的最大电流的十分之一、百分之一、或者千分之一的电流通过分压器链64持续流动。 [0062] 在一种实施方式中在这种情况下可以想到，调节器11在这里将高压末级50、51在一种导电的和一种不导电的状态之间接通。在这种情况下可以提供低通滤波器13，它减小高压输出端53、54上的电压波动。 [0063] 但是在另一种可能的实施方式中调节器11也可以在模拟模式下如此控制高压末级，使得通过高压末级流动的电流取在零和通过电阻63的电阻值之和限制的最大电流之间的任意值。由此减小高压连接端子53、54上的高压的波动。 [0064] 但是在本发明的用于快速地调节高压信号的系统10的另一种实施方式中也可以想到，系统10仅具有高压末级50，其与具有至少一个欧姆的分量的负载100串联。在这种情况下调节器11优选以已经说明的模拟模式控制。 [0065] 图4对于图1的本发明的可快速调节的高压电源示出了在负载100上的电压的、调节器11在第三信号连接56和第四信号连接57上的输出信号的时间变化。 [0066] 使用U_pos和U_neg分别表示对于负载100上的电压的上边界和下边界。只要在第四信号连接57(在图4中用I_neg表示流过的电流)上存在正的信号，则第二高压末级51导通并且电荷从电容性负载100流出，由此电压降低。如果达到负载100上的电压的下边界U_neg，则调节器11把第四信号连接上的信号接通到零，由此第二高压末级51进入到一种阻断的状态。同时调节器11把第三信号连接56上的信号相对于第一高压末级50接通到正的值。第一高压末级50被导通，电流向电容性负载100流动，负载100上的电压重新升高，直到达到上边界。 [0067] 从图4也可以看出，两个信号连接56、57不同时从调节器11取同时把两个高压末级50、51接入到导通状态的信号值。以这种方式避免电流从高压源2、3通过高压末级50、51旁路流过负载100并且产生损耗。 [0068] 代替高压末级的接通和关断，在本发明的高压电源1的一种可能的实施方式中规定，信号输出端56、57也取零和最大值之间的任意值。这在负荷具有值得注意的欧姆分量并且需要持续的电流，以便把负载100上的电压保持恒定时，特别具有优点。那时调节器11通过第三和/或第四信号连接输出模拟的信号电平，它允许在控制元件61或者控制元件62中流过为保持在负载100上的电压所需要的电流。 [0069] 尽管详细地通过优选的实施例图示和说明了本发明，但是本发明并不通过公开的例子限制而是能够由专业人员从中导出其他的变化，不离开本发明的保护范围。 |
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