Схема генерирования высоковольтных импульсов

 

Изобретение относится к электропитанию и предназначено для снабжения электроэнергией клистронов и подобных им устройств. Схема включает в себя источник электропитания постоянного тока, имеющий положительный и отрицательный выводы, трансформатор обратного хода, имеющий первичную обмотку и вторичную обмотку, причем первичная обмотка имеет первый и второй выводы для соединения с источником электропитания постоянного тока, чувствительный элемент для вырабатывания сигнала, показывающего амплитуду тока в первичной обмотке, и твердотельную схему выключения для подсоединения источника электропитания постоянного тока к первичной обмотке трансформатора обратного хода. Первичная обмотка соединяется с источником электропитания под действием управляющего сигнала и отсоединяется от источника электропитания, когда в первичной обмотке обнаруживается ток заранее определенного уровня. Технической задачей является обеспечение улучшенной высоковольтной системы электропитания для электроснабжения клистронов и подобных им устройств, обеспечение высоковольтной системой электропитания, которая требует меньше места и значительно легче. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение касается источников электропитания, и более конкретно - компактных источников электропитания, используемых для снабжения электроэнергией линейных ускорителей и подобных устройств.

Лучеиспускающие устройства обычно известны и используются, например, в качестве устройств лучевой терапии для лечения пациентов. Устройство лучевой терапии обычно содержит платформу, которую можно поворачивать вокруг горизонтальной оси вращения в ходе терапевтического лечения. Линейный ускоритель располагают в платформе для генерирования испускаемого луча высокой энергии для терапии. Этот испускаемый луч высокой энергии может быть электронным или фотонным (рентгеновским) лучом. Во время лечения этот испускаемый луч направляют на одну область пациента, лежащую в изоцентре излучения платформы.

В этом устройстве излучение генерируется посредством подачи электронного луча на мишень для вырабатывания рентгеновских лучей. Электронный луч обычно генерируется в линейном ускорителе, на который подается электроэнергия от основанного на клистроне источника электропитания, имеющего выходную мощность в диапазоне 10-30 кВт. На фиг.1 представлена блок-схема медицинского линейного ускорителя, иллюстрирующая основные компоненты и вспомогательные системы. Источник электропитания 10 обеспечивает электроэнергию постоянного тока для модулятора 12. Модулятор 12 включает в себя схему формирования импульсов и коммутирующую лампу, известную под названием импульсного водородного тиратрона. Тиратрон представляет собой устройство разреженного газа с термокатодом. С течением времени сам катод истощается. Таким образом, тиратрон имеет присущий механизм изнашивания. Высоковольтные импульсы с модулятора 12 представляют собой импульсы постоянного тока с плоской вершиной длительностью несколько микросекунд. Эти импульсы подаются на магнетрон или клистрон 14 и одновременно на электронный прожектор 16. Импульсные микроволны, обеспеченные магнетроном или клистроном 14, вводятся в трубку ускорителя 20 через волноводную систему 22. В надлежащий момент электроны, которые создаются электронным прожектором 16, также представляют собой импульсы, направляемые в трубку ускорителя 20. Электроны высших энергий выходят из трубки ускорителя 20 в виде луча диаметром примерно 3 мм. Эти электроны можно подавать в лечебную насадку 24 в виде прямого луча или в лечебную насадку 26 в виде изогнутого луча. Если электроны подаются в лечебную насадку 26, электроны изгибаются, например, посредством изгибающего магнита под соответствующим углом (например, 270 градусов) между трубкой ускорителя 20 и мишенью.

Известные источники электропитания для линейных ускорителей являются громоздкими, тяжелыми устройствами, которые значительно увеличивают стоимость и размер медицинской лечебной системы. В одном типе известной системы используется высоковольтная система трансформатор-выпрямитель для вырабатывания напряжения электропитания 21 кВ постоянного тока из обычного трехфазного напряжения 208 В. Высокое напряжение источника постоянного тока затем используется для вырабатывания импульса напряжения 15 кВ, который преобразуется в требуемый импульс напряжения 150 кВ посредством высоковольтного импульсного трансформатора. Высоковольтный узел трансформатора-выпрямителя обычно весит 150 фунтов (68 кг) и занимает объем 8 кубических футов (0,227 м³). В результате, источник электропитания следует размещать в отдельном от линейного ускорителя кабинете. Кроме того, для возрастающего места на полу, необходимого для размещения системы ускорителя, этот дополнительный кабинет требует специальных линий передачи электроэнергии для подсоединения выхода клистрона к линейному ускорителю, которые дополнительно увеличивают стоимость и сложность системы. И наконец, настоящий вес системы увеличивает стоимость перевозки.

Технической задачей изобретения является обеспечение улучшенной высоковольтной системы электропитания для электроснабжения клистронов и подобных им устройств, обеспечение высоковольтной системой электропитания, которая требует меньше места, чем известные высоковольтные системы электропитания, и обеспечение высоковольтной системой электропитания, которая значительно легче известных систем электропитания. Решение технической задачи настоящего изобретения станет очевидной специалистам в данной области техники из последующего подробного описания изобретения и прилагаемых чертежей.

Изобретение представляет собой схему генерирования высоковольтных импульсов для снабжения электроэнергией клистронов и подобных им устройств. В одном варианте осуществления, изобретение используется в устройстве лучевой терапии. Схема генерирования высоковольтных импульсов включает в себя источник электропитания постоянного тока, трансформатор обратного хода, чувствительный элемент и твердотельную схему переключения. Источник электропитания постоянного тока имеет положительный и отрицательный выводы. Трансформатор обратного хода имеет первичную обмотку и вторичную обмотку. Первичная обмотка трансформатора обратного хода имеет первый и второй выводы для подсоединения к источнику электропитания постоянного тока. Чувствительный элемент вырабатывает сигнал, включающий в себя амплитуду тока в первичной обмотке. Твердотельная схема коммутации подсоединяет источник электропитания постоянного тока к первичной обмотке трансформатора обратного хода. Первичная обмотка подсоединяется к источнику электропитания под действием управляющего сигнала и отсоединяется от источника электропитания, когда в первичной обмотке обнаруживается заранее определенный уровень тока.

Фиг .1 представляет блок-схему медицинского линейного ускорителя, иллюстрирующую основные компоненты и вспомогательные системы.

Фиг. 2 представляет блок-схему типичной известной системы электропитания для приведения в действие клистрона с целью возбуждения линейного ускорителя.

Фиг. 3 представляет блок-схему одного варианта соответствующей настоящему изобретению высоковольтной системы электропитания.

Фиг. 4 представляет принципиальную электрическую схему соответствующего настоящему изобретению выключателя электропитания.

Фиг. 5 представляет принципиальную электрическую схему соответствующего изобретению высоковольтного выключателя.

Фиг. 6 представляет блок-схему предпочтительного варианта осуществления схемы формирования импульсов.

Способ, которым изобретение повышает свои преимущества по сравнению с существующими, можно легче понять со ссылкой на фиг. 2, на которой представлена блок-схема типичной системы электропитания 50 для снабжения электроэнергией клистрона. Система электропитания 50 преобразует напряжение 208 В трехфазного источника электроэнергии в импульсы напряжения 15 кВ, тока 1200 А, длительностью примерно 5 мкс. Эти импульсы увеличиваются ступенями до 150 кВ посредством импульсного трансформатора 85, выходной сигнал которого возбуждает клистрон. Импульсы напряжения 15 кВ вырабатываются схемой генерирования импульсов, на которую подается напряжение 21 кВ от источника постоянного тока. Источником напряжения 21 кВ постоянного тока обычно является узел 60 высоковольтного трансформатора и выпрямителя. Как отмечалось выше, этот источник электропитания постоянного тока обычно занимает место 8 кубических футов (0,227 м³) и весит примерно 500 фунтов (68 кг).

Схема генерирования высоковольтных импульсов обычно состоит из катушки индуктивности 72, которая резонансным образом заряжает схему формирования импульсов 76. Окончательная амплитуда импульса, который подается на клистрон, регулируется посредством управления количеством времени замкнутого состояния выключателя 71 зарядки высокого напряжения. Система измеряет ток, проходящий через резистор 73, и напряжения на схеме формирования импульсов, с целью определения временной задержки размыкания выключателя. На чертеже опущено соединение со схемой формирования импульсов. В управляющем устройстве 74 используются измерения тока и напряжения с целью управления длительностью замкнутого состояния выключателя. Следует отметить, что диапазон регулирования окончательной амплитуды импульса, которую можно получить конструкцией катушки индуктивности, показанной на фиг. 2, ограничивается, потому что только часть энергии окончательного импульса накапливается в катушке индуктивности 72. Следует также отметить, что преобразование напряжения 208 В в напряжение 21 кВ постоянного тока требует значительного количества высоковольтных компонентов, которые должны работать с высокими уровнями мощности, требующими высоковольтной изоляции и проблем безопасности расположения.

На фиг. 3 представлена блок-схема системы 100 высоковольтного источника электропитания, соответствующей изобретению. В изобретении используется трансформатор 120 обратного хода для снабжения электроэнергией схемы формирования импульсов 176. Электропитание на трансформатор обратного хода 120 поступает от источника 102 напряжения 300 вольт постоянного тока. Это напряжение источника гораздо ниже напряжения 21 кВ постоянного тока источника электропитания, используемого в известной технике. Для управления выходным напряжением трансформатора обратного хода 120 используется твердотельный выключатель 110. Управляющее устройство 122 воспринимает ток, проходящий по первичной обмотке трансформатора обратного хода 120, как показано позицией 121. Когда ток достигает требуемого уровня, выключатель 110 размыкается, и энергия, накопленная в трансформаторе обратного хода 120, передается в схему формирования импульсов 176. После зарядки схемы формирования импульсов 176 высоковольтный выключатель 175 замыкается для разрядки схемы формирования импульсов 176, передавая тем самым энергию, накопленную в схеме формирования импульсов 176, в первичную обмотку импульсного трансформатора 185 по существу такая же, как и описано выше относительно типичной системы электропитания клистрона, показанной на фиг. 2.

Следует отметить, что трансформатор обратного хода 120 накапливает 100% энергии, которая позже передается импульсу клистрона. Следовательно, изобретение обеспечивает более высокий диапазон управления по сравнению с амплитудой выходного импульса, подаваемого на клистрон. Таким образом, посредством изобретения упрощается управление амплитудой импульса. Амплитудой импульса управляет размыкание выключателя 110 под действием заранее определенного тока, воспринимаемого первичной обмоткой трансформатора обратного хода 120. Выключатель 110 срабатывает только при напряжении 300 В, в противоположность показанному на фиг. 2 выключателю 71, который должен срабатывать при напряжении 21 киловольт. Следовательно, дополнительно к улучшенной надежности и безопасности достигается значительная экономия расходов.

Далее, поскольку трансформатор обратного хода 120 возбуждается низковольтным источником электропитания, устраняются проблемы, связанные с высоковольтным источником электропитания. Источник электропитания 102 требует примерно 1/4 кубического фута (0,007 м³) пространства и весит только примерно 5 фунтов (2,27 кг) (снижение веса 800 фунтов (363 кг)). Кроме того, более низкое рабочее напряжение обеспечивает повышенную надежность и безопасность.

В маломощных системах в течение некоторого времени использовали основную конструкцию трансформатора обратного хода, показанную на фиг. 3. Однако, раньше не находили возможности практических реализаций таких источников электропитания для выходных сигналов высокой мощности. В частности, отсутствовало практическое выполнение выключателя 110. Вакуумный тетрод, используемый в известной технике, содержит присущий механизм износа (катод), таким образом, более желательной является твердотельная конструкция. В настоящем изобретении выключатель выполнен в виде пары биполярных транзисторов с изолированными затворами (БТИЗ).

На фиг. 4 представлена электрическая принципиальная схема соответствующего изобретению выключателя электропитания 200. В выключателе электропитания 200 используются две схемы выключения, показанные позициями 210 и 220. Каждая схема выключения включает в себя БТИЗ 211 и шунтирующий диод 212. Схемы выключения 210 и 220 имеются на рынке. Схемы выключения 210 и 220 подсоединяют источник электропитания постоянного тока к первичной обмотке трансформатора обратного хода 120. Когда схемы выключения 210 и 220 отсоединяют первичную обмотку трансформатора обратного хода 120, на первичной обмотке вырабатывается сигнал обратного потенциала. Закорачивающие диоды 231 и 232 предотвращают повреждение этим потенциалом выключающих схем 210 и 220, соответственно. Закорачивающие диоды 231 и 232 перенаправляют эту энергию на источник электропитания постоянного тока, где она накапливается в находящихся в нем конденсаторах сглаживающего фильтра. В результате этого энергия преобразуется для использования в следующем импульсе.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, высоковольтный выключатель 175 (фиг. 3) выполнен в виде столбика высоковольтного выпрямителя с полупроводниковым управлением (ВПУ) (то есть, ряд соединенных последовательно ВПУ). В существующих схемах аналогичный выключатель обычно выполняют с газовым тиратроном, который имеет меньшую надежность и более высокую стоимость, чем столбик ВПУ, используемый в изобретении. Предпочтительный вариант осуществления соответствующего настоящему изобретению высоковольтного выключателя показан на фиг. 5 позицией 300. Выключатель 300 сконструирован из ряда соединенных последовательно каскадов ВПУ. Первый, второй и последний каскады показаны позициями 310, 320 и 340, соответственно. Каждый каскад включает в себя ВПУ, соединенный параллельно с резистором и конденсатором, где резистор и конденсатор подсоединены между анодом и катодом ВПУ. Например, каскад 310 включает в себя ВПУ 311, конденсатор 312 и резистор 313. Конденсаторы и резисторы соединены также последовательно с целью образования цепи делителя напряжения. Делитель напряжения гарантирует, что одинаковое напряжение подается на каждый ВПУ, когда выпрямители ВПУ не проводят. При отсутствии делителя напряжения, различия импедансов выпрямителей ВПУ в непроводящем состоянии могут привести к разным потенциалам, реализуемым на каждом ВПУ, когда столбик ВПУ не проводит. Это может привести к тому, что один из ВПУ будет подвергаться разности потенциалов, превышающей его напряжение пробоя.

Выпрямительный столбик запускается посредством подачи сигнала через катушку индуктивности 316 в каждом каскаде. Эти катушки индуктивности представляют собой вторичную ступень трансформатора 350, где сигнал подается на первичную обмотку 351 импульсного трансформатора 350. Каждый каскад включает в себя резистор и стабилитрон, который гарантирует, что триггерное напряжение между затвором и катодом ВПУ в каждом каскаде одинаковое для всех каскадов. Резистор и стабилитрон в первом каскаде показаны позициями 314 и 315, соответственно.

В схеме формирования импульсов улучшается конструкция катушки индуктивности. В частности, индуктивность делается регулируемой во время работы системы. На фиг. 6 представлена блок-схема соответствующей изобретению схемы формирования импульсов. Схема формирования импульсов 400 включает в себя катушки индуктивности 410-416. Обычно в схеме формирования импульсов на катушках индуктивности расположен зажим, и систему необходимо выключать для ручного изменения индуктивности. Индуктивность изменяют с целью точной настройки формы волны, создаваемой схемой формирования импульсов. Это выключение системы и проверку формы волны производят многократно, пока не будет получена требуемая форма волны. Специально натренированному человеку требуется примерно 1 ч для точной настройки формы волны. В противоположность этому, в настоящей конструкции используют алюминиевые подстроечные сердечники 420-426, которые размещены внутри катушек индуктивности 410-416. Каждый из алюминиевых подстроечных сердечников 420-426 можно перемещать вверх и вниз в процессе работы системы, с целью изменения индуктивности и точности настойки формы волны. Алюминиевые подстроечные сердечники 420-426 можно перемещать либо вручную, либо автоматически. При этой улучшенной конструкции, точная настройка занимает примерно 3 мин.

Формула изобретения

1. Схема генерирования высоковольтных импульсов, содержащая источник электропитания постоянного тока, имеющий положительный и отрицательный выводы, отличающаяся тем, что содержит трансформатор обратного хода, имеющий первичную обмотку и вторичную обмотку, причем первичная обмотка имеет первый и второй выводы для подсоединения к источнику электропитания постоянного тока, средство для вырабатывания сигнала, показывающего ток, проходящий в первичной обмотке, где сигнал показывает амплитуду тока, и твердотельную выключающую схему для подсоединения источника электропитания постоянного тока к первичной обмотке трансформатора обратного хода под действием управляющего сигнала и для отсоединения источника электропитания постоянного тока от первичной обмотки под действием сигнала, показывающего, что по первичной обмотке проходит заранее определенный уровень тока.

2. Схема генерирования по п. 1, отличающаяся тем, что твердотельная выключающая схема содержит первый и второй биполярные транзисторы с изолированными затворами (БТИЗ), где первый БТИЗ подсоединяет первый вывод первичной обмотки к положительному выводу источника электропитания постоянного тока, когда первый БТИЗ находится в проводящем состоянии, а второй БТИЗ подсоединяет второй вывод первичной обмотки к отрицательному выводу источника электропитания постоянного тока, когда второй БТИЗ находится в проводящем состоянии.

3. Схема генерирования по п.1, отличающаяся тем, что твердотельная выключающая схема дополнительно содержит первый и второй диоды, соединяющие первый и второй выводы первичной обмотки с положительным и отрицательным выводами источника электропитания постоянного тока.

4. Схема генерирования по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит схему формирования импульсов, подсоединенную к первому и второму выводам вторичной обмотки, и высоковольтный выключатель для закорачивания схемы формирования импульсов под действием сигнала закорачивания.

5. Схема генерирования по п.4, отличающаяся тем, что высоковольтный выключатель включает в себя множество каскадов выпрямителей с полупроводниковым управлением (ВПУ), причем каждый каскад ВПУ содержит ВПУ, резистор и генератор управляющего сигнала, где ВПУ имеет анод, катод и затвор, ВПУ проводит ток от анода к катоду при наличии управляющего сигнала, вырабатывая потенциал между затвором и катодом, управляющий сигнал вырабатывает генератор управляющего сигнала, резистор подсоединен между анодом и катодом, каскады соединены таким образом, что ВПУ соединены последовательно.

6. Схема генерирования по п.5, отличающаяся тем, что генератор управляющего сигнала в каждом каскаде содержит вторичную обмотку импульсного трансформатора, причем каждая вторичная обмотка соединена с общей первичной обмоткой.

7. Схема генерирования по п.1, отличающаяся тем, что напряжение источника электропитания постоянного тока больше 250 В и меньше 10 кВ.

8. Схема генерирования по п.1, отличающаяся тем, что средство для вырабатывания сигнала, показывающего ток, проходящий в первичной обмотке, представляет собой чувствительный элемент.

9. Схема генерирования по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит схему формирования импульсов, подсоединенную к первому и второму выводам вторичной обмотки, причем схема формирования импульсов включает в себя катушки индуктивности с сердечниками, где сердечники способны изменять индуктивность схемы формирования импульсов.

10. Схема генерирования высоковольтных импульсов в устройстве лучевой терапии, содержащая источник излучения, способный вырабатывать испускаемый луч, имеющий переменную выходную мощность излучения, отличающаяся тем, что содержит источник электропитания постоянного тока, имеющий положительный и отрицательный выводы, трансформатор обратного хода, имеющий первичную обмотку и вторичную обмотку, причем первичная обмотка имеет первый и второй выводы для подсоединения к источнику электропитания постоянного тока и средство для вырабатывания сигнала, показывающего ток, проходящий в первичной обмотке, причем сигнал показывает амплитуду тока, причем источник электропитания постоянного тока, трансформатор обратного хода и средство для вырабатывания сигнала используются для подачи электроэнергии на источник излучения таким образом, что вырабатывается испускаемый луч.

11. Схема генерирования по п.10, отличающаяся тем, что дополнительно содержит твердотельную схему выключения для подсоединения источника электропитания постоянного тока к первичной обмотке трансформатора обратного хода под действием управляющего сигнала и для отсоединения источника электропитания постоянного тока от первичной обмотки под действием сигнала, показывающего, что в первичной обмотке проходит ток заранее определенного уровня.

12. Схема генерирования по п.11, отличающаяся тем, что твердотельная схема выключения содержит первый и второй транзисторы БТИЗ, где БТИЗ соединяет первый вывод первичной обмотки с положительным выводом источника электропитания постоянного тока, когда первый БТИЗ находится в проводящем состоянии, и второй БТИЗ соединяет второй вывод первичной обмотки с отрицательным выводом источника электропитания постоянного тока, когда второй БТИЗ находится в проводящем состоянии.

13. Схема генерирования по п.11, отличающаяся тем, что твердотельная схема выключения дополнительно содержит первый и второй диоды, подсоединяющие первый и второй выводы первичной обмотки к положительному и отрицательному выводам источника электропитания постоянного тока.

14. Схема генерирования по п.10, отличающаяся тем, что дополнительно содержит схему формирования импульсов, подсоединенную к первому и второму выводам вторичной обмотки, и высоковольтный выключатель для закорачивания схемы формирования импульсов под действием закорачивающего сигнала.

15. Схема генерирования по п.14, отличающаяся тем, что высоковольтный выключатель включает в себя множество каскадов ВПУ, причем каждый упомянутый каскад ВПУ содержит ВПУ, резистор и генератор управляющего сигнала, где каждый ВПУ имеет анод, катод и затвор, ВПУ проводит ток от анода к катоду при наличии управляющего сигнала, вырабатывая потенциал между затвором и катодом, управляющий сигнал вырабатывает генератор управляющего сигнала, резистор подсоединен между анодом и катодом, каскады соединены таким образом, что ВПУ соединены последовательно.

16. Схема генерирования по п.15, отличающаяся тем, что генератор управляющего сигнала в каждом каскаде содержит вторичную обмотку импульсного трансформатора, каждая вторичная обмотка подсоединена к общей первичной обмотке.

17. Схема генерирования по п.10, отличающаяся тем, что первый и второй выводы вторичной обмотки представляют собой схему формирования импульсов, где схема формирования импульсов включает в себя катушки индуктивности с сердечниками, причем сердечники способны менять индуктивность схемы формирования импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6