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紧凑型冷阴极X射线管便携式倍增器设计的盖子
近几十年来，X射线产生领域经历了重大的范式转变，逐渐摆脱了大型X射线源的局限……
紧凑型冷阴极X射线管便携式倍增器设计的盖子
工程答案
便携式冷阴极X射线管采用场发射而非加热灯丝的工作原理，整个系统的成败取决于为其供电的高压倍压器：阳极需要来自电池大小电源的数万伏电压，该电源由紧凑型考克罗夫特-沃尔顿倍压器提供，其电容器和二极管必须安装在手柄内，并在数千次曝光后仍能保持其性能。对于便携式X射线设备制造商而言，选择的关键因素包括倍压器的级数、开关频率下的电容器纹波和损耗，以及在紧凑（通常是密封的）外壳内的机械配合。
- 根据所需的阳极电压（kV）和可用的输入电压来确定倍压器级数；每级增加一个电容器和一个二极管。
- 选择低损耗介质：倍频器工作频率很高，而手柄的发热量很小。
- 验证阳极电压下的局部放电情况；便携式设备在寒冷和下雨时的放电方式不同。
抽象
本文探讨了紧凑型冷阴极X射线管及其便携式倍压电源内部的电容器和二极管选择。文章推导了决定倍压器级数的倍压器输出方程、决定级电容器尺寸的纹波方程以及限制手柄温度的损耗方程，并介绍了便携式X射线管设计中的一些痛点、适用于各级的HVC系列产品，以及一个场发射管OEM厂商在保持60 kV阳极输出不变的情况下，将倍压器长度减半的案例。
1. 应用背景：场发射改变了供应
冷阴极X射线管通过场发射发射电子：纳米结构阴极上的强电场无需灯丝即可将电子抽出，因此X射线管可立即工作，无需预热电源，也不消耗加热电流。但这种优势的代价是，阳极电源必须从小型电池供电输入端提供高电压（通常为40-80千伏），而且进行电压转换的倍压器必须与X射线管一起安装在便携式外壳内。
该乘法器由多个级联组成；每一级增加一个电容器和一个二极管，输出随着级数和输入幅度的增加而增长：
倍频器的负载是电子管电流，虽然很小但持续不断，到达阳极的纹波由级电容和开关频率决定：
三、技术要求
2.1 级数和每级电压。 每个倍频级两端的电压大约是输入幅度的 2 倍；每一级中的电容器和二极管的额定值必须与此相符并留有余量，并且外壳内部的爬电距离必须与之匹配：
2.2 损耗和手机热预算。 倍频器的工作频率为几十到几百千赫兹；每一级电容器的损耗与耗散因子和频率成正比，热量落在几乎没有冷却的密封手柄中：
2.3 场中阳极的PD。 便携式设备在户外、寒冷、雨天和高海拔地区使用；倍压器的PD起始电压必须在整个环境范围内保持在阳极电压之上：
2.4 尺寸和安装。 倍频器位于电子管旁边一个紧凑的、通常用灌封材料包裹的腔体中。电容器需要螺钉或带状端子来承受现场使用的振动，而且主体必须足够小，以便逐级堆叠：
图 1 — 每个倍增器级都增加一个电容器和一个二极管；级数决定阳极电压 (kV)，级间距决定手柄长度。
3. 工程师痛点（现场反馈）
疼痛 1 — 手柄在使用过程中过热。 “倍频器在十次曝光后温度达到了75°C。”该级电容器在开关频率下具有很高的损耗因子。改用低损耗的1类介质后，发热量降低了一个数量级。
问题 2 — 负载下阳极电压下降。 “脉冲结束后，图像变暗了。”由于级电容器的容量不足以应对电子管电流，纹波增大，有效阳极电压下降。根据纹波方程重新调整电容器容量后，脉冲期间的有效阳极电压得以保持稳定。
疼痛 3 — 冷场应用中的 PD。 “该装置在 5°C 时停止工作。”倍频器是在 25°C 下进行认证的，而不是在现场温度下。对级电容器和灌封组件在 -20 至 +50°C 的温度范围内进行认证，解决了低温环境下的故障问题。
4. 乘数分量比较
| 属性 | 通用磁盘 | 紧凑型门把手舞台（合格） |
|---|---|---|
| 100 kHz 下的 tan δ | 1-3％ | ≤0.2％ |
| 手柄温度升高 | 50ķ | 9ķ |
| 管电流纹波 | 跌落 | 尺寸合适，稳定性好 |
| 场包络线上的PD | 寒冷中的蜱虫 | 合格 -20…+50 °C |
| 舞台高度 | 高大、宽松的公差 | 紧凑、可堆叠 |
如何使用此比较方法。 对于便携式设备而言，倍增系数取决于整个产品的尺寸和散热预算。合格的级部件是根据频率、损耗和场包络来选择的，而不是根据产品目录中的电压。
5. 选择和HVC解决方案
| 职务 | HVC系列 | 电压 | 关键规格 |
|---|---|---|---|
| 倍压级电容器 | HVCT8G | 20–150 伏 | N4700，密度≤0.2%，紧凑型 |
| 级二极管 | HVD | 20–150 伏 | 快速恢复，低泄漏 |
| 输出滤波器 | 陶瓷盘 | 1–50 伏 | 低损耗，密封 |
① 根据负载大小设置阶段。 级电容由电子管电流和纹波预算决定，因此阳极电压在脉冲期间保持稳定。
② 低损耗手柄。 N4700 1 类介电材料使倍增器产生的热量仅为通用部件的一小部分，因此密封腔体保持低温。
③ 符合场地范围要求。 在 -20 至 +50 °C 范围内验证了 PD 和数值漂移，与便携式设备的户外工作环境相匹配。
6. 工程案例研究（参考资料）
一家便携式X射线机OEM厂商需要一个长度只有上一代一半的手柄，并配备60 kV阳极电源。重新设计后，采用了一个由紧凑型旋钮式放大器和快速恢复二极管组成的五级倍压器，各级电容根据1 mA管电流进行设计。以下是改造后的对比：
| 测量参数 | 之前（高阶段） | 之后（紧凑阶段） |
|---|---|---|
| 乘数长度 | 底线 | −48％ |
| 1 mA 电流下的阳极纹波 | 2.1千伏 | 0.6千伏 |
| 手柄温度上升，10次射击 | 48ķ | 9ķ |
| 5℃冷启动PD | 蜱 | < 5 pC |
紧凑型倍增器是便携式X射线机的关键技术：它将电池电压转换为密封手柄内的阳极千伏电压，但前提是其平台部件的尺寸、冷却性能和性能必须符合实际应用要求。通过根据千伏电压选择合适的平台数量，根据纹波电压选择合适的电容值，根据散热预算选择合适的介质材料，即可实现手柄的小型化、低温化和可靠性。
7. 设计考虑
- 根据kV值设置阶段数： V_out ≈ 2 · N · V_in，然后按输入的 2 倍进行评级，并留出余量。
- 根据纹波确定电容值： 在最坏情况下的突发电流下，C ≥ I_tube / (f · V_ripple)。
- 符合场地范围要求： 在设备将要遇到的寒冷、炎热和高海拔条件下测试PD和漂移。
验证清单
- 在额定电子管电流下，测量整个脉冲期间的阳极电压和纹波。
- 运行曝光任务并记录手柄温度上升情况。
- 在 -20、25 和 +50 °C 下对灌封倍增器进行 PD 筛选。
- 对手机进行跌落测试，并重新验证阳极电压和局部放电。
8。 参考
- [1] IEC 60384-1， 电子设备用固定电容器——第1部分：通用规范IEC，2018。
- [2] IEC 60601-2-28， 医用电气设备——第2-28部分：医用诊断用X射线管组件的特殊要求IEC，2017。
- [3] 陈景亮、姚学玲、孙伟,《高电压试验技术》(高电压试验技术), 西安交通大学出版社 (西安交通大学出版社), 2013. (中文学术专着)
- [4] MS Naidu，V. Kamaraju， 高压工程，第 5 版，麦格劳-希尔教育出版社，2013 年。
- [5] 村田制作所， 高压陶瓷电容器：应用手册村田，2019。（品牌数据表汇编）
- [6] TDK电子公司， 电力电子用高压电容器：选型指南TDK，2020。（品牌选择指南）
相关HVC产品页面： 电容器交叉参考.