2.2 管电压的产生与控制
从前面对X射线管的讨论可知，X射线管要正常工作需要给射线管的阴极和阳极之间加上一个数十到数百千伏的高压以加速电子。提高高千伏直流电压的装置称高压发生器，其作用是给X射线管提供的管电压，兼给灯丝加热提供灯丝电压。同时，还要使操作者能够方便地掌握几个重要参数，包括管电压值、管电流、照射时间等。对某些便携式射线机来说，储存能量也是高压发生器的一个重要功能。
2.2.1 高电压的产生
1.升压过程
产生高电压的第一步是升压，即将市电电压（多为220V交流电）升高至数十甚至数百千伏的交流电。升压的核心装置是升压变压器。
一台变压器有两个分离的电路，即输入电路和输出电路。输入电路接收电能，称为初级电路，而输出电路输出电能，称为次级电路。从原理来讲，变压器输入的能量和输出的能量基本上是相等的，变压器的作用是重新分配电能，能量是以大电流、低电压的形式输入，而是以高电压、小电流的形式输出，这种变压器称为“升压变压器”。
多数X射线机变压器的升压比约为1000∶1。在升压变压器中，初级电路中的电流一定比次级电路中大，电流之比与电压之比相同。对于升压比为1000∶1的变压器来说，流过次级电路上每1mA的电流，而初级电路的电流必须为1A。
2.整流过程
从变压器输出端输出的电压是交变电压，电压连续周期地变化，且在一个周期内会出现持续时间相等而方向相反的交变电压。如果把这种电压加到射线管上，只在半周期内，阳极才相对阴极为正，但在电压的另半周期内，阴极为正，阳极为负。高压方向的逆转使热阳极发射的电子向灯丝高速运动，灯丝受到高能电子撞击而断裂，X射线管损坏。另外，管电压出现大的电压波动给成像系统的标定和数据调整带来困难。因为管电压直接影响X射线束的能量谱，管电压的剧烈波动使得X射线束的能谱也在不断变化，这样类似射线束硬化校正等过程就无法进行。X射线机中的整流过程就是将升压变压器次级输出的交流高压，通过整流电路变换为直流高压送到X射线管两端。
典型的整流电路由几只整流方式二极管组成。整流二极管的作用是电流只允许朝一个方向流，而不允许反方向流动。与一般整流二极管稍微不同的是，用于X射线管的整流二极管必须能适应数十千伏的高压作用。
典型X射线机的整流方式包括半波整流、单相全波整流、三相六波桥式整流、三相十二波桥式整流等。图2.8是半波整流电路和整流波形示意图，图2.9是单相全波整流电路和整流波形示意图。
图2.8 半波整流电路和整流前后的波形
图2.9 全波整流电路和整流前后的波形
不说整流后电压仍是脉动变化的，半波整流的主要缺点是电压一个交流周期中只有一半时间有电压，效率非常低。电路改动为全波后就大有改善，但单相整流输出电压的波纹仍然是100%。这里波纹的定义是峰值到谷值电压的差与峰值电压的比。施加在射线管上的电压时大时小，特别不利于大功率快速摄影，且这时X射线管产生的X射线能量也有很大的波动，处于峰附近，射线能量大，硬度高；电压降低到零点附近时，射出的都是低能量的软射线。进一步的改进是考虑使用相位错开2π/3的三相交流整流法。三相整流的重要特点就是，一个整流电路中的电压波形与其他两个电路中的不同步或不同相，三个电路中的电压在不同时刻各自达到自己的峰值，这三个电压波形被结合在一起，任一时刻的电压输出值等于此时最高的那相的电压。三相六波桥式整流输出波形的波纹可以减少到13.4%。
图2.10是三相六波桥式整流的波形示意图。显然，图（b）中的波形尽管还是有波动，但幅度小多了。目前心血管造影X射线机等大型机组采用的是三相十二波桥式整流，以满足连续采像时足够的输出功率和最佳的图像效果。实现十二波整流输出的大致方法是将两个同频率但相位差30°的六脉冲波形串联相加，输出波形的波纹可以达到3.4%。具体原理电路不在此赘述。
图2.10 三相六波桥式整流前后的波形
三相十二波整流输出电压的波形脉动大大降低。所以负载功率近似为管电压最大值与管电流平均值的乘积。由于三相十二波整流的脉动系数很小，是射线管产生高品质X射线的重要保证。该整流方法工作的优点表现在：①射线束中低能量射线成分少，效率高；②阴极靶盘上热量分布均匀，提高了射线管短时间（小于0.3s）的允许容量；③可允许短时间脉冲曝光，其时间可为3ms。
3.滤波过程
在X射线发生器中，使用电容器有两个目的：一是在一般X射线机中，用来起滤波作用，以产生更为恒定的管电压；二是在电容器放电式的便携式X射线机中，用来储存电能。
当电容器用来滤波时，应将其接在整流电路和X射线管之间。当电压上升到峰值时，来自整流电路的电流对电容充电。当整流电路中的电压开始下降时，电容放电。电容滤波电路会进一步降低电压的波纹系数，使得输出高电压更接近直流电。
2.2.2 控制电路
1.高电压控制
对高压的实现控制的方式包括继电器控制和晶闸管控制。继电器固有动作时间一般都在十几毫秒以上，不能满足在1s以内的短时间使其有多次闭合与断开的要求。目前已大量采用晶闸管组成的交流无触点开关取代继电器，可完全避免电弧放电，且控制敏捷、无噪声，并能在每秒200帧脉冲的范围内与其他控制电路协调地工作，以适应对运动器官进行快速摄影的需要。
目前有些机器中已采用具有控制极的双向晶闸管作为交流无触点开关元件，与普通晶闸管相比有以下优点：①具有对称的伏安特性，即无论管子上加正向电压或反向电压，它的伏安特性都是对称的，都可以由截止转变到导通，相当于两个相同的晶闸管反并联连接，所以它能很方便地作为反流无触点开关。②不需要两个互相绝缘的控制极信号源及散热。③遭受过电压时不会因热击穿而损坏，用不着过电压保护元件。选择元件转折电压也不需要过大的安全系数。④控制极可以用任何一个方向的电流触发，因而触发信号可用交流信号、直流信号和脉冲信号三种。
大容量射线机经常用于快速连续动态X射线摄影，即要求在极短时间内，连续多次曝光。工作时高变压器铁芯总是存在剩磁现象，若连续多次的剩磁相加，势必使铁芯迅速进入磁饱和状态，从而大大增大磁化电流（可高达数倍额定电流）、初级电流，导致损坏机件和影响机器的正常工作，应设法将剩磁消除。
在连续动态摄影的X射线机中，一般均采用脉冲式曝光。一个脉冲曝光时间为10ms，即50Hz交流电的半个周期，一次曝光时间为10ms的整数倍。如果前一次曝光的最后一个脉冲是在正弦交流电的正半周，而后一次曝光的起始脉冲选在交流电的负半周，则前次曝光的剩磁就可以完全抵消。所以，只要有一个能够记住极性的元件或电路，使后一次曝光的起始脉冲与前一次曝光最后一个脉冲极性相反，就可以达到消除剩磁的目的。
2.高压调节
由于人体各组织部位的密度、厚度的差异较大，为满足从薄的手指部到厚的腹部对射线穿透能力的要求，应有一个范围很宽的管电压调节系统。这些调节管电压大小的方法包括：
（1）调初级电压
根据变压器初级电压与次级高压之间的对应关系，通过调节初级电压实现管电压大小的调节目的。目前大型X射线机多采用电动调节，即用一个伺服电动机作动力，自动地改变初级电压。其中开环控制是在曝光前完成对kV数的选择和调整，闭环控制是实现曝光期间kV数的动态调整。
（2）调节电源内阻
X射线机是一种瞬时功率很大的用电设备。摄影时的电源电流可达上百安培，电源内阻的很小变化必引起电源电压的较大变化。所以，可通过小范围改变电源电路上的可调电阻来实现管电压在较大范围内的调节，达到高压调整的目的。
（3）调初级匝数
通过改变高压变压器初级匝数的办法，也可以改变管电压的大小。
（4）调初级电压、电流波形或频率
在自动化程度较高的现代X射线机中应用较广，比如，通过改变高压初级电路上的主晶闸管的导通角来选择射线管的管电压，或在中频X射线机中通过改变初级电流的占空比或频率来改变管电压。
（5）调高压次级
一般是在高压次级电路中串联高压调整管，通过改变调整管的压降而改变射线管的管电压。这种电路能进一步减少高压整流器输出电压的脉动率，产生高品质的X射线，且管电压的开关时间短，射线的脉冲性能好，可以做到2ms脉冲曝光。不足之处是调整管及其控制电路均处在正负高电压场中，需解决高压绝缘问题，结构复杂，成本较高，电能利用率低。
3.发生器控制
X射线机一般由四个基本部分组成：即产生X射线的X射线管，为X射线管提供管电压和灯丝电压的高压发生器，控制X射线的发生时间和调节X射线量（光子数）与质（光子频率）的控制装置，方便诊断的各种其他辅助装置。
X射线机对电路结构的要求是：①供给一个较低的、可调节的X射线管灯丝加热电压，以改变灯丝的加热温度，达到控制X射线的量。②供给一个可达数百千伏的、可调节的X射线管管电压，以便根据需要调整来自灯丝的电子高速撞击阳极的能量，控制X射线的质；③有一个能准确控制X射线发生的限时装置，使X射线能在规定的时间内产生和关闭。