用于X射线源的平面变压器的制作方法

用于x射线源的平面变压器
技术领域
1.本技术涉及x射线源和高电压电源。


背景技术：

2.高电压电源具有许多用途，包括便携式x射线源。例如，高电压电源可以在电子发射器与靶材之间提供大电压(例如，数十千伏)。该电压差以及有时电子发射器的高温可致使电子发射器将电子束中的电子发射至靶标。靶标可包括用于响应于来自电子发射器的撞击电子而生成x射线的材料。


技术实现要素：

3.高电压电源可能很重，从而使用户难以运输。减小高电压电源的重量将是有益的。
4.高电压电源的一些应用，诸如举例而言x射线静电耗散、设备的非破坏性测试、以及x射线荧光分析，可能需要便携式x射线源插入到较小区域中。减小高电压电源的尺寸将是有益的。
5.一些应用需要高电压快速脉冲。例如，给x射线管的高电压快速脉冲可导致x射线快速脉冲。跨x射线管(即，在阴极与阳极之间)的大偏置电压可导致每个脉冲。cockcroft
‑
walton乘法器可生成每个脉冲的偏置电压。脉冲的频率归因于cockcroft
‑
walton乘法器的电子器件而受限。例如，归因于对cockcroft
‑
walton乘法器的电容器进行充电和放电的需要，每个脉冲可具有不期望的历时。增大高电压脉冲的频率将是有益的。
6.一些应用需要对高电压量值的控制。例如，在x射线源中，所发射的x射线频谱取决于电压的输入量值。因此，反馈回路被用来将实际偏置电压调整为所需偏置电压；但是反馈回路增加了x射线源的尺寸和成本。改进对输出x射线能量的控制将是有益的，尤其是在没有反馈回路的情况下。
7.因而，减小高电压电源的重量和大小、增大高电压脉冲的频率、以及改进对高电压量值的控制将是有利的。本发明包括满足这些需求的高电压电源以及具有这些高电压电源的x射线源。每个高电压电源可以满足这些需求中的一个、一些或全部。
8.高电压电源可以包括串联地电耦合在一起的多个平面变压器，每个平面变压器限定一个级。每个级可以包括初级电路和次级电路。初级电路可以包括电耦合到初级绕组的交流源。次级电路可以包括串联的次级绕组和整流器电路。
9.除了最低电压级之外，每个级的次级电路可以电耦合到较低电压级的整流器电路的dc输出。除了最高电压级之外，每个级的整流器电路的dc输出可以电耦合到较高电压级的次级电路。最高电压级的整流器电路的dc输出可以电耦合到x射线管。
10.附图说明(附图可能未按比例绘制)
11.图1是具有串联地电耦合在一起的多个平面变压器的高电压电源10的示意图，每个平面变压器限定一个级s，包括最低电压级s
l
和最高电压级s
h
，并且最高电压级s
h
的dc输出o
dc
电耦合到高电压设备12。
12.图2是类似于高电压电源10的高电压电源20的示意图，但是进一步包括最低电压级s
l
与最高电压级s
h
之间的中间级s
i
。
13.图3是类似于高电压电源10的高电压电源30的示意图，但是进一步包括最低电压级s
l
与最高电压级s
h
之间的两个中间级s
i
。
14.图4是在初级电路板41上具有初级迹线形式的初级绕组w
p
的级s的一部分的俯视图，该初级迹线包括螺旋形状。
15.图5是沿着线5
‑
5截取的图4的级s的截面侧视图。
16.图6是在次级电路板61上具有次级迹线形式的次级绕组w
p
的级s的一部分的俯视图，该次级迹线包括螺旋形状。
17.图7是沿着线7
‑
7截取的图6的级s的截面侧视图。
18.图8是具有紧邻的初级迹线和次级迹线的级s的一部分的俯视图，其中许多次级迹线与初级迹线交叠。
19.图9a是具有紧邻的初级迹线和次级迹线的级s的一部分的截面侧视图，初级迹线和次级迹线在分开的电路板41和电路板61上，并且初级迹线被夹在电路板41与电路板61之间。
20.图9b是具有紧邻的初级迹线和次级迹线的级s的一部分的截面侧视图，初级迹线和次级迹线在分开的电路板41和电路板61上，并且电路板41和电路板61两者均被夹在初级迹线与次级迹线之间。
21.图10是与图9b的级s相类似的级s的一部分的截面侧视图，不同之处在于初级电路板41和次级电路板61是相同电路板41/61。
22.图11a是与图9a和9b的级s相类似的级s的一部分的截面侧视图，不同之处在于次级电路板61包括两个次级电路板61a和61b，并且次级绕组w
s
包括两个次级绕组部分w
sa
和w
sb
。
23.图11b是与图11a的级s相类似的级s的一部分的示意性截面侧视图，不同之处在于初级电路板41与两个次级电路板61a或61b之一相同。
24.图12是解说电路板41和电路板61的厚度th
l
、th
i
和th
h
的关系的高电压电源120的示意图。
25.图13是具有毗邻各级s之间的密封131的高电压电源120的示意图。
26.图14是高电压电源的级s的示意图，其中初级电容器141与初级绕组w
p
并联地电耦合，并且次级电容器142与次级绕组w
s
并联地电耦合。
27.定义
28.如本文中所使用的，术语“ac”意指交流电，而术语“dc”意指直流电。
29.如本文中所使用的，术语“毗邻”意指直接和间接接触。如本文中所使用的，术语“毗邻”包括邻接，但是还包括接近或靠近毗邻项之间的其他(诸)材料。
30.如本文中所使用的，术语“平行”意指：完全平行、在正常制造容差内平行、或几乎完全平行，使得任何偏离完全平行的偏差对器件的正常使用将具有可忽略不计的影响。
31.如本文中所使用的，术语“x射线管”不限于管形/圆柱形器件。使用术语“管”是因为这是用于x射线发射设备的标准术语。
32.如本文中所使用的，术语“kv”意指千伏，术语“mm”意指毫米，术语nh意指纳亨，术
语μh是指微亨，术语“μf”意指微法，术语“pf”意指皮法。
具体实施方式
33.如图1
‑
3中所解说，高电压电源10、20和30包括多个平面变压器(即，平面变压器的阵列)。每个平面变压器限定级s。级s可以串联地电耦合。
34.每个级s可以包括初级电路c
p
和次级电路c
s
。初级电路c
p
可以包括电耦合到初级绕组w
p
的交流源11。交流源11可通过初级绕组w
p
提供交变电流。
35.初级绕组w
p
和次级绕组w
s
可以各自是扁平的线圈绕组。初级绕组w
p
和次级绕组w
s
可以彼此毗邻。初级绕组w
p
和次级绕组w
s
可以彼此间隔开。在初级绕组w
p
与次级绕组w
s
之间可存在固体材料。初级绕组w
p
可以紧邻次级绕组w
s
定位，使得通过初级绕组w
p
的交变电流将感生通过次级绕组w
s
的交变电流，从而导致次级绕组w
s
中的ac输出o
ac
。
36.整流器电路r可以电耦合至ac输出o
ac
，并且可以对来自次级绕组w
s
的交流电进行整流以提供dc输出o
dc
。除了最高电压级s
h
的dc输出o
dc
之外，每个级的dc输出o
dc
可以电耦合至较高电压级s的次级电路c
s
的输入in
s
。输入in
s
可以在较高电压级s的整流器电路r的外部，诸如在次级绕组w
s
与整流器电路r之间。
37.除了最低电压级s
l
之外，所有级s都可以电耦合到较低电压级s的dc输出o
dc
。
38.因而，可以跨级s放大电压。级s的电压上升可以加在一起。
39.最高电压级s
h
的整流器电路r的dc输出o
dc
可以电耦合到高电压设备12。x射线管是高电压设备12的一个示例。dc输出o
dc
可以电耦合到电子发射器(例如，细丝)或x射线管的阳极。
40.如图1中所解说，高电压电源10可具有最低电压级s
l
和最高电压级s
h
。最低电压级s
l
的dc输出o
dc
可以电耦合到最高电压级s
h
的次级电路c
s
。
41.如图2中所解说，高电压电源10可具有最低电压级s
l
、中间级s
i
和最高电压级s
h
。最低电压级s
l
的dc输出o
dc
可以电耦合到中间级s
i
的次级电路c
s
。中间级s
i
的dc输出o
dc
可以电耦合到最高电压级s
h
的次级电路c
s
。
42.如图3中所解说，高电压电源30可以包括至少四个级，包括最低电压级s
l
、最高电压级s
h
、以及在最低电压级s
l
与最高电压级s
h
之间的两个中间级s
i
。可存在不止两个中间级s
i
。可基于期望的dc电压增大/减小、尺寸、成本、电压隔离(voltage standoff)和可制造性来选择中间级s
i
的数目。
43.最低电压级s
l
的dc输出o
dc
可以电耦合到较低电压中间级s
il
的次级电路c
s
。较低电压中间级s
il
的dc输出o
dc
可以电耦合到较高电压中间级s
ih
的次级电路c
s
。较高电压中间级s
ih
的dc输出o
dc
可以电耦合到最高电压级s
h
的次级电路c
s
。
44.在高电压电源10、20和30中，最高电压级s
h
的dc输出o
dc
可以电耦合到高电压设备12。高电压设备12可以是x射线管，并且最高电压级s
h
的dc输出o
dc
可以电耦合到x射线管的阴极(或阳极)。x射线管的阳极(或阴极)可以电耦合到接地。初级绕组w
p
可以电耦合到接地。因而，x射线管的阳极(或阴极)和初级绕组w
p
可以具有相同或类似的电势。
45.整流器电路r可以包括串联的电容器r
c
和二极管r
d
(参见图2)。较低电压级的整流器电路r的dc输出o
dc
可连接在整流器电路r的电容器r
c
与二极管r
d
之间。具有串联的电容器r
c
和二极管r
d
的图2的整流器电路r可用于本文所描述的任何整流器电路r中，包括图1、3和
12
‑
14中的任一者中所示的那些整流器电路r。图2的整流器电路r可以与图4
‑
11b的级s相组合。
46.具有多个平面变压器的这些高电压电源10、20和30可以与本文所描述的任何其他高电压电源或级s示例相组合，包括图4
‑
14中的任一者中所示的那些高电压电源或级s示例。
47.如图4
‑
5中所解说，初级绕组w
p
可以是初级电路板41上的初级迹线t
p
。初级迹线t
p
可以包括螺旋形状。如图6
‑
7中所解说，次级绕组w
s
可以是次级电路板61上的次级迹线t
s
。次级迹线t
s
可以包括螺旋形状。作为初级电路板41上的初级迹线t
p
的初级绕组w
p
(图4
‑
5)可以与作为次级电路板61上的次级迹线t
s
的次级绕组w
s
(图6
‑
7)相组合以形成级s。
48.在电路板41和电路板61上使用迹线t
p
和t
s
可改进可制造性。这样的设计成本相对较低并且易于重复。可重复的制造允许在所制造的多个单元之间以相同频率谐振。
49.电路板(41、61或两者)可提供初级迹线t
p
与次级迹线t
s
之间所需的电绝缘。电路板还可允许初级迹线t
p
和次级迹线t
s
接近，因而提供绕组w
p
和w
s
的所需耦合。示例电路板(41、61或两者)可包括聚酰亚胺。迹线t
p
、t
s
或两者的材料(例如，铜)可沉积在电路板上。迹线形状可被蚀刻到该材料中。
50.电路板厚度th
41
和th
61
可以基于初级迹线t
p
与次级迹线t
s
之间所需的电绝缘(越厚越好)以及初级迹线t
p
与次级迹线t
s
之间所需的耦合(越薄越好)之间的平衡来选择。初级电路板41的示例厚度th
41
包括th
41
≥0.05mm、th
41
≥0.2mm、th
41
≥0.5mm、或th
41
≥0.8mm。初级电路板41的其他示例厚度th
41
包括th
41
≤0.6mm、th
41
≤0.8mm、th
41
≤2mm、或th
41
≤5mm。次级电路板61的示例厚度th
61
包括th
61
≥0.05mm、th
61
≥0.2mm、th
61
≥0.5mm、或th
61
≥0.8mm。次级电路板61的其他示例厚度th
61
包括th
61
≤0.6mm、th
61
≤0.8mm、th
61
≤2mm、或th
61
≤5mm。
51.初级电路板41可以与次级电路板61相同。替换地，另一种材料可在初级迹线t
p
与次级迹线t
s
之间。
52.初级迹线t
p
与次级迹线t
s
之间的最小距离可以≥0.05mm、≥0.2mm、≥0.5mm、或≥0.8mm。初级迹线t
p
与次级迹线t
s
之间的最大距离可以≤0.6mm、≤0.8mm、≤2mm、或≤5mm。
53.图4
‑
7的示例迹线、电路板和厚度可以与本文所描述的任何其他高电压电源示例相组合，包括图1
‑
3和8
‑
14中的任一者中所示的那些高电压电源示例。
54.如图8
‑
11b中所解说，初级绕组w
p
(在这些图中被示为初级迹线t
p
)可紧邻次级绕组w
s
(在这些图中被示为(诸)次级迹线t
s
)定位。
55.在图8中，初级迹线t
p
与次级迹线t
s
彼此毗邻(紧挨着但不接触)，并且许多次级迹线t
s
与初级迹线t
p
交叠，如从垂直于螺旋形状的角度查看到的。次级迹线t
s
可以沿着次级迹线t
s
的长度的至少80％与初级迹线t
p
交叠(垂直于且穿过次级电路板61的面来评估该交叠)。这样的交叠可导致初级迹线t
p
与次级迹线t
s
之间的改进的电耦合。替换地，在降压变压器中，初级迹线t
p
可以与次级迹线t
s
交叠。为了清楚起见，在图8中示出了初级迹线t
p
和次级迹线t
s
，而没有示出电路板41和电路板61。
56.如图8中所解说，初级迹线t
p
可具有宽度42，该宽度42比次级迹线t
s
的宽度62大至少四倍。平行于初级电路板41的面来测量初级迹线t
p
的宽度42。平行于次级电路板61的面来测量次级迹线t
s
的宽度62。在测量点处垂直于迹线t
p
或t
s
的长度来测量这些宽度42和62。
57.图8的示例迹线t
p
和t
s
可以与本文所描述的任何其他高电压电源示例相组合，包括
图1
‑
7和9a
‑
14中的任一者中所示的那些高电压电源示例。
58.初级迹线t
p
和次级迹线t
s
可在分开的电路板41和电路板61上，如图9a
‑
9b中所解说的。作为对比，对于图10中的平面变压器100，单个电路板被用于初级电路板41和次级电路板61两者。可基于可制造性、成本、以及绕组w
p
和w
s
的所需耦合来在图9a
‑
10的平面变压器之间做出选择。
59.图9a
‑
10的示例迹线和电路板可以与本文所描述的任何其他高电压电源示例相组合，包括图1
‑
8和11
‑
14中的任一者中所示的那些高电压电源示例。
60.如图11a
‑
11b中所解说，次级电路板61可包括两个次级电路板61a和61b。图11a
‑
11b的设计改进了初级绕组w
p
与次级绕组w
s
之间的耦合，并且允许紧凑的平面变压器设计。
61.次级绕组w
s
可被划分成两个次级绕组部分w
sa
和w
sb
。这两个次级电路板61a和61b可以分开并且彼此间隔开。这两个次级电路板61a和61b可以相对于彼此平行。
62.两个次级绕组部分之一w
sa
可以在两个次级电路板之一61a上。两个次级绕组部分中的另一者w
sb
可以在两个次级电路板中的另一者61b上。
63.初级绕组w
p
可被夹在两个次级绕组部分w
sa
与w
sb
之间。初级绕组w
p
可被夹在两个次级电路板61a与61b之间。
64.这两个次级绕组部分w
sa
和w
sb
可以位于两个次级电路板61a和61b的外表面上。这两个次级电路板61a和61b可被夹在两个次级绕组部分w
sa
与w
sb
之间。
65.这两个次级绕组部分w
sa
和w
sb
可以在螺旋形状的中心处连接，这种连接被称为次级绕组连接w
c
。次级绕组连接w
c
可以延伸穿过初级电路板41的中心。这两个次级绕组部分w
sa
或w
sb
之一的螺旋形状可以旋入而另一个可以旋出(螺旋方向被定义为在单个时间点的电流流动方向)。如上所述，将初级绕组w
p
夹在这两个次级绕组部分w
sa
与w
sb
之间并形成螺旋方向可改进电磁耦合。
66.位于两个次级电路板61a和61b的面上的这两个次级绕组部分w
sa
和w
sb
可以与这两个次级绕组部分w
sa
和w
sb
在螺旋形状的中心处的连接相组合。替换地，位于两个次级电路板61a和61b的面上的这两个次级绕组部分w
sa
和w
sb
可以在除了螺旋形状的中心之外的另一位置处被连接。
67.如图11b中所解说，初级电路板41可以是与两个次级电路板61a和61b之一相同的电路板。
68.图11a
‑
11b的示例绕组和电路板可以与本文所描述的任何其他高电压电源示例相组合，包括图1
‑
10和12
‑
14中的任一者中所示的那些高电压电源示例。
69.较高电压级s可受益于较大电路板厚度。每个附加级s倍增或增大次级迹线t
s
的偏置电压。但是，每个附加级s不会倍增或增大初级迹线t
p
的偏置电压。因此，次级迹线t
s
与初级迹线t
p
之间的电压差增加了在平面变压器阵列中的从最低电压级s
l
朝最高电压级s
h
的向上移动。
70.较高电压级s可受益于较大厚度(th
41
、th
61
或两者)电路板。这可避免因电路板过薄而在较高电压级s处所致的电弧。较低电压级s可受益于较小厚度(th
41
、th
61
或两者)电路板。这可改进较低电压级s处的电耦合。因而，电路板41和电路板61的最大厚度可随着从最低电压级s
l
到最高电压级s
h
的移动中的每一级而增大。
71.电路板厚度可因而匹配跨级的电压差，如图12中所解说的。高电压电源120在每个
级s中包括电路板(41、61或两者)的相对于其他级s的不同厚度th
l
、th
i
、th
h
。各级之间的电路板厚度的示例关系包括：th
l
<th
i
、th
i
<th
h
、1.1*th
l
<th
i
、1.1*th
i
<th
h
、1.5*th
l
<th
i
、1.5*th
i
<th
h
、2*th
l
<th
i
、2*th
i
<th
h
、或其组合。th
l
是最低电压级s
l
的初级电路板41和次级电路板61的最大厚度。th
i
是中间级s
i
的初级电路板41和次级电路板61的最大厚度。th
h
是最高电压级s
h
的初级电路板41和次级电路板61的最大厚度。
72.图12的示例级和电路板厚度th
l
、th
i
和th
h
可以与本文所描述的任何其他高电压电源示例相组合，包括图1
‑
11和13
‑
14中的任一者中所示的那些高电压电源示例。
73.如图13中所解说，高电压电源130可以包括或包含在一些或所有级s之间的密封131。密封131可邻接毗邻级s。高电压电源130包括在最低电压级s
l
与中间级s
i
之间并邻接最低电压级s
l
与中间级s
i
的密封131；以及在中间级s
i
与最高电压级s
h
之间并邻接中间级s
i
与最高电压级s
h
的密封131。密封131可以是电阻性的，并且可以在各级s之间提供电弧保护。
74.图13的示例密封可以与本文所描述的任何其他高电压电源示例相组合，包括图1
‑
12和14中的任一者中所示的那些高电压电源示例。
75.可以基于电弧保护(越大越好)与平面变压器阵列的整体尺寸(越小越好)之间的平衡来选择毗邻级s之间的距离d
s
。该距离d
s
在图12
‑
13中解说，但是适用于本文所描述的任何其他高电压电源示例，包括在图1
‑
11b和14中的任一者中示出的那些高电压电源示例。
76.平面变压器阵列的所有毗邻级s之间的示例最小距离d
s
包括：d
s
≥0.05mm、d
s
≥0.2mm、d
s
≥0.5mm、或d
s
≥0.8mm。平面变压器阵列的所有毗邻级s之间的示例最大距离d
s
包括：d
s
≤0.6mm、d
s
≤0.8mm、d
s
≤2mm、或d
s
≤5mm。
77.如果毗邻级s之间的绝缘材料与初级绕组w
p
和次级绕组w
s
之间的电路板41或电路板61的材料相同，则距离d
s
可以与电路板41厚度th
41
、电路板61厚度th
61
或两者相同。
78.在图14中解说了级s中的电容器141和142。初级电路c
p
可以包括与初级绕组w
p
并联地电耦合的初级电容器141。可选择初级电容器141的电容以与磁化电感(即，与初级绕组w
p
的开路电感)谐振。
79.次级电路c
s
可以包括与次级绕组w
s
并联地电耦合的次级电容器142。可选择次级电容器142以与级s的漏电感谐振。可选择初级电容器141和次级电容器142以供初级电路c
p
与次级电路c
s
之间的谐振。
80.磁化电感/初级电容组合的谐振频率与漏电感/次级电容组合的谐振频率可以相同。
81.图14的示例电容器可以与本文所描述的任何其他高电压电源示例相组合，包括图1
‑
13中的任一者中所示的那些高电压电源示例。
82.以下是示例级s的规格。初级绕组w
p
电感为563nh。次级绕组w
s
电感为36.03μh。漏电感为493nh。整流器电路r的电容器r
c
的电容为10pf。初级电容器141的电容为45μf。次级电容器142的电容为210pf。整流器电路r的这些电容器r
c 141和142以及二极管r
d
的额定电压为8kv。初级对次级匝数比为4:40。高电压设备12的电阻为1兆欧。
83.本文所描述的高电压电源可以以比cockcroft
‑
walton乘法器高得多的频率提供高电压快速脉冲。如本文中所使用的，高电压脉冲意指指定量(例如，10kv)的电压上升，继之以该指定量的下降。例如，本文所描述的高电压电源可以提供在≤20微秒、≤50微秒、或≤100微秒内重复的≥10kv的脉冲。本文所描述的高电压电源可以提供具有≤20微秒、≤50
微秒、或≤100微秒的周期的≥10kv、≥40kv、或≥80kv的脉冲。每个脉冲的示例最大电压包括≤100kv、≤250kv、或≤1000kv。跨x射线管施加的这些电压脉冲可导致从x射线管发射的x射线脉冲。
84.与其他或毗邻脉冲相比，每个相继脉冲可具有不同幅度。毗邻脉冲之间可存在大的幅度差，诸如举例而言，≥50v、≥1kv、≥10kv、或≥40kv和≤1kv、≤40kv、或≤100kv。毗邻脉冲之间的该幅度差可以在所有毗邻脉冲之间或至少两个毗邻脉冲之间。各脉冲之间的这些电压幅度差可导致每个脉冲发射不同的x射线频谱，这可被用于在x射线荧光分析中对由不同x射线曝光的材料进行分析。
85.本文所描述的高电压电源可以比其他高电压电源更轻且更小(例如，与铁芯变压器相比)。
86.可将最高电压级s
h
的整流器电路r的dc输出o
dc
控制到高准确度和高精度水平，即使没有电压传感器和反馈回路。因此，具有本文所描述的高电压电源之一的x射线源可被制成为不带有电压传感器(用于感测x射线管的阴极与阳极之间的偏置电压)。