一种X射线源高压绝缘结构

本发明属于x射线，具体涉及一种x射线源高压绝缘结构。

背景技术：

1、x射线源是产生x射线的装置，由x射线管、高压电源和控制电路组成。在x射线管中，电子枪发射出的电子，经过高压电场加速后，轰击阳极靶材，产生x射线。高压电源将低压直流电通过滤波、逆变、初步升压、倍压整流等一系列操作后，转变为高压直流电，提供给x射线管。控制电路通过控制输入的低压直流电来间接控制高压电源的工作过程，同时控制x射线源的工作过程。高压电源的电路结构包括滤波电路、逆变电路、变压器升压电路和倍压整流电路；其中，滤波电路、逆变电路和变压器升压电路通常与控制电路共同设计在一块电路板上，单独放置于x射线管外侧；由于倍压整流电路在工作时，需要将输入的交流电逐步升高为高压直流电，通常需要单独放置于绝缘结构内，避免高压对低压端拉弧放电，损坏高压电路。变压器升压电路输出的交流电通过设置于绝缘结构外侧的高压输入电极，与绝缘结构内的倍压整流电路连接。高压电源工作时产生的高压直流电加载于x射线管的阳极靶上，从而在x射线管内产生高压电场。

2、高压电源作为x射线源的核心部件，其性能的稳定与否直接决定了x射线源性能的优劣。一方面，高压电源输出的高压直流电范围从几千伏至几百千伏，并能长期稳定工作，这就要求高压电源有足够的耐压，避免拉弧放电损坏。另一方面，高压电源的体积直接影响x射线源的体积，x射线源的体积越小，在运输、安装和使用时会具有更大的优势。因此，在足够小的体积内，为x射线管提供足够高的稳定高压是高压电源一直寻求突破的技术问题。而高压电源的绝缘结构性能又直接决定着高压电源的稳定性。

3、x射线源的体积还受到其功率限制。x射线源的功率越大，高压电源和x射线管的体积也越大，同时产生的热量也越多。通过提高x射线源的散热能力，使其能稳定工作。因此，对于集成式的x射线源，体积小、重量轻、绝缘耐压性好、散热快的高压电源是x射线源行业共同追求的目标。

4、现有x射线发射装置中，高压绝缘结构通常采用绝缘灌封的方式，将倍压整流电路灌封成一个整体。比如中国专利cn111937498a、cn111955056a和cn110574137b中都提到一种高压绝缘结构，采用环氧树脂灌封的方式，将倍压整流电路封装在一个固体绝缘块内，然后在固体绝缘块的上部安装金属壳体，在金属壳体内再安装x射线管，并在x射线管和壳体之间填充液态绝缘介质。这种将倍压整流电路灌封为一体的结构可以缩小整体的体积，提高集成度，但是也存在以下几方面的问题：第一，倍压整流电路一旦出故障，将不可拆卸，不可检修，增加x射线源的维修成本；第二，这种灌封方式极易在灌封体内形成低真空气泡，造成帕型放电，损坏倍压整流电路；第三，固态绝缘材料的导热性差，热量难以快速传导出固体绝缘块，导致热量堆积，增加倍压整流电路损坏风险。

5、灌封材料除了采用环氧树脂以外，还可以采用具有一定弹性的硅橡胶作为灌封材料。比如，在中国专利cn206259315u中公开了一种x射线管及高压绝缘结构，采用具有一定弹性的硅橡胶作为灌封材料，将x射线管和倍压整流电路一起灌封于一个金属壳体内，只在金属壳体侧壁留出x射线出射口。这种结构虽然有效地提高了集成度，缩小了体积，但同样会导致以下问题：第一，灌封结构内易出现低直空气泡，引起帕型放电，易损坏倍压整流电路；第二，硅橡胶具有弹性，受热发生膨胀变形，会在倍压整流电路和x射线管与硅橡胶相接触处形成微小空腔，引起帕型放电，降低x射线源的稳定性；第三，硅橡胶散热能力差，热量堆积，造成x射线管阳极端附近局部温度高，降低x射线源的稳定性。

6、为了避免固体灌封材料导致的帕型放电问题，可以采用液态绝缘介质填充倍压整流电路和x射线管周围空隙。又比如，在中国专利cn210668257u和cn210668263u中公开了一种高压x射线源高压绝缘结构，与专利cn206259315u相比，只是将硅橡胶灌封材料换成了液态绝缘油，但是外壳都是直接采用铝合金或者不锈钢等金属壳。这种结构要求金属壳的内腔体积较大，并且要求金属壳内腔体侧壁平整光滑。一方面，液态绝缘油会随着x射线源的长时间工作而劣化，导致绝缘耐压降低，若倍压整流电路和x射线管距离金属内腔体侧壁绝缘间距不够，则会导致耐压不足，降低x射线源稳定性；另一方面，金属壳内腔体表面若不够平整光滑，在高压电源电场作用下，会发生金属尖端微放电，引起拉弧放电，加速绝缘油劣化；微放电严重的甚至会直接导致高压击穿，损坏高压电源。

技术实现思路

1、针对现有x射线源高压绝缘结构中金属壳的体积较大、易发生金属尖端微放电劣化绝缘介质的问题，本发明提供了一种x射线源高压绝缘结构，采用绝缘工程塑料材质的高压绝缘筒，相比于金属壳，可缩小绝缘筒体积，在承受较高的绝缘耐压的同时不会产生微尖端放电劣化绝缘介质，有助于提升x射线源的散热效率和稳定性。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种x射线源高压绝缘结构，包括高压绝缘筒1，套接在高压绝缘筒1上端的金属散热筒2，位于高压绝缘筒1底部的密封底板3，以及设置于高压绝缘筒1外侧壁的膨胀形变装置5；

4、其中，所述高压绝缘筒1的侧壁开有第一通孔11和第二通孔12，第一通孔11与膨胀形变装置5连接；所述高压绝缘筒1的内部为圆柱形空腔，被划分为相连通的上空腔与下空腔；所述下空腔内放置倍压整流电路6；所述金属散热筒2与高压绝缘筒1同轴，其内部为圆柱形空腔，由金属散热筒2与上空腔构成的空间内放置x射线管7；所述倍压整流电路6的输入电极嵌入第二通孔12中，电压输出端62与x射线管7的阳极72电气连接；所述金属散热筒2与高压绝缘筒1之间，高压绝缘筒1与密封底板3之间，以及x射线管7的外壳71与金属散热筒2之间，均通过对应相配合的密封槽和密封圈完成密封；在放置倍压整流电路6和x射线管7后的高压绝缘筒1的内部填充绝缘介质；所述高压绝缘筒1的材质为绝缘工程塑料。

5、进一步地，所述高压绝缘筒1的材质具体为聚酰胺（pa）、聚碳酸酯（pc）、聚甲醛（pom）、聚苯醚（ppo）、聚酯（pbt）、聚苯硫醚（pps）或聚对苯二甲酸丁二醇酯（pbt）等。

6、进一步地，所述x射线源高压绝缘结构还包括包覆于高压绝缘筒1外壁的金属箔9。

7、进一步地，所述金属箔9的上端与金属散热筒2的下端外侧电气连接，金属箔9的下端与密封底板3电气连接。

8、进一步地，所述金属箔9为导电的金属薄膜，具体材质为铜或者铝。

9、进一步地，所述绝缘介质为液态绝缘介质。

10、进一步地，所述液态绝缘介质为变压器油，具体为45号变压器油、10号变压器油或25号变压器油等。

11、进一步地，所述x射线源高压绝缘结构还包括设置于金属箔9周围的多根金属拉杆4，金属拉杆4的上端通过紧固件与金属散热筒2连接，下端通过紧固件与密封底板3连接。

12、进一步地，所述高压绝缘筒1的上顶面18与金属散热筒2的上顶面22间距20~50mm。

13、进一步地，所述膨胀形变装置5包括碗状膨胀形变结构51和固定环52；其中，碗状膨胀形变结构51包括嵌入第一通孔11的中间凹陷部分53，以及设置在中间凹陷部分53周围的翻沿54；在翻沿54、固定环52和高压绝缘筒1侧壁设置多组组合孔55，各组组合孔55同轴；碗状膨胀形变结构51置于固定环52与高压绝缘筒1外侧壁之间，通过紧固件实现翻沿54与高压绝缘筒1外侧壁的紧密贴合。

14、进一步地，所述组合孔55中位于高压绝缘筒1侧壁的孔为螺孔。

15、进一步地，所述碗状膨胀形变结构51的材质为弹性材料，具体为橡胶。

16、进一步地，所述液态绝缘介质在从室温升温至所需最大温度时产生的膨胀体积，小于碗状膨胀形变结构51的形变体积。

17、进一步地，所述高压绝缘筒1的外侧壁形状为圆柱形时，在外侧壁设置圆形下沉平面17，第一通孔11位于圆形下沉平面17中心，并在第一通孔11周围设置与组合孔55对应的螺孔56；碗状膨胀形变结构51置于固定环52与圆形下沉平面17之间，通过紧固件实现翻沿54与圆形下沉平面17的紧密贴合。

18、进一步地，所述电压输出端62与x射线管7的阳极72通过连接线电气连接，所述连接线具体为金属弹簧8。

19、进一步地，所述高压绝缘筒1的内部底端设置内台阶15，倍压整流电路6的底面设置第一卡盘61，在第一卡盘61外侧边缘以及内台阶15上设置多组组合沉孔151，通过紧固件实现第一卡盘61与内台阶15的连接固定。

20、进一步地，所述高压绝缘筒1的内部设置隔板13；其中，隔板13的下平面中间为内陷平面131，用于辅助固定倍压整流电路6；隔板13的中心开有第三通孔132，用于穿过连接线；第三通孔132周围开有多个第四通孔133，以供上空腔与下空腔内液态绝缘介质的流通。

21、进一步地，所述倍压整流电路6的周围设置与高压绝缘筒1的内壁相匹配的第二卡盘63，用于辅助固定倍压整流电路6，并在第二卡盘63上开有多个第五通孔64，以供上空腔与下空腔内液态绝缘介质的流通。

22、进一步地，所述金属散热筒2的外侧壁设置多个翅片散热槽21，用于增大金属散热筒2的散热面积。

23、进一步地，所述高压绝缘筒1的外侧壁形状为正方形底面的长方体，或圆柱形。

24、进一步地，所述高压绝缘筒1的外侧壁形状为长方体时，金属拉杆4的总根数为4，分别嵌入长方体外侧壁的4条棱。

25、进一步地，所述高压绝缘筒1的外侧壁形状为圆柱形时，金属拉杆4的外形为圆柱形。

26、进一步地，所述高压绝缘筒1中与金属散热筒2相套接的上端部分的外侧壁尺寸小于下端部分的外侧壁尺寸。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

28、1、本发明提出了一种x射线源高压绝缘结构，将倍压整流电路和x射线管放置于空间连通的高压绝缘结构内部，并在内部其他区域填充绝缘介质；一方面，由于高压绝缘筒的材质为绝缘工程塑料，本身具有较高的绝缘耐压强度，相比于金属壳，在承受相同绝缘耐压时，体积可做到更小；另一方面，工程塑料材质的高压绝缘筒不会产生微尖端放电和劣化液态绝缘介质，避免产生拉弧放电、高压击穿等问题，进而提升x射线源的稳定性；

29、2、由于绝缘工程塑料的散热能力相比金属稍有不足，因此本发明通过在高压绝缘筒的上下两端分别设置金属散热筒和金属密封底板，以提升整体的散热效率；并为了进一步地适应大功率x射线源的散热需求，在金属散热筒外侧面开有一系列翅片槽，增大散热面积，进一步提升散热效率；

30、3、由于绝缘工程塑料的绝缘性好、导电能力差，在高压电源电场作用下，高压绝缘筒外表面会积聚静电荷，当电荷积聚到一定程度时，会对空气或者外侧金属低压端放电拉弧，导致高压电源不稳定，因此本发明通过在高压绝缘筒外壁贴合包覆一层金属箔，可以有效地传导走高压绝缘筒外表面积累的静电荷，避免引起放电拉弧；另外，金属箔还可作为电场屏蔽结构，避免高压电源的高压电场对外侧控制电路的干扰，同时避免外侧环境中的电磁场对高压电源产生影响，进一步提升x射线源的稳定性；

31、4、优选地，本发明在高压绝缘筒内部其他区域填充液态绝缘介质，一方面，液态绝缘介质有助于进一步提升高压电源的整体绝缘特性，并防止在高压电源内部出现低真空气泡，避免引起帕型放电问题；另一方面，液态绝缘介质在倍压整流电路产生的内部电场作用下会发生快速翻滚，翻滚的液态绝缘介质会将倍压整流电路和x射线管产生的热量加速传导至外围的高压绝缘筒以散热；由于倍压整流电路和x射线管周围的液态绝缘介质可流通，倍压整流电路产生的热量还会被翻滚的液态绝缘介质传导至上方的金属散热筒和底部的金属密封底板进行散热；因而本发明的x射线源高压绝缘结构既适用于小功率x射线源，使得体积更小，稳定性更高；也适用于大功率x射线源，可实现大功率x射线源的快速散热，提升耐压特性和稳定性，避免大功率x射线源因长时间热量积累而导致的x射线源损坏问题；

32、5、优选地，本发明采用金属拉杆和密封圈作为拉紧固定和密封结构，可以快速的拆卸检修，对倍压整流电路和x射线管的封装工艺要求简单，成本低廉，相比于灌封结构，更具有实用性；

33、6、优选地，在高压绝缘筒外侧增加了与液态绝缘介质体积膨胀相匹配的膨胀形变装置，随液态绝缘介质的膨胀与收缩而发生相应的形变，避免了液态绝缘介质膨胀造成的泄漏与损坏，提升了高压电源工作的稳定性；

34、7、优选地，高压绝缘筒的外侧壁形状设计为圆柱形，使得高压绝缘筒整体为圆环柱结构，可便于加工与安装，减小x射线源高压绝缘结构的体积和重量，更有利于散热；更重要的是，圆环柱结构有助于提升高压电源外侧的绝缘耐压特性的一致性，减小高压电场畸变造成的不稳定。