CN103119841A - 用于高级电子应用及其x射线分析仪应用的紧凑型低噪音电源 - Google Patents

Abstract

一种屏蔽式、低噪音、高电压电源，其具有多个电压倍增器，每一个电压倍增器具有环形变压器并且共同地利用AC电压产生高DC输出电压。主导体输送该AC电压，并且位于所述多个电压倍增器的每个环形变压器附近。导电壳体导电地连接到主导体，而且基本上包围多个电压倍增器和主导体，导电壳体为主导体中的AC电压提供了返回路径，并且提供了对电压倍增器和主导体的EMI屏蔽。还提供了其它特征，包括用于调理/隔离AC电压的中间变压器。

Description

用于高级电子应用及其X射线分析仪应用的紧凑型低噪音电源

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2010年7月26日提交的美国临时专利申请No.61/367656的权益，以引用方式将该专利申请的全文并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及电源。更具体地，本发明涉及一种用于为其它EMI敏感部件附近的紧凑环境中的部件供电的紧凑的、低噪音电源。

背景技术

为敏感的高功率仪器中的部件提供直流（DC）电依然是巨大的挑战。某些部件的功率需求可能非常高，甚至在紧凑型仪器中也是这样。其它协同定位的部件可能对于来自这样的紧凑型仪器中的电源的过量水平的电磁干扰（EMI）是高度敏感的。

例如，X射线光谱仪器通常包括需要高DC电平输入（例如，40kV或更高）的X射线源；并且还包括可能对电源EMI非常敏感的其它协同定位的部件（例如，检测器）和X射线光束路径。

因此，需要一种改进的、紧凑的DC电源，其能够把典型的AC或DC功率源转换为具有很高的稳定性和可预测性并且对其它部件（例如，检测器）具有最小的EMI影响的40kV DC或更高的DC。

发明内容

本发明克服了现有技术的缺点，并且提供了其他优点，一个方面中的本发明是一种具有多个电压倍增器的屏蔽的、低噪音、高电压的电源，每个电压倍增器具有环形变压器并且共同地利用AC电压产生高DC输出电压。主导体输送该AC电压，并且位于多个电压倍增器的每个环形变压器附近。导电壳体导电地连接到主导体，并且基本包围多个电压倍增器和主导体，导电壳体为主导体中的AC电压提供了返回路径，并且提供对电压倍增器和主导体的EMI屏蔽。

绝缘灌封材料可包围主导体和电压倍增器；而且主导体可以是无护套的导体。

可以提供AC驱动电路与中间变压器一起来产生AC电压，该中间变压器位于AC驱动电路和主导体之间，用于在AC电压被施加到主导体之前对AC电压进行调理，和用于将主导体与AC驱动电路隔离。

中间变压器可以位于形成导电壳体的一部分的板上，并且接近主导体的一端。

导电壳体可以是接地的；可以包含电源的外壳，和/或可以包含位于电源外壳内的层。

本发明的电源特别适用于具有可能需要与电源部件的屏蔽的X射线激励和/或检测路径和/或检测器的X射线分析仪应用。

通过本发明的技术实现了其它另外的特征和优点。在此详细描述了本发明的其他实施例和方案，可认为该其他实施例和方案是所要求保护的本发明的一部分。

附图说明

本发明的主题是特别指出的，并在说明书结尾处的权利要求中清楚地要求保护。根据结合附图做出的下面的详细说明，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得清楚，在附图中：

图1是根据本发明的一个方面的紧凑型低噪音DC电源的透视图；

图2a是图1的电源的剖视图；

图2b是图2a的电源的一部分的嵌入图，其示出了该部分的额外细节；

图3是根据本发明的方面，与图1-2中的电源类似的电源的各部件的分解图；

图4a是电压倍增器级的透视图；

图4b是图4a的电压倍增器级的示意图；

图5是根据本发明的一个方面的电源的功能性部件的示意图；以及

图6是根据本发明的一个方面的结合电源的具有X射线光学功能的X射线分析仪的示意图。

具体实施方式

示例的X射线分析仪在诸如医疗、制药、消费产品、和石油之类的许多工业中是正在发展的受关注领域。在用于宽范围的工业测量与其它应用的X射线荧光（XRF）光谱和X射线衍射（XRD）仪器中已经广泛采用小型、紧凑的X射线管。

通过引用将被转让给本发明的受让人X射线光学***公司的美国专利No.6934359和No.7072439的全部内容并入本文，这两个专利公开了用于分析液体样本的单色波长色散X射线荧光（MWD XRF）技术和***。作为一个特殊示例，这些专利公开了用于测定石油燃料中的硫水平的技术，而且商品化的X射线分析仪（SINDIE）现在在石油炼制、管道和终端设施处的这种测量中被广泛应用。其他毒性分析物最近也引起密切关注，例如铅、镉和锑，而且这些分析物特别适合于使用X射线技术的检测和定量，因为它们对于入射的X射线会产生独特和可检测的荧光。

提供检测和定量的可接受水平的能力部分地取决于荧光检测器技术。高性能X射线检测器对EMI特别敏感，因此，在来自例如有噪声的电源的EMI存在的情况下操作检测器可能显著地损害分析仪性能。

另外，在这样的仪器中提供有效的、经济的、便携的分析性能的能力也在很大程度上取决于X射线管与光学技术。就这一点而言，可以将某一管与光学技术结合用于更小的便携***，该便携***例如是耦合到X射线光学器件的紧凑型电子轰击X射线管，来用于提供高度受控的X射线能量，以及波束路径。一种类型的X射线管可从牛津仪器公司（OxfordInstruments）获得——型号#5011，该类型的X射线管工作在低于100瓦特（即75瓦特）下，每个管的成本约$1500，相比之下，较高功率的实验室光源可能要花费数千或数十万美，这对于许多紧凑应用来说是成本高昂的。另一个例子是管形的Varian VF-50J（类似于本文描绘的），且其工作在50瓦或更低的功率下，每个管的成本是约几千美元。

为了在适当的能量下产生X射线，这些管仍然需要50kV DC的大量输入的阳极电压。用于更高的X射线能量的其它管甚至需要更高的电压。

X射线管通常以发散方式发射辐射。过去，在小样本区域上获得足够强度的照明光斑尺寸通常必需增加供应到昂贵的高功率管或其它来源的功率。使用聚焦的X射线光学器件将X射线辐射以较高强度聚焦到较小光斑的能力，已经使X射线管的尺寸和成本降低，并且因此已将X射线***从实验室扩展到现场领域的使用。上面并入的美国专利No.6934359和7072439公开了在激励和/或检测路径中使用双曲晶体光学器件的单色波长分散X射线荧光（MWD XRF）技术和***。在这些专利中描述的具有X射线光学功能的***已经在实验室之外获得了广泛的成功，用于测量各种精炼厂、终端、和管道环境中的石油燃料中的硫。

在这样的***中，可能需要沿着由光源和样本光斑限定的轴的精确光学对准，如共同转让的美国专利No.7035374中所示的那样，在此通过参考将该美国专利的全部内容并入本文。该专利提出了一种围绕中心轴的弯曲的、单色光学器件的布置，该光学器件根据布拉格衍射条件（晶体光学器件的布拉格角确定了它们的衍射效果）工作。在一个例子中，可以根据在共同转让的标题为“Curved Optical Device and Method of Fabrication”的美国专利No.6285506中所公开的方法来制造每个个体的光学晶体，在此通过参考将该美国专利的全部内容并入本文。对于合适的布拉格条件，所有单独的晶体应当被对准到从源到目标的轴。因此，光学对准的改善和操作的稳定性，特别对于这样的多晶体光学器件来说，仍然是关注的重要领域。

以前已经提出各种光学器件/光源的组合，以处理其他类型的热稳定性、光束稳定性和对准问题，例如于共同转让的美国专利No.7110506；No.7209545；以及No.7257193中公开的那些。这些专利中的每一个的全部内容在此也作为参考引入本文。特别地，专利No.7209545（标题为“X-RaySource Assembly Having Enhanced Output Stability,and Fluid Stream AnalysisApplications Thereof”）和No.7257193（标题为“X-Ray Source AssemblyHaving Enhanced Output Stability Using Tube Power Adjustments and RemoteCalibration”）利用用于管焦斑、光学器件和输出焦斑之间的对准的实时校正反馈方法解决了在光源操作期间的某些管/光学器件的对准问题。

因此，管-光学器件-目标-光学器件-检测器的对准仍然是一个重要的设计标准，对于需要在工厂中理想地完成精确对准而无需在现场进一步重新对准的较小光源、较低成本、大量制造的“在现场”***来说尤其如此。

由光学器件并且以X射线能量水平来空间地控制激发和/或检测X射线路径，以便提供必要的分析结果。已经在某些独特的仪器中提出使用电磁能量空间地形成X射线光束。相反，来自例如具有过量水平噪声的电源的无意的EMI可能对这些受控的X射线路径的完整性具有不良影响。上述X射线光源稳定性方法解决了热和/或机械的稳定性，但没有解决由于EMI因素引起的不稳定部分。

根据本发明，并参照图1，描绘了一种紧凑型、低噪音DC（直流）电源10，电源10具有高压输出连接器12和在导电外壳或壳体14中的屏蔽。如下面进一步讨论的，以及根据本发明，被屏蔽的外壳或壳体14形成电源电路（例如，主导体返回路径）的组成部分。示出了示例性的尺寸（以英寸为单元），该尺寸表示该电源相对小的尺寸。

在一个实施例中，该电源由提供DC电压（例如，24V）的标准的现有DC电源驱动，并且该电源根据下面进一步讨论的电压倍增技术，提供了递增的电压（例如，40kV）。

图2a是剖视图，示出了根据本发明的图1的示例性电源10的各部件。电压倍增器板20₁…20₄（下面进一步讨论的）被显示为垂直堆叠并且串联连接，每个电压倍增器板具有相应的环形变压器24₁…24₄。

在该实施例中，也可以使用绝缘介电材料25来实施这些板之间的绝缘，该材料25还可以如所示那样的互锁方式结构性地支撑这些板。（如下面结合图3所讨论的那样，为了支持液体或灌封材料，可以省略该介电绝缘。）

输送交流电流（下面进一步讨论的）的具有可选的护套23的主导体22被例如中心地布置在壳体14内，并穿过倍增器板的每个环形变压器。如下面进一步讨论的那样，导体22可以由“中间变压器”44形成的至少一个环形变压器28驱动，或者可以直接驱动。

根据本发明，主导体22可以具有如下特定的示例性特征：

(i)导体22可以是相对厚的（例如，直径1/4英寸），从而提供更大的表面积，并因此基于它的较大表面的外表面积，提供较小的电阻。而且，通过增加导体的直径，场线强度被分散，这减少了接地导体与附近倍增器板上的高电压之间“电弧放电”的可能性。

(ii)导体22可以是无护套的（从而如图3所示，省略护套23）。没有护套提供了与任何绝缘化合物（灌封等）的介电常数匹配，该绝缘化合物被布置于导体周围，使导体与电压倍增器板上的高电压绝缘。通过省略导体上的另一层护套，导体和灌封之间的介电常数基本上匹配，由此降低电弧放电的机会。

(iii)可以使用相同的绝缘灌封（例如油、硅等）填充壳体14的剩余部分（例如在倍增器板20等周围），来隔离导体22。

(iv)直接、容易的附着。在所示实施例中，主导体22在例如点26和点27处导电地附着至导电外壳或壳体14，导电外壳或壳体14提供了用于通过导体22输送的AC信号的返回路径，并且用于整个组件的屏蔽。

图2b的嵌入图示出了示例性外壳的一个实施例的额外示例性细节。外壳14可以由导电性材料（例如，铝或铜）形成。也可以设置内导电屏蔽18（例如，铜），其通过绝缘层16（例如聚酰亚胺（kapton））将内导电屏蔽18与外壳14分开。因此，外导电屏蔽/返回路径可以包括外壳14（如果是导电的话）和/或另一内导电层18。如果另一内层是导电的，外壳可以由非导电材料形成。

本发明设想到了形成所有或基本上所有的包围电源的部件的导电“壳体”（其包括如所示的导电外壳14、图2b的导电层18或二者）的任何导电材料，或者设想到为中心AC导体22提供返回路径并且为壳体内所有或基本上所有部件同时提供屏蔽的任何类似技术。导体22和外部壳体的组合模仿了在壳体外提供相对低的噪声的“同轴”传输线。提供屏蔽和返回路径的壳体14的任何实施方式将落入本发明的范围中，这些实施方式包括不包围所有电源部件的实施方式，和/或涉及使用任何类型的导电材料的实施方式。

根据本发明的某些方面，图3的分解图（其中对相同的元件使用相同的附图标记）提供了电源100的另一实施例的附加细节。外导电壳体或外壳14可以包括导电部件14₁…14₃，利用例如螺钉或其它合适的紧固机构将导电部件14₁…14₃导电地固定在一起。也可以沿着接合处使用衬垫材料15（例如铜锥）以确保部件之间的连续导电连接。

部件14₃可以包括放置在其上的附加电路，例如中间变压器44（下面进一步讨论），中间变压器44直接将调理后的电压施加至导体22。这允许对输入波形（在例如150kHz）的准确控制，这有助于噪声整体降低。

根据本发明，图3中还示出了与壳体14整体地形成的控制板30。控制板30包括用于例如DC功率输入、控制输入、监视器输出的连接器32。在该板的底部附近（未示出），提供了AC驱动连接器以为将150kHz的AC电压提供至主板/中间变压器44。

液体绝缘灌封材料（例如硅树脂，未示出）可被用在壳体14的内部，包围所有的板20和导体22，如图所示，它们可以保持为无护套的。没有护套提供了与任何绝缘化合物（灌封等）的介电常数匹配，该绝缘化合物被布置于导体周围，将使导体与电压倍增器板上的高电压绝缘。

图4a示出了单个电压倍增器板20，该板20包括无源元件（例如电阻器、二极管、电容器、电感变压器24（例如这个例子中的环形变压器）），以及柱21，柱21用于对相邻板的串联导电和/或物理支撑的连接。

图4b示出了板20的示例性示意图。通常，通过定位在环形线圈内的主导体22（未示出）中的交流电（例如150kHz、24V AC）在感应变压器24（例如环形线圈）中感应出交变电流。使用合适的整流电路对这个感应AC电流进行整流，在这种情况下整流电路为二极管和电容器的梯形网络。使用以上所定义的输入电压，该构造的输出DC电压可以是大约10kV。因此，4个这样的倍增器板的串联连接（例如，图1～3）可以产生40kV的高DC输出电压，该高DC输出电压足以驱动包括上面讨论的X射线管类型（例如Oxford、Varian）的高电压部件。

图5是根据本发明某些方面的电源的功能部件的示意图，该功能部件包括AC驱动电路40（例如，在上面讨论的板30上），和相关联的控制IC42（也在板30上），用于基于低输入DC电压+VS（例如，24V DC）生成AC驱动电压46。根据本发明的一个方面，可提供中间变压器44（例如在板14₃上），用于将AC电压46与施加到主导体22的AC电压48隔离/去耦合。这些波形在频率和电压上可以大致相等，然而，该中间变压器44（直接通过沿着板14₃的迹线来驱动导体22，或者在另一个实施例中，通过图2a所示的感应环形线圈来驱动导体22）提供了如下的一些优点。变压器44可以在板14₃上实施，并被直接或电感性地耦合至主导体22，从而提供对几何形状的精确控制以及因此对噪声特性的精确控制。（尽管通常该变压器可被实施在壳体14的内部（参见图2a）或者板30上的壳体14的外部。）在另一个实施例中，可以将分离的罐形磁芯电感器（用L1表示，未示出）串联地添加在变压器C1和T1之间，以便优化***谐振。可通过改变匝数或调整罐形磁芯上的间隙，来调节L1电感。将2个分离的自屏蔽罐形磁芯用于L1和T1，可以进一步实现低噪声和高效率的目标。定制的集成磁性部件可以将L1和T1组合在较小总体尺寸和重量的单个封装中。

该变压器还提供了对AC驱动电压源的阻抗匹配的一定程度的控制，而无需调节倍增器板20上的各个环形线圈24。该变压器还允许主导体22内的相对干净波形的谐振的、正弦曲线形的“振荡”。这还允许使用较高的频率（例如200kHz或更高），这得到使用较小部件（例如更小的环形线圈和电容器）的可能性。最后，该中间变压器可用来将AC电源的地52与“壳体”的地54隔离。这提供了重要的优点，即来自该电源外部其它部件（例如，AC驱动的地，以及在分析仪中共用这些地的所有其它部件）的噪声被限制于那些部件中，并且不影响电源的操作，并且相反地，还可保护那些外部分析仪部件（例如检测器）不被电源内产生的噪声影响。

也可以将地54直接连接到分析仪底架。为了适当的操作，其它现有电源有时需要与***的地的浮动/隔离。

如上所讨论的，波形48被施加到主导体22，通过接地的外壳14（或如上所述的其它导电“壳体”）返回，这也为壳体内的所有部件提供了EMI静噪效果（quieting effect）。4个串联连接的倍增器20提供了连接器12上的输出DC电压（例如，40kV）。

示例性的MWD XRF X射线分析***：

图6以示意图描绘了与上述讨论的任何电源方面（例如10/100（或其任何特征的组合））结合的示例性的MWD XRF X射线分析引擎200。X射线分析引擎可以具有焦斑，该焦斑需要与示例性的样本单元110中的样本对准。在一个实施例中，引擎200包括X射线源210（由电源10/100供电）和检测器250。可以将X射线光学器件220和/或X射线光学器件240放置在引擎的激励路径和/或检测路径中。这些光学器件需要与样本的光斑高度对准，以在上文讨论的检测的必需限制下工作。这些光学器件包括例如弯曲的晶体单色光学器件，例如在共同转让的美国专利6285506、6317483以及7035374中所公开的那些；和/或多层光学器件，例如在共同转让的2007年11月16日提交的、申请号为11/941377的、标题为“X-Ray Focusing OpticHaving Multiple Layers With Respective Crystal Orientations”的美国专利申请中所公开的；和/或多毛细管光学器件（polycapillary optics），例如在共同转让的美国专利5192869、5175755、5497008、5745547、5570408以及5604353中所公开的那些。也可使用光学器件/源的组合，例如在共同转让的美国专利7110506和7209545中所公开的那些。通过引用将每个上述专利和专利申请的全部内容并入本文。

激励和检测路径中的弯曲单色光学器件在图6中示出，其为上面讨论的SINDIE硫分析仪的构造。然而，光学器件可以仅出现在这些路径中的一个中，这仍然需要精确对准。在一个例子中，上述任意类型的光学器件可仅存在于激励路径中，而检测路径将包括能量分散检测器。这是能量分散X射线荧光（EDXRF）***的共同构造。

低噪声电源10可与X射线源210结合使用。如上面讨论的，X射线光束路径和能量水平，以及诸如检测器250之类的部件，容易被来自协同定位的电源的EMI影响。本发明的紧凑型、低噪声电源10/100（或者它们特征的任意组合）使这些有害影响最小化。

其它X射线、光谱、和一般的电子领域也可以受益于这样的电源，其中在低噪声环境中需要大于约10kV的DV电压。

尽管在此已经详细示出和说明了优选实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，可作各种修改、添加、替换等，而不脱离本发明的精神，因此这些修改、添加、替换被认为是在如以下权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种屏蔽式低噪音的高电压电源，包括：

多个电压倍增器，每一个电压倍增器具有环形变压器，并且所述多个电压倍增器共同地利用AC电压产生DC输出电压；

用于输送所述AC电压的主导体，所述主导***于所述多个电压倍增器的各个环形变压器附近；

导电地连接到所述主导体的导电壳体，所述导电壳体基本上包围所述多个电压倍增器和所述主导体，所述导电壳体为所述主导体中的所述AC电压提供了返回路径，并且提供了对所述电压倍增器和所述主导体的EMI屏蔽。

2.如权利要求1所述的电源，还包括：

包围所述主导体和所述电压倍增器的绝缘灌封材料。

3.如权利要求2所述的电源，其中所述主导体是无护套的。

4.如权利要求1所述的电源，其中所述主导体的直径大约是1/4英寸。

5.如权利要求1所述的电源，还包括：

用于产生所述AC电压的AC驱动电路；以及

中间变压器，其位于所述AC驱动电路和所述主导体之间，用于在所述AC电压被施加到所述主导体之前对所述AC电压进行调理，并且用于将所述主导体与所述AC驱动电路隔离。

6.如权利要求5所述的电源，其中，所述中间变压器位于形成所述导电壳体的一部分的板上，并且接近所述主导体的一端。

7.如权利要求1所述的电源，其中，所述导电壳体是接地的。

8.如权利要求1所述的电源，其中，所述导电壳体包括所述电源的外壳。

9.如权利要求1所述的电源，其中，所述导电壳体包括位于所述电源的外壳内部的层。

10.X射线分析引擎与权利要求1所述的电源的组合，所述X射线分析引擎具有连接到所述电源的X射线源。

11.如权利要求10所述的组合，还包括至少一个X射线光学器件，所述至少一个X射线光学器件被设置在X射线激励和/或检测路径上，所述光学器件需要对准到焦斑。

12.如权利要求11所述的组合，其中，所述至少一个X射线光学器件包括弯曲的单色光学器件或多毛细管光学器件。

13.如权利要求10所述的组合，包括检测器，所述检测器与所述电源内的部件之间需要EMI屏蔽。

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