數(shù)字控制X射線源高壓電源

何錄偉

（甘肅天潤(rùn)水業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730050）

1 引言

X射線源射線輸出的穩(wěn)定性，控制方式的智能化，遠(yuǎn)程通信的標(biāo)準(zhǔn)化等成為新的X射線源技術(shù)指標(biāo)［1]。隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，X射線源高技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也變得較為容易［2] -［3]。

X射線源的控制實(shí)質(zhì)上是控制X射線管的管電壓和燈絲電流，也就是控制管電壓高壓電源和燈絲電流電源。管電壓高壓供電有兩種方式：正負(fù)電源供電和單電源供電。這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，正負(fù)電源供電的優(yōu)點(diǎn)是源體內(nèi)部高壓電位低，僅為單電源供電的一半，有利于減小體積，降低耐壓強(qiáng)度；缺點(diǎn)是燈絲電源處在負(fù)高壓電位端，燈絲的供電變得復(fù)雜，需要交流供電，高壓隔離變壓器耦合。為此，燈絲電流的穩(wěn)定性也大打折扣，高壓電源也為雙路供電，電壓閉環(huán)控制也為雙路。單電源供電的優(yōu)點(diǎn)是高壓為單路供電，逆變電路和電壓閉環(huán)控制均只需一套，燈絲位于地電位端，易于控制；缺點(diǎn)則是源體內(nèi)部高電位端電壓較高，對(duì)耐壓有較高要求，體積不易減小。

開(kāi)關(guān)型電源應(yīng)用于X射線源是技術(shù)發(fā)展的必然［4]。關(guān)鍵是要滿(mǎn)足其對(duì)電源的功率、紋波、穩(wěn)定性等指標(biāo)要求，文中研制了應(yīng)用于安檢設(shè)備的高穩(wěn)定數(shù)控X射線源，其高壓電源采用斬波器調(diào)壓，中頻逆變供電，多級(jí)倍壓整流的結(jié)構(gòu)，燈絲電源采用降壓斬波電流恒定方式，采用單片計(jì)算機(jī)數(shù)控和通訊，實(shí)現(xiàn)了高性能的X射線源。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由數(shù)字控制和供電電源組成，供電電源為管電壓直流高壓電源和燈絲低壓穩(wěn)流電源。數(shù)字控制還包括人機(jī)界面及控制面板等。

圖1 X射線源數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

高壓電源包括兩部分：逆變供電電源和直流高壓電源。逆變供電電源電路如圖2所示，單相工頻交流電壓經(jīng)整流模塊（D1-D4）變換為直流，通過(guò)C1濾波后成脈動(dòng)很小的直流電壓，采用斬波器調(diào)壓，將直流變換為電壓可調(diào)的直流電壓，大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管T1-T4和L、C構(gòu)成橋式串聯(lián)諧振逆變器，串連諧振并聯(lián)輸出逆變器將直流逆變?yōu)?0 kHz左右的幅度連續(xù)可調(diào)的準(zhǔn)正弦中頻電壓，輸出從諧振電容兩端并聯(lián)輸出到升壓變壓器Tr的初級(jí)上。

圖2 逆變供電直流高壓電源原理圖

直流高壓電源采用三級(jí)倍壓整流電路，高壓升壓變壓器Tr將中頻300 V電壓升壓為25 kV，經(jīng)6倍壓后空載電壓為150 kV，額定負(fù)載電壓為140 kV，額定負(fù)載電流為1 mA。采樣電阻為480 MΩ，控制采用閉環(huán)模擬PID調(diào)節(jié)器，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)整定，高壓電壓的穩(wěn)定度可以達(dá)到±0.1%/8h。

直流高壓電源部分、采樣電阻及X射線管等均裝配于鋼桶內(nèi)，工藝上對(duì)鋼桶內(nèi)部的電位分布、絕緣介質(zhì)耐壓強(qiáng)度、元件安裝、散熱、射線輸出方向和角度等要綜合考慮。電絕緣采用液體和固體絕緣介質(zhì)復(fù)用的方法，兼顧了X光管陽(yáng)極的散熱和高壓的絕緣，固體絕緣介質(zhì)可以有效隔斷液體絕緣介質(zhì)中各種雜質(zhì)（如纖維等）在高電場(chǎng)下形成的“小橋”，提高了介質(zhì)的電擊穿強(qiáng)度。固體絕緣介質(zhì)材料采用聚四氟乙烯板或環(huán)氧板，液體絕緣材料采用工業(yè)用變壓器絕緣油。X射線源體采用了適當(dāng)?shù)匿?鉛復(fù)合屏蔽，使源體表面的輻射劑量當(dāng)量符合有關(guān)的國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。

燈絲電源為X射線管的燈絲提供加熱電流，燈絲表面熱電子的發(fā)射密度決定了X射線管的管電流，也就決定了X射線的輸出強(qiáng)度。電子的發(fā)射電流密度是由燈絲的溫度決定的。燈絲的溫度由燈絲加熱功率P即燈絲電流決定。電路采用降壓型斬波電路，為了提高電流的穩(wěn)定度，減小50 Hz紋波的影響，控制電路采用PID調(diào)節(jié)器控制，將電流的長(zhǎng)期穩(wěn)定度控制在0.01%以?xún)?nèi)。

數(shù)字控制系統(tǒng)采用單片計(jì)算機(jī)89C52，擴(kuò)展8K字節(jié)的外部RAM，前向通道A/D轉(zhuǎn)換采用高精度12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A，后向通道D/A轉(zhuǎn)換采用高精度12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1232。如圖1所示，高壓電源的電壓、電流經(jīng)線性光電耦合電路隔離、整理電路調(diào)整為0-10 V的電壓信號(hào)，燈絲電源的電流由霍爾電流傳感器轉(zhuǎn)換為0-10 mA的電流，經(jīng)線性光電耦合電路隔離、整理電路也調(diào)整為0-10 V的電壓信號(hào)，這三路模擬信號(hào)通過(guò)多路模擬電子開(kāi)關(guān)CC4066分別由AD574轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓值用來(lái)設(shè)定X射線源的X射線能量的大小，既設(shè)定高壓電源的輸出電壓，同時(shí)也可以通過(guò)單片機(jī)的控制進(jìn)行智能化的高壓鍛煉過(guò)程，燈絲電流的輸出由電位器設(shè)定固定輸出。

系統(tǒng)擴(kuò)展了鍵盤(pán)和LED數(shù)碼顯示，用于系統(tǒng)的調(diào)試，參數(shù)設(shè)定和自動(dòng)控制，系統(tǒng)出現(xiàn)的過(guò)壓、過(guò)流、短路、電網(wǎng)異常等故障也可以由數(shù)碼顯示，以利于故障的診斷和維修。USB接口與上位計(jì)算機(jī)通信，電源系統(tǒng)的控制、狀態(tài)和參數(shù)監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)置等均可由上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 逆變器輸出電壓

逆變電源、開(kāi)關(guān)電源的高頻諧波對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾,高壓電源擊穿打火對(duì)系統(tǒng)沖擊干擾都對(duì)系統(tǒng)有致命的影響，為此系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、控制模擬電路和功率電路三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分構(gòu)成。單片機(jī)系統(tǒng)有關(guān)的輸入輸出模擬量和開(kāi)關(guān)量均通過(guò)線性光耦和光耦完全隔離?？刂颇M電路與功率電路完全隔離，地與高壓電源輸出的地相連。另外在低壓供電和高壓供電的輸入端分別加有電源進(jìn)線濾波器，以消除之間的串?dāng)_和耦合。

圖4 高壓電源起動(dòng)與關(guān)閉時(shí)間特性

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

X射線源系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖3所示為諧振逆變器輸出的電壓波形，基本上是正弦波形，能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。如圖4所示為高壓電源的起動(dòng)和關(guān)閉的時(shí)間特性，起動(dòng)時(shí)間約為1s，關(guān)閉時(shí)間為2.5s?？梢詽M(mǎn)足某些特殊設(shè)備對(duì)X射線開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)時(shí)間要求，系統(tǒng)也可以長(zhǎng)期不間斷連續(xù)運(yùn)行。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)采用高頻開(kāi)關(guān)電源和逆變電源技術(shù)，設(shè)計(jì)了X射線源的連續(xù)可調(diào)高壓穩(wěn)壓電源和連續(xù)可調(diào)燈絲電流穩(wěn)流電源，并應(yīng)用單片計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了X射線源中的兩個(gè)電源完全數(shù)字控制和監(jiān)視，通過(guò)隔離技術(shù)，保證了強(qiáng)電和弱電，模擬和數(shù)字各部分的完全隔離，消除了系統(tǒng)之間的干擾，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)測(cè)試給出了結(jié)果，該裝置功能完善，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了高性能X射線源的要求。

［1] 胡鶴宇,游 紅.新型數(shù)控高壓電源的研制［J] .電子工程師，2006,（5）.

［2] LIANG Shyhshin，TZOU Yingyu.IEEE Power Electron Drive Systems Conf,2001,（2）：522-526.

［3] Hino H，Hatakeyama T，Kawase T,etal.IEEE Intelec Conf,1989：1-8.

［4] 李東倉(cāng)，楊 磊，袁 龍.中頻供電高壓直流穩(wěn)壓電源［J] .電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2004,26（3）：4-6.