一種X 射線管測(cè)試用控制器研制

徐陳勇

（公安部第一研究所， 北京 100048）

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外安全形勢(shì)也越來(lái)越嚴(yán)峻。 在交通方面，特別是民航領(lǐng)域，為保證乘客的安全出行環(huán)境， 全球各地機(jī)場(chǎng)都大量使用X 射線安檢機(jī)，對(duì)乘客行李進(jìn)行安檢。X 射線安檢機(jī)的一個(gè)核心部件是X 射線源， 然而X 射線管又是X 射線源的核心部件，由此可見(jiàn)X 射線管在該設(shè)備中的重要地位。 為保證整機(jī)的性能和使用壽命，故需要對(duì)使用的X 射線管質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，因此需要在X 射線管的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)新出廠的射線管進(jìn)行性能測(cè)試和老化訓(xùn)練。 隨著科技的進(jìn)步電力電子技術(shù)在各行各業(yè)得到了飛速發(fā)展[1]，本文介紹了一種安檢領(lǐng)域X 射線管生產(chǎn)用180kV/2.5mA 高壓測(cè)試控制器的研制，同樣采用了電力電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其高壓部分逆變及燈絲供電逆變均采用半橋拓?fù)洌?信號(hào)調(diào)制基于UC2526ADW 芯片及采用單片機(jī)管理整個(gè)系統(tǒng)。

1 X 射線管工作系統(tǒng)構(gòu)成

X 射線管是人工產(chǎn)生X 射線源的主要器件， 其工作原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]；為使其能發(fā)射出X 射線，需要在陰陽(yáng)極兩端施加一定程度的高壓， 并且燈絲需要加熱到必要程度才能確保提供足夠的電子去轟擊陽(yáng)極靶面。 故一套X 射線管正常工作用的控制器必須包括高壓控制部分和燈絲加熱控制部分。 系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 X 射線管工作系統(tǒng)Fig.1 X-ray tube working system

2 控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使X 射線管按照設(shè)定的參數(shù)工作， 則必須使用相應(yīng)的控制器對(duì)陰陽(yáng)極高壓和燈絲加熱進(jìn)行控制。 傳統(tǒng)的X 光機(jī)主要是工頻工作方式， 隨著科技的發(fā)展高頻工作方式的X 光機(jī)已經(jīng)慢慢取代了工頻機(jī)。 高頻X 光機(jī)工作頻率高、控制精度高、響應(yīng)速度快，并且體積大大縮小。

本文采用高頻逆變，結(jié)合脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制[3]、單片機(jī)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)X 射線管測(cè)試用平臺(tái)的高壓和管電流的高精度控制， 從而達(dá)到測(cè)試過(guò)程中的低擾動(dòng)、高穩(wěn)定、高可靠性等要求。 該測(cè)試用控制器設(shè)計(jì)的核心主要包括三個(gè)部分： ①使高壓發(fā)生器在一定范圍內(nèi)能輸出任意可調(diào)的、可靠的、高穩(wěn)定的陰陽(yáng)極高壓； ②能夠?yàn)樯渚€管燈絲提供足夠的加熱功率， 并且供電穩(wěn)定， 保證輸出管電 流 穩(wěn) 定、X 射線穩(wěn)定； ③能夠?qū)φ麄€(gè)測(cè)試平臺(tái)的必要管理及故障保護(hù)。 綜合以上三個(gè)方面設(shè)計(jì)的控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制器系統(tǒng)Fig.2 Control system

3 高頻逆變及控制設(shè)計(jì)

3.1 高壓部分逆變

在高頻逆變方面，有全橋、半橋、推挽、雙管正激等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 本文高壓發(fā)生器部分的逆變主功率電路選用半橋拓?fù)?，電路?jiǎn)圖如圖3 所示，其工作原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]，在實(shí)際控制器設(shè)計(jì)的過(guò)程中增加了部分能量吸收回饋電路， 使得開(kāi)關(guān)管損耗減小，電路可靠性增加。

圖3 高壓部分半橋逆變拓?fù)銯ig.3 Half bridge inverter topology of high voltage part

逆變電路母線直流電壓為市電整流得到的310V，通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整，工作頻率最終選取為22kHz，由半橋電路原理可知，電路工作后可以提供逆變波形幅值為±155V 的交流電壓，為高壓變壓器原邊提供能量。

3.2 燈絲加熱部分逆變

燈絲電源部分， 同樣采用的是半橋拓?fù)洌?如圖4 所示。 由于燈絲加熱功率在十幾瓦左右就能滿足X 射線發(fā)射要求，同時(shí)考慮原副邊變比和高壓絕緣處理，故燈絲電源逆變用直流母線電壓方面，這里采用控制器輔助供電部分設(shè)計(jì)的160V 直流電源。

3.3 閉環(huán)控制及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)

圖4 燈絲電源拓?fù)銯ig.4 Filament power topology

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了得到滿足要求的輸出，常用閉環(huán)控制方式。 這里為保證輸出高壓和管電流的質(zhì)量，采用模擬方式的閉環(huán)控制。

PWM 控制芯片方面，通過(guò)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)后，最終高壓部分逆變和燈絲加熱電源部分逆變的閉環(huán)控制均采用UC2526ADW， 該芯片該芯片工作頻率最高可達(dá)400kHz、工作電壓8V～35V、灌/拉電流200mA、可軟啟動(dòng)等[5，6]。

高壓、 管電流取樣信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波及運(yùn)算處理后再和對(duì)應(yīng)給定值運(yùn)算， 產(chǎn)生滿足要求的高壓和燈絲加熱電流調(diào)節(jié)用PWM 脈寬， 二者實(shí)際使用中的外圍參數(shù)如圖5，圖6 所示。

圖5 高壓部分控制芯片及外部電路Fig.5 High voltage part control chip and external circuit

圖6 燈絲加熱部分控制芯片及外部電路Fig.6 Control chip and external circuit of filament heating part

3.4 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)

開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)有光耦隔離、變壓器隔離、芯片驅(qū)動(dòng)等[7，8]，芯片驅(qū)動(dòng)有如IR4427 這樣的雙路低壓驅(qū)動(dòng)器[9]，也有半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 等。 通過(guò)對(duì)比分析及前期技術(shù)積累， 本文中所有金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET，MOS）的驅(qū)動(dòng)均選擇隔離變壓器驅(qū)動(dòng)方式，該方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 工作穩(wěn)定可靠， 實(shí)際使用的電路如圖7所示。

3.5 數(shù)字控制及顯示

為使控制器使用方便、可靠，在設(shè)計(jì)中加入了數(shù)字控制部分，該部分負(fù)責(zé)測(cè)試平臺(tái)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，故障保護(hù)、 連鎖狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。 為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)， 直接使用現(xiàn)有的TMS320F2808處理器平臺(tái)開(kāi)發(fā)。 顯示部分使用迪文科技的DMT48270M050串口液晶屏，整個(gè)數(shù)字控制方面的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 基于隔離變壓器的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路Fig.7 Drive circuit of switch tube based on isolation transformer

圖8 數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of digital control system

故障保護(hù)方面主要是對(duì)高壓、管電流、燈絲電流、放電打火等的監(jiān)控保護(hù)；為確保測(cè)試人員的人身安全，測(cè)試環(huán)境中必須加入連鎖機(jī)構(gòu)。為了在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓、管電流、燈絲電流，必須對(duì)以上參數(shù)的采樣值進(jìn)行實(shí)時(shí)模-數(shù)轉(zhuǎn)換 （Analog to Digital，AD）轉(zhuǎn)換、運(yùn)算處理。

4 研制結(jié)果

對(duì)控制器各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試，裝配完成了控制器樣機(jī)，并和測(cè)試高壓油箱配合，加入對(duì)應(yīng)的X 射線管一起進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)試控制器各項(xiàng)功能正常、輸出參數(shù)滿足設(shè)計(jì)及應(yīng)用要求。 測(cè)試油箱、控制器樣機(jī)如圖9、圖10 所示。

圖9 測(cè)試油箱Fig.9 Test tank

圖10 控制器Fig.10 Controller

為了測(cè)試控制器的電路及參數(shù)設(shè)計(jì)合理性， 對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)相關(guān)波形進(jìn)行了采集，如高壓部分的逆變波形、燈絲加熱部分的逆變波形，更重要的是輸出參數(shù)波形，具體波形如圖11～14 所示。

圖11 高壓部分逆變波形Fig.11 Inverter waveform of high voltage part

圖12 燈絲加熱部分逆變波形Fig.12 Inverse waveform of filament heating part

圖13 正負(fù)90kV 高壓輸出（采樣比例1V：20kV）Fig.13 Positive and negative high voltage output

5 總結(jié)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知， 本文設(shè)計(jì)的安檢用X 射線管高壓測(cè)試平臺(tái)用控制器，能夠使高壓在0～180kV 可調(diào)、管電流在0～2.5mA 可調(diào)；輸出高壓及管電流過(guò)沖均較??；參數(shù)預(yù)置和輸出參數(shù)能高精度的實(shí)時(shí)顯示， 整個(gè)控制器的性能完全滿足實(shí)際測(cè)試要求。