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X射線檢測技術在無損檢測技術和醫院診斷領域有著重要的應用，因此人們不斷研究X射線產生的相關技術，比如如何減小設備的體積，提高高壓直流電源的穩定性和可靠性，X射線的品質與其所需的燈絲電流及陽極電壓的相互關系等。本文從高頻逆變技術的角度出發，介紹了X光機主要部分的設計，以及陽極電流與陽極高壓及燈絲加熱之間實現控制的方法。其主要特點是合理利用高頻變壓器的寄生參數來設計諧振變換器。燈絲加熱采用高頻交流電壓信號。 1 系統電路組成 X射線機有陽極高壓、陽極電流以及曝光時間三個物理量需要控制。陽極高壓決定X射線的質，而陽極電流的大小決定X射線的量，三者共同決定放射劑量的大小。為了完成上述三個物理量的控制，決定采用如圖1所示的拓撲結構。其中，陽極高壓部分由全橋逆變電路和倍壓整流電路產生；燈絲加熱電路采用推挽技術產生的高頻交流加熱；曝光時間由單片機控制。 1．1 陽極高壓產生及控制電路 陽極高壓產生部分需要解決兩個關鍵問題： (1)高壓變壓器的問題 因為升壓變壓器的次級繞組與初級繞組間變比大，在初級側的等效漏感、分布電容等參數較大，不能忽視高壓變壓器繞組的繞制方法問題。按照常規的次級線圈繞組分層來回繞制很多層，上下層間存在分布電容，這樣每個周期內都有電流通過，產生較高的損耗，影響逆變器的運行。 目前，工程上采用分槽繞制的方法，能減少分布電容的影響。本設計用了一種新的方法，即采用雙面電路板印制次級繞組，在中間開孔，然后相同的電路板疊加串聯起來組成，使用UU型鐵氧體功率磁芯。這種方法的好處是層間能可靠的絕緣，類似于分槽繞制，分布電容小且有確定的值，有利于工程制造的調試和減少成本。 (2)高壓器件部件的集成、絕緣和散熱問題 本設計區別于傳統做法，將升壓變壓器、倍壓整流電路板、X球管等幾個部分安裝在一起，采用變壓器油絕緣散熱，這樣可以解決升壓變壓器繞組間、倍壓二極管和電容的絕緣，同時解決球管陽極的散熱，便于絕緣工藝施工與維護，還可以用普通電線連接全橋變換器與升壓變壓器，取代價格昂貴、笨重的專用高壓電纜，減小了體積與成本。 高頻逆變技術產生高頻交流供給升壓變壓器，可以采用硬開關電路產生方波電壓，也可以采用高頻諧振變換器產生近似正弦電壓。因方波脈沖內含有豐富的高次諧波，這些高次諧波可能與后級倍壓電路構成諧振Ⅲ，諧振電壓疊加在直流成分上形成比預計更高的電壓，易產生放電打火現象；而后者輸出近似正弦波，高次諧波頻率單一，可以合理設計參數，規避在后級電路產生諧振。所以在合理利用升壓變壓器的寄生參數方面，提高逆變器的效率有較多研究。本設計中也合理利用了升壓變壓器的這些參數，如圖1*率變換采用零電壓開關準諧振全橋變換器的主電路拓撲結構，它實際上是一種串并聯混合諧振變換器，并聯諧振電容(圖中沒有標出) 采用次級繞組在初級側的等效分布電容；諧振電感Lr包括了高頻變壓器的漏感；串聯諧振電容Cr為MOSFET管的輸出電容和外加電容，它具有串聯諧振變換器和并聯諧振變換器各自的優點，適應X球管這樣的大動態范圍負載。 圖2為陽極高壓控制電路。其核心芯片為零電壓開關諧振型控制器MC34067，它采用恒關斷時間而改變頻率來達到改變占空比的方式穩定輸出電壓。其中， R1和C1決定諧振頻率；U0為陽極電壓反饋信號；輸出信號A，B信號經驅動電路分別接圖1的S1／S4，S2／S3。 1．2 燈絲加熱電路及控制 燈絲加熱電路的功能是發射電子，有直流電壓和交流電壓加熱兩種方法。圖3為某一型號 X射線球管的燈絲發射特性曲線。從圖中可知，X射線管的陽極電流(又稱為管電流)與兩個因素有關：燈絲加熱電壓和陽極高壓，但主要由燈絲加熱電壓決定。由于空間電荷的存在陽極電流與陽極高壓有關，因陽極高壓改變時，管內加速電場強度變化，陽極收集電子的能力發生相應的變化，從而導致陽極電流改變。為了保證 x線機陽極電流在整個輻照過程中一直穩定不變，在設計電路時就必須采用相應的控制方法。工頻供電X射線機中，多數設備是采用線性補償或電壓補償來抵消或抑制空間電荷的影響。這些方法不適合高頻逆變型X射線機的陽極電流控制。 本設計用推挽電路將15 V的直流電變換成17 kHz的高頻方波信號經變壓器降壓隔離接至燈絲兩端，輸出電壓的有效值大小受兩個互補驅動信號的占空比D決定，控制芯片為TL494。圖4為基于 TL494設計的X射線機陽極電流控制原理。其原理描述如下，陽極電流反饋信號Ia與設定電流Iref比較進行誤差放大后，再第一次限幅保護，其幅度的大小由燈絲推挽電路保護電流決定，然后再送入脈寬調制集成電路TL494的PWM比較器；若誤差信號增大，它與振蕩三角波信號比較后，輸出的方波信號占空比變小，這樣會使通過燈絲的電流變小，進一步降低了陽極電流。至于陽極高壓對陽極電流的影響，它巧妙地利用了TL494的死區時間控制端，即用輸出電壓的大小改變輸出燈絲驅動信號占空比的最大值。這是一種非線性補償方法。 2 整機控制電路 X光機的整機控制電路采用單片機，任務包括設定陽極高壓、電流、曝光時間、保護電路、高壓與燈絲工作的使能時序控制等。這里特別需要強調高壓產生電路與燈絲加熱的控制時序問題。與其他真空電子管設備一樣，燈絲加熱需要一定時間預熱才能穩定發射電子，而高頻逆變器與倍壓電路相結合產生高壓這種電路類型，它的特性類似于電壓源，與傳統的工頻升壓變壓器相比較而言，其內阻小；如果高壓反饋電路的取樣位置與控制閉環回路的設計不是很恰當，且燈絲沒有工作或輕載工作時容易造成高壓部分空載或輕載工作，這樣全橋變換器的功率開關器件工作在極低占空比下，高壓輸出還有高次諧波分量多， EMI嚴重，容易產生尖脈沖在X球管內產生打火，損壞球管。所以兩者的工作時序要配合好，高壓部分工作前要先啟動燈絲加熱，高壓部分關閉也先于燈絲加熱關閉，即燈絲加熱工作時序寬度要覆蓋陽極高壓工作時序。 3 實驗與結論 根據上述思路和電路設計了樣機，陽極高壓部分的設計要求是輸出范圍為50～90 kV，電流為4～20 mA。實驗分下面幾個部分進行： (1)檢測高壓產生部分。檢測項目包括輸出高壓在電網波動情況下(220 V土10％)的穩定性與調整情況、高壓輸出上升沿的時間、開關機時有沒有輸出電壓過沖現象、保護電路的可靠性以及其他有關的電氣安全。 (2)對X球管產生部分的安裝絕緣處理檢查。所有的高壓電路與球管采用優質特氟龍安裝固定，并在真空狀態下灌注變壓器油、密封，防止氣泡融入油中影響絕緣等級。 (3)燈絲加熱電路的實驗。主要是對推挽變壓器和保護電路進行測試，防止輸出的17 kHz交流加熱信號中因漏感造成有過高的幅度燒壞燈絲。根據所選用X球管的情況，確定燈絲加熱的預熱時間比高壓產生部分的啟動信號早2～3 s，而關閉時間比高壓結束信號遲1 s。圖5為X球管在正常工作時高壓輸出信號和陽極電流的采樣波形。上面的波形為陽極電流Ia△7．2 mA，下面的波形為陽極高壓Va△68 kV。從波形可看出，整個陽極高壓穩定，高壓逆變器部分效率約為89％。圖6為陽極高壓與陽極電流的關系曲線。從圖中可以看出，陽極電流基本上不變，說明上面提到的燈絲加熱控制電路非常有效。 4 結 語 本文使用高頻逆變技術設計了X光機的高壓產生電路與燈絲加熱電路，使用非線性控制技術實現了陽極電流的精確控制，并對控制時序關系進行了說明。該裝置體積小，重量輕，效率高。 |
