數字控制X射線源高壓電源

何錄偉

（甘肅天潤水業有限責任公司，甘肅蘭州730050）

1 引言

X射線源射線輸出的穩定性，控制方式的智能化，遠程通信的標準化等成為新的X射線源技術指標［1]。隨著電力電子技術、計算機控制技術的發展和應用，X射線源高技術指標的實現也變得較為容易［2] -［3]。

X射線源的控制實質上是控制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：正負電源供電和單電源供電。這兩種方式各有優缺點，正負電源供電的優點是源體內部高壓電位低，僅為單電源供電的一半，有利于減小體積，降低耐壓強度；缺點是燈絲電源處在負高壓電位端，燈絲的供電變得復雜，需要交流供電，高壓隔離變壓器耦合。為此，燈絲電流的穩定性也大打折扣，高壓電源也為雙路供電，電壓閉環控制也為雙路。單電源供電的優點是高壓為單路供電，逆變電路和電壓閉環控制均只需一套，燈絲位于地電位端，易于控制；缺點則是源體內部高電位端電壓較高，對耐壓有較高要求，體積不易減小。

開關型電源應用于X射線源是技術發展的必然［4]。關鍵是要滿足其對電源的功率、紋波、穩定性等指標要求，文中研制了應用于安檢設備的高穩定數控X射線源，其高壓電源采用斬波器調壓，中頻逆變供電，多級倍壓整流的結構，燈絲電源采用降壓斬波電流恒定方式，采用單片計算機數控和通訊，實現了高性能的X射線源。

2 系統結構

系統結構如圖1所示，由數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流電源。數字控制還包括人機界面及控制面板等。

圖1 X射線源數字控制系統結構框圖

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整流模塊（D1-D4）變換為直流，通過C1濾波后成脈動很小的直流電壓，采用斬波器調壓，將直流變換為電壓可調的直流電壓，大功率場效應晶體管T1-T4和L、C構成橋式串聯諧振逆變器，串連諧振并聯輸出逆變器將直流逆變為20 kHz左右的幅度連續可調的準正弦中頻電壓，輸出從諧振電容兩端并聯輸出到升壓變壓器Tr的初級上。

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6倍壓后空載電壓為150 kV，額定負載電壓為140 kV，額定負載電流為1 mA。采樣電阻為480 MΩ，控制采用閉環模擬PID調節器，通過參數調節整定，高壓電壓的穩定度可以達到±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，工藝上對鋼桶內部的電位分布、絕緣介質耐壓強度、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復用的方法，兼顧了X光管陽極的散熱和高壓的絕緣，固體絕緣介質可以有效隔斷液體絕緣介質中各種雜質（如纖維等）在高電場下形成的“小橋”，提高了介質的電擊穿強度。固體絕緣介質材料采用聚四氟乙烯板或環氧板，液體絕緣材料采用工業用變壓器絕緣油。X射線源體采用了適當的鋼+鉛復合屏蔽，使源體表面的輻射劑量當量符合有關的國家安全標準。

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射線的輸出強度。電子的發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，為了提高電流的穩定度，減小50 Hz紋波的影響，控制電路采用PID調節器控制，將電流的長期穩定度控制在0.01%以內。

數字控制系統采用單片計算機89C52，擴展8K字節的外部RAM，前向通道A/D轉換采用高精度12位A/D轉換器AD574A，后向通道D/A轉換采用高精度12位D/A轉換器DAC1232。如圖1所示，高壓電源的電壓、電流經線性光電耦合電路隔離、整理電路調整為0-10 V的電壓信號，燈絲電源的電流由霍爾電流傳感器轉換為0-10 mA的電流，經線性光電耦合電路隔離、整理電路也調整為0-10 V的電壓信號，這三路模擬信號通過多路模擬電子開關CC4066分別由AD574轉換為數字量。D/A轉換輸出的模擬電壓值用來設定X射線源的X射線能量的大小，既設定高壓電源的輸出電壓，同時也可以通過單片機的控制進行智能化的高壓鍛煉過程，燈絲電流的輸出由電位器設定固定輸出。

系統擴展了鍵盤和LED數碼顯示，用于系統的調試，參數設定和自動控制，系統出現的過壓、過流、短路、電網異常等故障也可以由數碼顯示，以利于故障的診斷和維修。USB接口與上位計算機通信，電源系統的控制、狀態和參數監測、參數設置等均可由上位機來實現。

圖3 逆變器輸出電壓

逆變電源、開關電源的高頻諧波對單片機系統的干擾,高壓電源擊穿打火對系統沖擊干擾都對系統有致命的影響，為此系統由單片機系統、控制模擬電路和功率電路三個相對獨立的部分構成。單片機系統有關的輸入輸出模擬量和開關量均通過線性光耦和光耦完全隔離。控制模擬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線濾波器，以消除之間的串擾和耦合。

圖4 高壓電源起動與關閉時間特性

3 實驗結果

X射線源系統進行了實驗測試，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，能滿足系統要求。如圖4所示為高壓電源的起動和關閉的時間特性，起動時間約為1s，關閉時間為2.5s。可以滿足某些特殊設備對X射線開關的動態時間要求，系統也可以長期不間斷連續運行。

4 結論

該系統采用高頻開關電源和逆變電源技術，設計了X射線源的連續可調高壓穩壓電源和連續可調燈絲電流穩流電源，并應用單片計算機，實現了X射線源中的兩個電源完全數字控制和監視，通過隔離技術，保證了強電和弱電，模擬和數字各部分的完全隔離，消除了系統之間的干擾，實現了系統的長期穩定運行。實驗測試給出了結果，該裝置功能完善，技術指標達到了高性能X射線源的要求。

［1] 胡鶴宇,游 紅.新型數控高壓電源的研制［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，楊 磊，袁 龍.中頻供電高壓直流穩壓電源［J] .電氣傳動自動化，2004,26（3）：4-6.