新型X射線指示裝置的研究設(shè)計(jì)

楊旭波

目前醫(yī)院放射科放射醫(yī)療設(shè)備的X射線防護(hù)指示裝置一般采用貼有射線標(biāo)志的燈箱，并與檢查室的門(mén)連鎖。指示裝置的功率一般在40 W左右，且不能反映放射設(shè)備的射線產(chǎn)生情況。新型X射線防護(hù)指示燈箱采用高亮度LED作為光源，在不對(duì)放射設(shè)備做任何改動(dòng)的前提下，利用閉環(huán)霍爾電流傳感器對(duì)放射設(shè)備用電電流的變化進(jìn)行檢測(cè)，從而判斷放射設(shè)備是否產(chǎn)生了X射線，輸出的控制信號(hào)對(duì)指示面板上的射線動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制。整機(jī)功耗＜8 W。

1 X射線指示面板的設(shè)計(jì)

指示面板上的指示內(nèi)容分兩部分，左半部分是“射線有害，燈亮勿入”的靜態(tài)顯示，右半部分是射線動(dòng)態(tài)指示。

指示面板的制作可選用亞克力板或普通半透明有機(jī)玻璃板，前者需要專業(yè)的加工工藝，價(jià)格較高；而后者完全可以自己動(dòng)手制作，價(jià)格便宜。面板左半部分的指示受門(mén)機(jī)連鎖控制，由于指示用光源為高亮LED，因此需要配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。右半部分指示受射線產(chǎn)生檢測(cè)電路控制，其指示方式為閃動(dòng)指示(見(jiàn)圖1)。

圖1 射線防護(hù)指示面板

2 射線產(chǎn)生檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

對(duì)于放射設(shè)備，產(chǎn)生射線時(shí)，其供電電流與設(shè)備靜態(tài)時(shí)相比，有明顯的變化，我們正式基于這種變化，利用閉環(huán)霍爾電流傳感器，作為射線產(chǎn)生檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)思路。

2.1 閉環(huán)霍爾電流傳感器原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器又稱磁平衡式電流傳感器，也稱補(bǔ)償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流Is精確的反映原邊電流Ip，從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)(見(jiàn)圖2)。

圖2 閉環(huán)霍爾電流傳感器原理圖

閉環(huán)霍爾電流傳感器具體工作過(guò)程為∶當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起到指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過(guò)Is來(lái)測(cè)試Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號(hào)輸出，即重復(fù)上述過(guò)程重新達(dá)到平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1 μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。因此，從宏觀上看，次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級(jí)被測(cè)電流的安匝數(shù)相等，即有如下等式∶

式中∶Ip為原邊電流；N為原邊線圈的匝數(shù)；Is為副邊補(bǔ)償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。由上式看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)測(cè)量副邊補(bǔ)償電流Is的大小，即可推算出原邊電流Ip的值，從而實(shí)現(xiàn)了原邊電流的隔離測(cè)量。

2.2 射線產(chǎn)生檢測(cè)電路

以GE Lunar Prodigy骨密度儀為例，介紹射線產(chǎn)生檢測(cè)的設(shè)計(jì)。

(1)不同掃描條件下，骨密度儀供電電流的實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。

由表1可以看出，設(shè)備掃描(射線產(chǎn)生)時(shí)，供電電流最小為0.67 A，最大為1.68 A，因此，我們將供電電流≥0.5 A時(shí)，設(shè)為設(shè)備產(chǎn)生射線的閥值電流。

(2)射線產(chǎn)生檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)原理(見(jiàn)圖3)。

如圖3所示，閉環(huán)霍爾電流傳感器檢測(cè)供電回路中的電流，輸出經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換后，送入波形整形Ⅰ、整流、波形整形Ⅱ、積分、緩沖級(jí)，最終驅(qū)動(dòng)射線產(chǎn)生指示電路工作。

表1 骨密度儀(Lunar Prodigy)不同條件下供電電流實(shí)測(cè)表

圖3 射線產(chǎn)生檢測(cè)電路框圖

(3)電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 射線產(chǎn)生檢測(cè)電路圖

圖4中，電流傳感器我們選用南京奇霍科技有限公司生產(chǎn)的CSM050LA閉環(huán)霍爾電流傳感器，其具體參數(shù)可詳見(jiàn)相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)，這里需要說(shuō)明的是∶該款傳感器在原邊電流測(cè)量范圍內(nèi)(0～±75 A)，副邊額定輸出電流(0～±50 mA)與原邊被測(cè)電流呈線性關(guān)系。因此，當(dāng)供電電流達(dá)到射線產(chǎn)生時(shí)的閥值電流(0.5 A)時(shí)，傳感器副邊輸出電流為0.5 mA。R1、R2構(gòu)成簡(jiǎn)單的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，將電流傳感器輸出的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào).D2在這里有兩個(gè)作用，一個(gè)是保護(hù)，避免因輸入的電壓過(guò)高而損壞后級(jí)；另一個(gè)作用是斬波，即取輸入信號(hào)的正半周。U1A、U1B構(gòu)成第一級(jí)波形整形，輸出經(jīng)D3、C3、R5組成的整流-濾波后，再次送入U(xiǎn)1C進(jìn)行波形整形。R6、C4構(gòu)成積分電路，對(duì)U1C輸出的信號(hào)進(jìn)行積分。U1D在積分輸出與驅(qū)動(dòng)輸入間起緩沖作用。Q1為驅(qū)動(dòng)級(jí)，用于驅(qū)動(dòng)射線產(chǎn)生指示電路。

如圖5所示，該電路在電流傳感器模擬輸出0.5 mA條件下，圖4中A、B兩點(diǎn)的仿真測(cè)試。實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)電流傳感器輸出≥0.5 mA時(shí)， 只要適當(dāng)調(diào)整R1，電路便能夠?qū)崿F(xiàn)其功能。

圖5 仿真測(cè)試圖

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)中指示發(fā)光部分采用高亮度LED，摒棄了傳統(tǒng)的白熾燈，做到了節(jié)能的要求，而且還可以做到時(shí)時(shí)指示射線是否產(chǎn)生。從成本角度看其制作成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)，可以替代目前傳統(tǒng)使用的X射線指示裝置。新型X射線指示裝置電路制作成本低，功耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的X射線防護(hù)指示燈，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)用放射設(shè)備X射線的產(chǎn)生與指示同步，切實(shí)做好輻射防護(hù)工作。

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