工業CT用駐波電子直線加速器測試系統的研制*

高富強，周欽，安康

（1.重慶大學自動化學院，重慶400030；2.重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室ICT研究中心，重慶400030）

工業計算機斷層成像簡稱工業CT(ICT)，是一種依據外部投影數據重建物體內部結構圖像的無損檢測技術。工業CT主要用于工業產品的無損檢測和探傷，根據被檢工件的材料及尺寸選擇不同能量的X射線。ICT技術能緊密、準確地再現物體內部的三維立體結構，能定量地提供物體內部的物理、力學特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的變化及水平、異型結構的形狀及精確尺寸、物體內部的雜質及分布等。隨著加速器技術的發展，其應用領域已拓展到工業探傷、工業CT、集裝箱監測、輻照、醫療等，因此對加速器的運行參數及穩定性等的要求也越來越高[1]。

根據重建CT圖像的基本過程，對一臺工業CT設備的基本要求為：能夠測量X射線穿透被檢物體以后射線的強度，能夠完成X射線機-探測器系統與被檢測物體之間的掃描運動，從而獲得重建CT圖像所需的完整數據；獲得的數據通過一定的算法重建出物體的斷面圖像。從掃描到重建圖像都由計算機控制和實現，這樣，一個工業CT系統應包括：射線源、輻射探測器和準直器、數據采集系統、圖像重建以及控制系統[2]。CT系統組成示意圖如圖1所示。

工業CT常用的射線源是X射線機和直線加速器，可見直線加速器在工業CT中的重要性。為便于運行人員的測試、操作與維修，將CT系統的五個組成部分分開測試。各部分均滿足指標后再進行整體測試，以達到用戶需求的測試。這種方式現已成為一種新的測試加速器的方法。本測試系統就是為測試加速器各項指標而設計的，具有一定的實用價值。

1 系統總體方案

測試系統能夠將加速器通過傳輸媒介傳送過來的狀態信息正確地通過約定方式顯示出來，同時又能夠通過對底層器件上相關狀態的修改和設置將控制信息傳送至上層器件進行顯示，以此獲得加速器運行狀態。它是操作人員了解加速器性能并進行遠程測試的橋梁。

駐波電子直線加速器與測試系統均使用航空插頭，連接電纜兩端使用插針形航空插頭進行電氣連接。測試系統由上位機和控制器兩部分組成：上位機由計算機構成（可與CT機采集計算機共用），其主要功能是提供一個人機交互界面，實現與控制器的通信及加速器狀態的顯示；控制器是一個嵌入式系統，由不同模塊構成，完成與上位機通信。同時，操作人員可通過控制器上的按鍵控制加速器的工作狀態，實現對加速器部分動作的直接控制，有效減免了加速器故障所帶來的損失，方便了對加速器的維護。

駐波電子直線加速器和測試系統間的連接結構圖如圖2所示。

圖2 加速器和測試系統的連接結構圖

控制器直接對加速器的“急停”、“電源”、“開機”等相關性能進行控制，以此控制加速器的出束和停束；加速器也將“出束狀態”和“返回測試”兩個控制信號值返回給控制器，控制器處理后，送給上位機，以便操作人員直接了解加速器的性能。當上位機界面上的“同步信號”值為1時，上位機發出命令給控制器，控制器處理后，控制加速器發出頻率為50 Hz～250 Hz的方波，在方波高電平中的幾微秒時間內，加速器出束，操作者就可以在加速器出束的幾微秒時間內對數據進行采集，再送入控制系統，進行圖像重建，以此判斷被檢測物體是否有裂痕。另外，上位機對加速器的真空、水流、溫控、高預熱、低預熱等相關性能也進行監測，同時對加速器出束的劑量值進行實時繪制和事后重繪。控制器也可單獨對加速器的“使能控制”、“斷束控制”等控制信號進行控制及在液晶屏上顯示。

2 上位機

人機交互界面是上位機的主要組成部分，為操作者提供直觀、方便的操作環境，采用可視化編程語言Visual C++作為開發工具。上位機串口與CT控制計算機通信，將加速器的工作狀態、運行參數及故障代碼等信息發送到CT控制計算機，由CT控制計算機主界面進行顯示。同時，上位機界面還完成劑量率時間曲線的實時繪制與事后重繪、加速器工作模式的監控與設置的功能。

操作界面主要由狀態顯示區、參數顯示區、控制信號區和繪圖區四部分組成。狀態顯示區主要有18個顯示狀態，在系統運行時，系統的工作狀態顯示在狀態區的相應位置。參數顯示區主要反映加速器的觸發頻率值、劑量值以及出束時間。控制信號區給出測試系統到加速器的控制信號值，其中“使能控制”控制加速器是否出束；“同步信號”控制加速器是否發出方波脈沖；“能量選擇”對加速器進行6Mev和9Mev兩種能量的選擇；“出束狀態”和“返回測試”是測試系統控制器從加速器讀回的控制信號值，反映加速器是否正常工作。繪圖區則反映出束過程中劑量率的變化趨勢和走向。如圖3所示。

圖3 上位機操作界面圖

上位機不能直接對加速器施加控制信號，需要將控制信號值傳入控制器，通過控制器進行相應處理后，再對加速器進行控制。本測試系統采用RS-232進行通信（長距離通信可改用RS-422協議）。

3 控制器

加速器的急停、電源、開機等功能直接通過航空插頭接在控制器上實現，通過控制器上的相關按鈕即可控制加速器的低預熱過程、高預熱過程、是否出束、是否截斷加速器電源等功能。另外，加速器的“使能控制”、“同步信號”等時序控制需要由控制器經計算處理后對加速器進行控制。

3.1 控制器硬件設計

根據測試系統設計的需要，控制器應設計與上位機通信的接口、參數模式及數值輸入接口、顯示接口。考慮到抗干擾設計的需要，確定控制器硬件電路由以下5個模塊構成：通信模塊、顯示模塊、控制模塊、光隔離模塊及按鍵處理模塊。下面介紹控制模塊和光隔離模塊的設計。

(1)控制模塊：基于對單片機性能與價格以及控制柜系統對于單片機要求的考慮，選用AT89C52芯片。設計優點：單片機價格便宜，所需功能都能實現，性價比高。設計缺點：單片機為串行處理，不能很好地滿足對執行效率要求較高的系統。

(2)光隔離模塊：控制側接口電源采用獨立5 V電源，控制柜和加速器之間的信號采用速度為1Mb/s的光耦合差分器件6N136進行連接；采用5 V的26LS32器件完成差分信號形式的輸入/輸出。如圖4所示。

圖4 測試系統與加速器信號接口方式

3.2 控制器軟件設計

采用C語言進行控制器軟件程序的編寫，它移植性好，在擴充系統時可以很快移植運行于UNIX操作系統。主要由主程序模塊、LCD顯示模塊、串口模塊、按鍵處理模塊及波形發生模塊組成。

主程序控制系統主要功能，單片機各部分的功能都在相應子程序中實現。為保證數據傳輸的實時性以及不影響控制器其他部分程序的運行，串口以及波形發生均采用中斷方式實現。

3.3 頻率值誤差分析及校正

本系統用定時器0實現方波的定時時間。由于使用的單片機晶振是11.059 2 MHz，根據定時器0計數參數的計算公式：initial_value=t/MC。其中t為欲定時時間，t=T/2=1/(2×freq)；MC為89C52的機器周期，即MC=12/11.059 2，故initial_value=t/MC=460 800/freq。由此得出定時器0的計數初值：

由于單片機晶振為11.059 2 MHz，故實際的頻率值與理論值存在誤差。

加速器對于頻率值的要求比較高，在輸入頻率值50 Hz～250 Hz變化的范圍內，要求在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、250 Hz的頻率值時，誤差范圍在0.5%以內，其余頻率值時，誤差范圍在2%以內。為滿足上述要求，當頻率值是10的倍數時，根據讀取的頻率值，通過不斷糾正，直接給出initial_value的值，而不是通過公式算出的initial_value值。其他范圍內的值，通過臨近范圍內特殊頻率值的initial_value值乘上頻率值給出M的粗略值。其中，M的值要小于理論值460 800。

此方法計算出來的頻率值精度較高，能較好地滿足加速器對于頻率值精度要求高的設計要求。

本工業CT用駐波電子直線加速器測試系統具有模塊化的特點，可根據實用需求進行性能擴展；實現了分項系統的質量監控的操作。由于采用了光隔離模塊，使控制柜能夠在工業環境中正常運行，增強了系統的穩定性。另外，系統中通過對頻率誤差進行補償設計，滿足了加速器正常工作的需求。系統已試用于9MeV駐波電子直線加速器工業CT機中，運行情況穩定可靠。

[1]曾自強，張立峰.10Mev輻照電子直線加速器控制系統[J].原子能科學技術，2005，39(2)：114-117.

[2]張朝宗，郭志平.工業CT技術和原理[M].北京：科學出版社，2009.

[3]陳雪星，劉宏邦.基于89C52單片機的多功能數據采集器[J].核電子學與探測技術，2008，28(5)：1045-1047.

[4]鄭莉，董淵，張瑞豐.C++語言程序設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[5]何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計系統配置與接口技術[M].北京：航空航天大學出版社，1990：407-408.

[6]呂衛星，高振江.電子直線加速器計算機控制系統的研制[J].原子能科學技術，2002，36(2)：97-99.