安檢用X射線管高壓測試平臺設計

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(公安部第一研究所, 北京 100048)

X射線安檢機是現階段常見的安全檢查設備， X射線管的質量直接決定了整機的性能和壽命。因此，在X射線安檢機的生產過程中，對射線管進行測試是必不可少的環節，其中耐壓強度測試更是判斷射線管性能好壞的直接依據。高穩定度、低紋波的高壓測試平臺決定著測試結果的有效性。筆者介紹了一種采用高頻逆變、倍壓整流、脈寬調制、數字控制等技術研制的，安檢常用的160 kV/3 mA X射線管生產用高壓測試平臺。

1 系統總體設計方案

X射線管主要包括高壓發生器和燈絲電源兩部分(見圖1)，其中高壓發生器主要給X射線管陰極和陽極靶兩端施加一個高壓電場，燈絲電源主要用于燈絲加熱,這樣燈絲上活躍的電子在高壓電場的作用下會形成一個高速電子流轟擊陽極靶，從而產生X射線[1]。為了達到和實際使用相近的工作條件，該測試平臺在研制中除了設計高壓發生器，還加入了燈絲供電電源。X射線管高壓測試平臺結構示意如圖2所示，為了測試過程中的電氣安全和射線防護，高壓和射線管均放置在一個專門的鉛屏蔽室內，通過接口電纜與外部控制相連。

圖1 X射線管工作條件示意

圖2 X射線管高壓測試平臺結構示意

2 高壓發生器電路設計

在電壓等級比較高的情況下，高壓發生器的設計常采用先通過升壓變壓器進行一次升壓，然后再通過倍壓電路進行二次升壓，從而達到目標電壓的目的，平臺也采用該成熟的升壓方案。為了避免測試平臺自身的打火和微放電現象，需要提高絕緣屏蔽性能，以及提高使用時的測試精度，筆者采用正負雙極倍壓來達到系統所需要的電勢差。高壓發生器拓撲結構示意如圖3所示，變壓器設計為升壓后輸出6 kV，這里采用8級倍壓。基于倍壓原理可知，在輸出端每一級輸出的電容電壓基本是變壓器副邊電壓的2倍，從而得到其最高的正負電壓均為96 kV，電勢差約為192 kV。平臺曝光參數為160 kV/3 mA，在采樣網絡對輸出正負高壓和管電流進行采樣后，通過接口電纜將數據送到控制系統，在控制系統的調節下，達到所需要的電壓和管電流，這樣就形成了一個精確的閉環控制。

采樣網絡中高壓部分采用1∶200 00的分壓方案，管電流采用1 kΩ的高精度電阻進行電壓轉換。

圖3 高壓發生器拓撲結構示意

3 高頻逆變功率電路和控制電路設計

測試系統高壓和燈絲供電部分均采用高頻逆變電路來實現。系統接入220 V市電，在經過整流濾波等過程轉化為直流后，分為兩個支路，一路給高壓高頻逆變電路，一路給燈絲電源高頻逆變電路；在高壓逆變部分采用雙管正激拓撲對直流進行高頻逆變，產生的方波輸入到升壓變壓器的原邊，進行第一次升壓。燈絲電源部分采用的是半橋逆變，產生滿足要求的燈絲電壓和電流，從而滿足X射線的射出要求。

采用模擬和數字結合的方式控制整個系統，主要分為逆變控制，以及故障保護、參數預置和顯示等功能實現。高壓和燈絲電源逆變閉環控制方面以UC2526為核心，通過對輸出高壓和燈絲電流的實時采樣，來對輸出脈寬進行實時調整，從而控制輸出高壓和管電流的穩定，其中故障保護、參數預置、顯示以及其他一些輔助功能均通過以TMS320F2808處理器為控制核心的方式實現，系統控制結構框圖如圖4所示。

圖4 系統控制結構框圖

4 研制結果

通過對各個部分的設計和調試，最后成型的高壓測試系統外觀如圖5所示。

圖5 高壓測試系統外觀

圖6 系統上電到160 kV/3 mA時的實時狀態顯示

按照設計要求，對系統逐步上電到160 kV/3 mA的狀態，經過多次測試后一切正常，圖6為控制器的實時狀態顯示。

從圖6可知，設計的控制完全滿足要求，并且控制精度和穩定度也都滿足預期。為了進一步檢測該系統的性能，對其他一些指標均做了測量(見圖7～10)。

從圖7～10可以看出，在1∶200 00的分壓下，正負高壓在100 ms內達到4 V的穩定值，同步性好，采樣高頻紋波約為21.4 mV，精度誤差為0.535%；管電流在1 kΩ電阻采樣下，40 ms內達到3 mA的穩定值，管電流高頻紋波為21.5 mV，精度誤差為0.717%。并且在多次長時間的試驗測試后，該平臺未發現打火、微放電等問題，沒有對射線管本身的測試結果造成影響。

圖7 正負高壓穩定過程

圖8 正負高壓紋波

圖9 管電流穩定過程

圖10 管電流紋波

5 結語

該安檢X射線管高壓測試平臺采用了高頻逆變，倍壓、脈寬調制技術，數字控制等技術。最終結果滿足最大160 kV/3 mA的高穩定度和高精度的輸出，精度誤差均小于1%，經過實際生產使用，完全滿足使用要求。