一種便攜式X 射線(xiàn)源控制器研制

魏善武， 徐陳勇

（公安部第一研究所， 北京 100048）

0 引言

電池供電便攜式X 射線(xiàn)源主要用于無(wú)損檢測(cè)、安全檢查領(lǐng)域，在醫(yī)療領(lǐng)域也有少量應(yīng)用。 在安全檢查領(lǐng)域，該類(lèi)X 射線(xiàn)源配以合適的成像系統(tǒng)，由于其攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，被安全部門(mén)等廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)場(chǎng)下發(fā)現(xiàn)的可疑物品和包裹的EOD 排爆處置， 移動(dòng)搜查武器彈藥和違禁物品，以及在機(jī)場(chǎng)和海關(guān)等領(lǐng)域不能用常規(guī)掃描裝置探測(cè)的特大型物件。 它能夠有效、快捷、安全的對(duì)突發(fā)恐怖事件威脅做出響應(yīng)。電池供電便攜式X 射線(xiàn)源由于高壓和束流可調(diào)， 可根據(jù)不同的可疑對(duì)象選擇相應(yīng)的工作參數(shù)，從而提高圖像的質(zhì)量。 對(duì)同一包裹拍攝不同X 射線(xiàn)能量下的圖像，方便操作者更好的判讀圖像。 本文介紹了一種36V 鋰電池供電， 輸出可到120kV/1mA 的便攜式X 射線(xiàn)源配套的控制器， 該控制器采用電力電子技術(shù)作為基礎(chǔ)，高壓升壓及燈絲供電采用高頻逆變技術(shù)，閉環(huán)反饋信號(hào)調(diào)理及系統(tǒng)管理分別采用SG3525 和STM32F103。

1 X 射線(xiàn)源工作構(gòu)成

X 射線(xiàn)管是人工產(chǎn)生X 射線(xiàn)源的主要器件， 其工作原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

熱陰極X 射線(xiàn)源在給燈絲提供足夠的電源后， 在陰陽(yáng)兩極施加一定電勢(shì)差的高壓，就能發(fā)射X 射線(xiàn)。 為滿(mǎn)足一臺(tái)熱陰極X 射線(xiàn)源正常工作， 其控制器必須包括高壓控制部分和燈絲加熱控制部分。 系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 X 射線(xiàn)源工作系統(tǒng)Fig.1 X-ray source working system

2 控制系統(tǒng)及電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)基于36V 鋰電池的便攜式X 射線(xiàn)源用控制器，其輸入直流電壓低，尺寸要求小，系統(tǒng)操作方便等。 根據(jù)應(yīng)用需要，系統(tǒng)必須進(jìn)行閉環(huán)控制使得輸出穩(wěn)定；參數(shù)便于設(shè)置和顯示；同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可上位機(jī)操作。 本文采用高頻逆變，結(jié)合脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制[2]和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)的便攜式控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 控制器系統(tǒng)Fig.2 Control system

2.1 高壓發(fā)生器及采樣

高壓發(fā)生器方面， 系統(tǒng)先通過(guò)升壓變壓器進(jìn)行一次升壓，然后再通過(guò)正負(fù)雙極倍壓電路來(lái)進(jìn)行二次升壓，從而達(dá)到目標(biāo)電壓同時(shí)降低自身打火和放電， 提高絕緣性能[3]，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。 變壓器設(shè)計(jì)升壓后輸出5kV，這里采用6 級(jí)倍壓，基于倍壓原理[1]可知，可以得到最高的正負(fù)電壓均為60kV，電勢(shì)差為120kV。

圖3 高壓發(fā)生器拓?fù)銯ig.3 High voltage generator topology

采樣網(wǎng)絡(luò)中整個(gè)高壓部分采用約1：57000 的分壓方案，即120kV 采樣約2.1V。 管電流采用1k 的高精度電阻進(jìn)行電流與電壓轉(zhuǎn)換，即1V 代表1mA。

2.2 高壓及燈絲加熱部分高頻逆變

此控制器輸入為36V 直流電壓， 高壓變壓器輸出達(dá)5kV，結(jié)合電力電子中各逆變拓?fù)涮攸c(diǎn)和實(shí)際需要，這里選擇全橋結(jié)構(gòu)的逆變電路，其工作原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]，該電路簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4，其中增加了RC 能量吸收電路，使得開(kāi)關(guān)管損耗減小，電路可靠性增加。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整，工作頻率最終選取為約20kHz，由全橋電路原理可知，電路工作后可以提供逆變波形幅值為±36V 的交流電壓，為高壓變壓器原邊提供能量。

燈絲加熱功率在十瓦左右就能滿(mǎn)足X 射線(xiàn)發(fā)射要求，同時(shí)考慮原副邊變比和高壓絕緣處理，故燈絲電源部分采用半橋拓?fù)浞桨竅4-5]，如圖5 所示。

圖4 高壓部分全橋逆變拓?fù)銯ig.4 Full bridge inverter topology of high voltage part

圖5 燈絲電源拓?fù)銯ig.5 Filament power topology

為使逆變電路可靠的工作， 其開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)非常重要。 開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)方式主要有光耦隔離、變壓器隔離、芯片驅(qū)動(dòng)等[6-7]，本文中所用金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET， MOS）的驅(qū)動(dòng)均選擇隔離變壓器驅(qū)動(dòng)方式， 該方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 項(xiàng)目中使用較多，工作穩(wěn)定可靠， 實(shí)際使用的簡(jiǎn)化電路見(jiàn)圖6。

圖6 基于隔離變壓器的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 Drive circuit of switch tube based on isolation transformer

2.3 系統(tǒng)閉環(huán)控制

為保證輸出高壓和管電流達(dá)到預(yù)設(shè)置值以及輸出質(zhì)量， 高壓及管電流的控制均采用模擬方式閉環(huán)控制。脈寬調(diào)制芯片均采用SG3525， 該芯片工作電壓8V～35V、工作頻率為100Hz～400kHz、灌/拉電流達(dá)400mA、具備死區(qū)可調(diào)，欠壓鎖定，軟啟動(dòng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)取樣信號(hào)（高壓、管電流）經(jīng)過(guò)接口電路送入控制板再經(jīng)過(guò)濾波處理得到最終需要的信號(hào)，該信號(hào)和設(shè)定值進(jìn)行PID 運(yùn)算和PWM 調(diào)制， 產(chǎn)生滿(mǎn)足要求的高壓和燈絲加熱調(diào)節(jié)所需的PWM 脈寬。 由于該控制器中高壓及管電流的PID部分單獨(dú)運(yùn)算，此處只做PWM 產(chǎn)生及輸出，故參數(shù)二者基本一致。

本文實(shí)際使用中的SG3525 外圍參數(shù)見(jiàn)圖7，圖8。

圖7 高壓部分控制芯片及外部電路Fig.7 High voltage part control chip and external circuit

圖8 燈絲加熱部分控制芯片及外部電路Fig.8 Control chip and external circuit of filament heating part

2.4 數(shù)字控制系統(tǒng)

根據(jù)應(yīng)用需要及操作方便的設(shè)計(jì)原則， 整個(gè)控制器加入了基于STM32F103 處理器為核心的數(shù)字控制，同時(shí)使用觸控屏作為人機(jī)交互。 數(shù)字系統(tǒng)的功能框圖見(jiàn)圖9。

其中系統(tǒng)設(shè)置與采樣主要包括：參數(shù)設(shè)置和采樣、有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)控制、 電源選擇；系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及保護(hù)主要包括：系統(tǒng)主要部件溫度監(jiān)測(cè)、參數(shù)值監(jiān)測(cè)、故障保護(hù)；IO 控制主要包括：使用干接點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)控制、輸出聲光指示；有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)控制功能是遠(yuǎn)程或本地的系統(tǒng)控制； 觸摸屏顯示主要是把以上功能全部集中顯示，便于人機(jī)交互。

圖9 數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of digital control system

3 研制結(jié)果

根據(jù)便攜X 射線(xiàn)源尺寸， 對(duì)其控制器各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試，裝配在源上的控制器樣機(jī)見(jiàn)圖10。

實(shí)際測(cè)試120kV/1mA 的輸出，系統(tǒng)采樣和顯示參數(shù)見(jiàn)圖11、圖12 所示。

圖10 控制器及顯示安裝圖Fig.10 Controller and display installation drawing

圖11 輸出參數(shù)設(shè)置Fig.11 Output parameter setting

圖12 輸出數(shù)據(jù)采樣Fig.12 Out data sampling

為了檢驗(yàn)該控制器電路及參數(shù)設(shè)計(jì)合理性， 對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中高壓部分逆變、燈絲加熱部分逆變及輸出參數(shù)波形進(jìn)行了采集，具體波形見(jiàn)圖13～圖15所示。

圖13 高壓部分逆變波形Fig.13 Inverter waveform of high voltage part

圖14 燈絲加熱部分逆變波形Fig.14 Inverse waveform of filament heating part

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知， 本文設(shè)計(jì)的便攜式X 射線(xiàn)源用控制器能夠穩(wěn)定輸出120kV/1mA， 并且高壓及管電流過(guò)沖均較小，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)字監(jiān)控及交互顯示均正常，整體性能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。