新型X射线指示装置的研究设计

杨旭波

目前医院放射科放射医疗设备的X射线防护指示装置一般采用贴有射线标志的灯箱，并与检查室的门连锁。指示装置的功率一般在40 W左右，且不能反映放射设备的射线产生情况。新型X射线防护指示灯箱采用高亮度LED作为光源，在不对放射设备做任何改动的前提下，利用闭环霍尔电流传感器对放射设备用电电流的变化进行检测，从而判断放射设备是否产生了X射线，输出的控制信号对指示面板上的射线动态显示驱动电路进行控制。整机功耗＜8 W。

1 X射线指示面板的设计

指示面板上的指示内容分两部分，左半部分是“射线有害，灯亮勿入”的静态显示，右半部分是射线动态指示。

指示面板的制作可选用亚克力板或普通半透明有机玻璃板，前者需要专业的加工工艺，价格较高；而后者完全可以自己动手制作，价格便宜。面板左半部分的指示受门机连锁控制，由于指示用光源为高亮LED，因此需要配置相应的驱动电路。右半部分指示受射线产生检测电路控制，其指示方式为闪动指示(见图1)。

图1 射线防护指示面板

2 射线产生检测电路的设计

对于放射设备，产生射线时，其供电电流与设备静态时相比，有明显的变化，我们正式基于这种变化，利用闭环霍尔电流传感器，作为射线产生检测电路的设计思路。

2.1 闭环霍尔电流传感器原理

闭环霍尔电流传感器又称磁平衡式电流传感器，也称补偿式传感器，即原边电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态(见图2)。

图2 闭环霍尔电流传感器原理图

闭环霍尔电流传感器具体工作过程为∶当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1 μs，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等，即有如下等式∶

式中∶Ip为原边电流；N为原边线圈的匝数；Is为副边补偿电流；n为副边线圈的匝数。由上式看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流Is的大小，即可推算出原边电流Ip的值，从而实现了原边电流的隔离测量。

2.2 射线产生检测电路

以GE Lunar Prodigy骨密度仪为例，介绍射线产生检测的设计。

(1)不同扫描条件下，骨密度仪供电电流的实测值见表1。

由表1可以看出，设备扫描(射线产生)时，供电电流最小为0.67 A，最大为1.68 A，因此，我们将供电电流≥0.5 A时，设为设备产生射线的阀值电流。

(2)射线产生检测电路结构原理(见图3)。

如图3所示，闭环霍尔电流传感器检测供电回路中的电流，输出经电流电压转换后，送入波形整形Ⅰ、整流、波形整形Ⅱ、积分、缓冲级，最终驱动射线产生指示电路工作。

表1 骨密度仪(Lunar Prodigy)不同条件下供电电流实测表

图3 射线产生检测电路框图

(3)电路设计见图4。

图4 射线产生检测电路图

图4中，电流传感器我们选用南京奇霍科技有限公司生产的CSM050LA闭环霍尔电流传感器，其具体参数可详见相关产品技术手册，这里需要说明的是∶该款传感器在原边电流测量范围内(0～±75 A)，副边额定输出电流(0～±50 mA)与原边被测电流呈线性关系。因此，当供电电流达到射线产生时的阀值电流(0.5 A)时，传感器副边输出电流为0.5 mA。R1、R2构成简单的电流/电压转换电路，将电流传感器输出的电流转换成电压信号.D2在这里有两个作用，一个是保护，避免因输入的电压过高而损坏后级；另一个作用是斩波，即取输入信号的正半周。U1A、U1B构成第一级波形整形，输出经D3、C3、R5组成的整流-滤波后，再次送入U1C进行波形整形。R6、C4构成积分电路，对U1C输出的信号进行积分。U1D在积分输出与驱动输入间起缓冲作用。Q1为驱动级，用于驱动射线产生指示电路。

如图5所示，该电路在电流传感器模拟输出0.5 mA条件下，图4中A、B两点的仿真测试。实际测试中，当电流传感器输出≥0.5 mA时， 只要适当调整R1，电路便能够实现其功能。

图5 仿真测试图

3 结论

本设计中指示发光部分采用高亮度LED，摒弃了传统的白炽灯，做到了节能的要求，而且还可以做到时时指示射线是否产生。从成本角度看其制作成本低廉，易于实现，可以替代目前传统使用的X射线指示装置。新型X射线指示装置电路制作成本低，功耗远低于传统的X射线防护指示灯，实现了医用放射设备X射线的产生与指示同步，切实做好辐射防护工作。

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