一种X 射线管测试用控制器研制

徐陈勇

（公安部第一研究所， 北京 100048）

0 引言

随着社会的进步、科技的发展，国内外安全形势也越来越严峻。 在交通方面，特别是民航领域，为保证乘客的安全出行环境， 全球各地机场都大量使用X 射线安检机，对乘客行李进行安检。X 射线安检机的一个核心部件是X 射线源， 然而X 射线管又是X 射线源的核心部件，由此可见X 射线管在该设备中的重要地位。 为保证整机的性能和使用寿命，故需要对使用的X 射线管质量进行严格把关，因此需要在X 射线管的生产过程中，对新出厂的射线管进行性能测试和老化训练。 随着科技的进步电力电子技术在各行各业得到了飞速发展[1]，本文介绍了一种安检领域X 射线管生产用180kV/2.5mA 高压测试控制器的研制，同样采用了电力电子技术来实现，其高压部分逆变及灯丝供电逆变均采用半桥拓扑， 信号调制基于UC2526ADW 芯片及采用单片机管理整个系统。

1 X 射线管工作系统构成

X 射线管是人工产生X 射线源的主要器件， 其工作原理见参考文献[2]；为使其能发射出X 射线，需要在阴阳极两端施加一定程度的高压， 并且灯丝需要加热到必要程度才能确保提供足够的电子去轰击阳极靶面。 故一套X 射线管正常工作用的控制器必须包括高压控制部分和灯丝加热控制部分。 系统简要结构如图1 所示。

图1 X 射线管工作系统Fig.1 X-ray tube working system

2 控制器系统设计

为使X 射线管按照设定的参数工作， 则必须使用相应的控制器对阴阳极高压和灯丝加热进行控制。 传统的X 光机主要是工频工作方式， 随着科技的发展高频工作方式的X 光机已经慢慢取代了工频机。 高频X 光机工作频率高、控制精度高、响应速度快，并且体积大大缩小。

本文采用高频逆变，结合脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制[3]、单片机等技术，实现对X 射线管测试用平台的高压和管电流的高精度控制， 从而达到测试过程中的低扰动、高稳定、高可靠性等要求。 该测试用控制器设计的核心主要包括三个部分： ①使高压发生器在一定范围内能输出任意可调的、可靠的、高稳定的阴阳极高压； ②能够为射线管灯丝提供足够的加热功率， 并且供电稳定， 保证输出管电 流 稳 定、X 射线稳定； ③能够对整个测试平台的必要管理及故障保护。 综合以上三个方面设计的控制器系统结构如图2 所示。

图2 控制器系统Fig.2 Control system

3 高频逆变及控制设计

3.1 高压部分逆变

在高频逆变方面，有全桥、半桥、推挽、双管正激等拓扑结构。 本文高压发生器部分的逆变主功率电路选用半桥拓扑，电路简图如图3 所示，其工作原理见参考文献[4]，在实际控制器设计的过程中增加了部分能量吸收回馈电路， 使得开关管损耗减小，电路可靠性增加。

图3 高压部分半桥逆变拓扑Fig.3 Half bridge inverter topology of high voltage part

逆变电路母线直流电压为市电整流得到的310V，通过实验调整，工作频率最终选取为22kHz，由半桥电路原理可知，电路工作后可以提供逆变波形幅值为±155V 的交流电压，为高压变压器原边提供能量。

3.2 灯丝加热部分逆变

灯丝电源部分， 同样采用的是半桥拓扑， 如图4 所示。 由于灯丝加热功率在十几瓦左右就能满足X 射线发射要求，同时考虑原副边变比和高压绝缘处理，故灯丝电源逆变用直流母线电压方面，这里采用控制器辅助供电部分设计的160V 直流电源。

3.3 闭环控制及开关管驱动

图4 灯丝电源拓扑Fig.4 Filament power topology

在自动控制系统中，为了得到满足要求的输出，常用闭环控制方式。 这里为保证输出高压和管电流的质量，采用模拟方式的闭环控制。

PWM 控制芯片方面，通过调研和实验后，最终高压部分逆变和灯丝加热电源部分逆变的闭环控制均采用UC2526ADW， 该芯片该芯片工作频率最高可达400kHz、工作电压8V～35V、灌/拉电流200mA、可软启动等[5，6]。

高压、 管电流取样信号经过滤波及运算处理后再和对应给定值运算， 产生满足要求的高压和灯丝加热电流调节用PWM 脉宽， 二者实际使用中的外围参数如图5，图6 所示。

图5 高压部分控制芯片及外部电路Fig.5 High voltage part control chip and external circuit

图6 灯丝加热部分控制芯片及外部电路Fig.6 Control chip and external circuit of filament heating part

3.4 开关管驱动

开关管的驱动有光耦隔离、变压器隔离、芯片驱动等[7，8]，芯片驱动有如IR4427 这样的双路低压驱动器[9]，也有半桥驱动芯片IR2110 等。 通过对比分析及前期技术积累， 本文中所有金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET，MOS）的驱动均选择隔离变压器驱动方式，该方式电路结构简单， 工作稳定可靠， 实际使用的电路如图7所示。

3.5 数字控制及显示

为使控制器使用方便、可靠，在设计中加入了数字控制部分，该部分负责测试平台参数实时显示，故障保护、 连锁状态监测等。 为简化设计， 直接使用现有的TMS320F2808处理器平台开发。 显示部分使用迪文科技的DMT48270M050串口液晶屏，整个数字控制方面的结构如图8所示。

图7 基于隔离变压器的开关管驱动电路Fig.7 Drive circuit of switch tube based on isolation transformer

图8 数字控制系统结构Fig.8 Structure of digital control system

故障保护方面主要是对高压、管电流、灯丝电流、放电打火等的监控保护；为确保测试人员的人身安全，测试环境中必须加入连锁机构。为了在液晶显示屏上实时监测高压、管电流、灯丝电流，必须对以上参数的采样值进行实时模-数转换 （Analog to Digital，AD）转换、运算处理。

4 研制结果

对控制器各部分进行设计、加工、调试，装配完成了控制器样机，并和测试高压油箱配合，加入对应的X 射线管一起进行了实验， 实验结果表明测试控制器各项功能正常、输出参数满足设计及应用要求。 测试油箱、控制器样机如图9、图10 所示。

图9 测试油箱Fig.9 Test tank

图10 控制器Fig.10 Controller

为了测试控制器的电路及参数设计合理性， 对实验过程中对相关波形进行了采集，如高压部分的逆变波形、灯丝加热部分的逆变波形，更重要的是输出参数波形，具体波形如图11～14 所示。

图11 高压部分逆变波形Fig.11 Inverter waveform of high voltage part

图12 灯丝加热部分逆变波形Fig.12 Inverse waveform of filament heating part

图13 正负90kV 高压输出（采样比例1V：20kV）Fig.13 Positive and negative high voltage output

5 总结

通过实验可知， 本文设计的安检用X 射线管高压测试平台用控制器，能够使高压在0～180kV 可调、管电流在0～2.5mA 可调；输出高压及管电流过冲均较小；参数预置和输出参数能高精度的实时显示， 整个控制器的性能完全满足实际测试要求。