一種X射線管數(shù)控恒功率燈絲電源的設(shè)計方法

張偉　張建　尹德有　高巖　孫天澳　霍亮

摘 要：在X射線管應(yīng)用中，燈絲電源是保證X射線管穩(wěn)定輸出的重要組成部分。在X射線管使用過程中，射線管燈絲溫度隨時間不斷升高，導(dǎo)致燈絲阻抗變化引起X射線管輸出不穩(wěn)定，本文提出了一種數(shù)控恒功率燈絲電源的設(shè)計，該設(shè)計能夠提高由于燈絲阻抗變化引起的X射線管不穩(wěn)定性，同時數(shù)控電源能夠滿足X射線管輸出的調(diào)整和精度需要，并且不需要復(fù)雜的供電電源設(shè)計，同時是一種低成本的電源設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：X射線管 燈絲電源 數(shù)控 恒功率

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（c）-0119-02

隨著X射線管在工業(yè)檢測、醫(yī)學(xué)、食品安全等領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，由于對其穩(wěn)定性和檢測精度、壽命等要求不斷提高，相應(yīng)的配套燈絲電源和高壓電源也成為X射線管應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究方向。傳統(tǒng)的配套電源采用工頻電源，或恒壓輸出，或恒流輸出都無法保證在X射線管應(yīng)用中燈絲阻抗隨溫度變化而引起的射線輸出的不穩(wěn)定。本文介紹的數(shù)控恒功率燈絲電源的設(shè)計，克服了由于溫度變化引起的燈絲阻抗變化而導(dǎo)致的不穩(wěn)定輸出。

1 燈絲電路的工作原理

燈絲電源電路組成包括燈絲供電電源、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、控制電路、燈絲電流反饋電路、采樣電路等。在X射線管正常使用過程中，隨著燈絲阻抗的變化，陽極電流會出現(xiàn)變化，將這一電流變化轉(zhuǎn)換成電壓，通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣反饋到主機(jī)中，通過主機(jī)控制算法，經(jīng)過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入給控制電壓，從而形成一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而達(dá)到數(shù)控恒功率控制，使得X射線管輸出穩(wěn)定（見圖1）。

1.1 燈絲供電電源

本文使用的是牛津（OXFORD）射線管，陽極電壓范圍4～30kV，最大陽極電流0.2mA，最大燈絲電流不超過1.3A，最大功率6W。依據(jù)射線管的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計燈絲供電電源電壓輸出+3.3V，3A，小于1%的紋波（見圖2）。

1.2 控制電路

如圖3所示，控制電路由兩個三極管組成，其中AIN+、AIN-為控制電壓輸入，用于控制Q1導(dǎo)通作為射線管燈絲陽極電壓，R2為燈絲串聯(lián)電阻，Q2用于對燈絲電壓的鉗位保護(hù)，F(xiàn)1為1.25A保險絲，圖中J1-F接口為射線管陽極。

1.3 DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

DAC轉(zhuǎn)換電路輸出主機(jī)計算后的控制電壓，用于對Q1的導(dǎo)通電壓的控制。本文采用高精度16位轉(zhuǎn)換器AD5542實現(xiàn)。

1.4 燈絲電流反饋采樣電路

如圖4所示，J1-2為X射線管陰極，射線管陰極電流經(jīng)過反饋電阻R11，將陽極電流轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過一級放大器和減法電路處理，轉(zhuǎn)換成A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬電壓采樣范圍。

1.5 ADC采樣電路

本文使用8通道A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606進(jìn)行射線管反饋電壓采樣。

1.6 主機(jī)

在上述設(shè)計原理以及軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用Altera公司FPGA，Cyclone E系列芯片EP4CE22作為主機(jī)，將A/D采樣的反饋電壓通過計算換算成陽極電流，通過PID運(yùn)算，設(shè)定陽極工作電流，針對反饋陽極電流與設(shè)計陽極電流之間的輸入偏差做調(diào)整，輸出D/A控制電壓，最終使X射線管達(dá)到平衡。

2 設(shè)計驗證與應(yīng)用

本文將X射線管、高壓電路、燈絲電源電路構(gòu)成X射線發(fā)射端，用電離室探測器、前置放大器電路、電源供電電路和高壓電路構(gòu)成X射線接收端，其工作原理如圖5所示。

如圖6、圖7所示，使用固定電壓輸出控制燈絲電流時，燈絲由于加熱過程中溫度升高導(dǎo)致阻值變化，引起射線管輸出逐漸下降，在正常使用過程中，這種輸出下降的現(xiàn)象保持時間能夠達(dá)到12h以上，過長的穩(wěn)定時間，無法保證產(chǎn)品的正常使用。本文使用的數(shù)控恒功率電源控制電路很好地保持了X射線管輸出穩(wěn)定性，降低了響應(yīng)時間，保證了產(chǎn)品的正常使用。

3 結(jié)語

X射線管電源控制包括高壓控制和燈絲電源控制，其中采用數(shù)控恒功率電源的射線管燈絲電源保證了X射線的穩(wěn)定輸出，而且設(shè)計簡單，沒有復(fù)雜的電源供電系統(tǒng)，同時能夠在主機(jī)中通過軟件方法加入其他影響X射線管輸出的因素，例如射線管窗口溫度、環(huán)境溫度等變量加以修正，提高了產(chǎn)品的性能、精度和穩(wěn)定性。

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