微型X射線管燈絲電源的研制

張偉 陳樹軍 周洪軍

摘要：電源系統(tǒng)是由不同的構(gòu)件組成，其中微型X射線管是重要的構(gòu)件之一。在X射線技術(shù)發(fā)展過程中，應(yīng)用X射線構(gòu)建電源系統(tǒng)，可以使原有的工頻發(fā)生變化，并在變化期間形成中頻逆變電路。進(jìn)入到上世紀(jì)90年代，X射線電源系統(tǒng)由中頻進(jìn)入到高頻，高頻電源系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅促進(jìn)X射線設(shè)備的快速發(fā)展，還能減少輸出濾波電容對電路的影響，進(jìn)一步縮小電源系統(tǒng)的體積，使用體積小重量輕的電源系統(tǒng)，可以顯著提升電源系統(tǒng)的工作效率。本文圍繞微型X射線管燈絲電源的研制展開討論，為X射線管發(fā)展提供參考依據(jù)。

Abstract： The power supply system is composed of different components， among which the micro X-ray tube is one of the important components. In the development of X-ray technology， the use of X-rays to build a power system can change the original power frequency and form an intermediate frequency inverter circuit during the change. In the 1990s， the X-ray power supply system went from intermediate frequency to high frequency. The application of high-frequency power supply system not only promoted the rapid development of X-ray equipment， but also reduced the influence of the output filter capacitor on the circuit， and further narrowed the power supply system. The small size and light weight of the power system can significantly improve the efficiency of the power system. This article focuses on the development of the micro X-ray tube filament power supply， to provide reference for the development of X-ray tubes.

關(guān)鍵詞：微型X射線管燈絲;電源;分析

Key words： micro X-ray tube filament;power supply;analysis

中圖分類號：TN14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0192-03

0? 引言

X射線在各領(lǐng)域應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，并且已經(jīng)獲得良好的應(yīng)用價值，尤其是將X射線應(yīng)用在燈管中，作為燈絲電源重要的組成部分，在220V交流電輸入環(huán)境中，降低變壓器的加熱能力的同時，還能校正功率因數(shù)，使燈絲電源可以正常的運行。但是傳統(tǒng)的燈絲存在體積大、輸出電壓不穩(wěn)等缺點，針對傳統(tǒng)燈絲電源存在的缺點，積極應(yīng)用X射線改變傳統(tǒng)的燈絲電源，使傳統(tǒng)的燈絲電源形成微型X射線管燈絲電源，不僅使微型X射線燈管符合電流控制標(biāo)準(zhǔn)，還能充分利用高頻電磁場耦合能量，有效提高燈絲電源的工作效率。

1? 微型X射線管的工作原理

大中型功率X射線管電源在運行時，會產(chǎn)生較高的電源絕對輸出值，將電源絕對輸出值控制在合理的范圍內(nèi)，需要在靶材的陽極和陰極材料上，分別施加相同的正負(fù)高壓，在高壓的作用下，才能降低高壓直流電源絕對輸出值，一般降低至原有輸出值的一半。在陽極靶材上通常施加正極高壓，可以有效集中陽極靶材的自由電子，使自由電子全部轟擊靶材，通過不斷的轟擊，進(jìn)一步降低絕對輸出值，從而提高一定程度的效率。在微型X射線管工作過程中，需要精準(zhǔn)控制燈管的體積和產(chǎn)生的功耗。以施加在陽極靶材的高壓為例，應(yīng)將X射線管連接到電源系統(tǒng)上，并在封閉的空間內(nèi)，但是無法滿足微體積的要求。

2? 電源主電路設(shè)計

2.1 核心激勵電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計

在設(shè)計核心激勵電路結(jié)構(gòu)過程中，燈絲電源采用推挽結(jié)構(gòu)，不僅降低驅(qū)動電路的復(fù)雜性，通過簡單的驅(qū)動電路，可以提高電源電壓的利用率，還能在較低的輸入電壓狀態(tài)下，使電路保持較高的功率輸出能力。在微型電源主電路設(shè)計期間，降低電路開關(guān)運行時產(chǎn)生的噪音，并提升電源的運行效率，在結(jié)構(gòu)中連接諧振軟開關(guān)，通過串聯(lián)諧振軟開關(guān)，可以在電路出現(xiàn)關(guān)斷，或者電路出現(xiàn)零電壓的情況，仍能保持良好的運行狀態(tài)，并且不會產(chǎn)生較大的噪音。

在推挽結(jié)構(gòu)運行過程中，需要使用PWM波驅(qū)動結(jié)構(gòu)持續(xù)運行，PWM波具有相位相反的特點，為保證結(jié)構(gòu)在相同的相位電路中運行，應(yīng)為PWM波配置兩路互補裝置。本次設(shè)計中，使用某公司生產(chǎn)的兩路PWM波芯片，該芯片型號為UCC3808，具有高速生產(chǎn)、低功耗的特點。（圖1）

2.2 電磁場耦合能量的設(shè)計

在設(shè)計電磁場耦合能量時，采用以錳鋅鐵氧化物作為材料的磁芯，將磁芯的規(guī)格設(shè)置為18×10×10毫米的規(guī)格，設(shè)定磁導(dǎo)率為20000。在磁環(huán)的上部，使用質(zhì)量和性能良好的線圈作為導(dǎo)線，在線圈的中間位置設(shè)置抽頭，通過抽頭連接兩路的輸入PWM波，在PWM波景觀激勵線圈過程中，由激勵線圈產(chǎn)生的電磁場，會產(chǎn)生耦合能量，有助于提高電磁場的工作效率。使用高頻錳鋅鐵材料作為磁環(huán)時，需要將線圈的匝數(shù)比設(shè)定為3：1，可以使線圈產(chǎn)生更多的感生電流。

2.3 偏置電壓獲取電路

設(shè)定偏置電壓電路時，需要采用不同的方法。在本次設(shè)計中，采用DPA—Switch偏壓方法，該方法應(yīng)將供電電壓設(shè)定為24V，并采用輸入的方式，將電壓輸入到偏置電路中。在采用該方法設(shè)定偏置電路時，需要在電極和耦合器收端之間，安裝穩(wěn)壓管DW，穩(wěn)壓管DW可以有效降低電壓，使集電極和發(fā)射電極處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，減少耦合器消耗的功率。

2.4 磁復(fù)位電路設(shè)計

在設(shè)計磁復(fù)位電路時，應(yīng)提高該電路的漏級電壓，并且高于輸入電壓。但是應(yīng)注意的是，進(jìn)行電路磁復(fù)位期間，規(guī)定電壓小于漏級電壓，為使漏級電壓控制在合理的范圍內(nèi)，應(yīng)在電路中設(shè)置高頻變壓器，并保證每個開關(guān)在設(shè)定的周期內(nèi)，可以快速恢復(fù)漏級電壓。在關(guān)閉偏置電壓電路時，需要控制產(chǎn)生的磁感應(yīng)電流，使磁感應(yīng)電流可以順利的通過變壓器，從而消除變壓器內(nèi)部產(chǎn)生的磁感應(yīng)電流。

2.5 閉環(huán)反饋電路的設(shè)計

在管電流產(chǎn)生以后，需要先進(jìn)行管電流取樣工作，然后利用精密的電阻將電流信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成電壓信號，最后針對形成的電壓信號實施兀型LC濾波。如果選擇的濾波器為一般的LC/LT型號，會因為受到源與濾波器端阻抗發(fā)生不匹配的問題而在某一個頻率下導(dǎo)致電路與其他元件發(fā)生諧振的問題，造成電路無法正常工作。因此，可以在濾波器的輸入端加入濾波電容，能夠有效改變?yōu)V波器入端產(chǎn)生的阻抗，從而形成兀型濾波電路。在“源”、“負(fù)載”處產(chǎn)生的噪聲會先經(jīng)過低阻抗的濾波電容回路，然后進(jìn)入到LC型的濾波電路內(nèi)。在此過程中，濾波電路能夠?qū)﹄娫磁c電路側(cè)產(chǎn)生的噪聲與諧波信號同時進(jìn)行抑制，再通過運放隔離與反向反饋取樣濾波后的信號，反饋至前級后，再與設(shè)定的管電流初始值進(jìn)行比較。如果當(dāng)前的管電流與設(shè)定值的比較中，管電流較大，比較器LM393會向D觸發(fā)器MC74HC74的時鐘端進(jìn)行高電平的輸出過程，而MC74HC74輸出高電平的輸出端口為Rdy，收到管電流信號后向UCC3808內(nèi)輸入，從而達(dá)到輸入PWM波占空比與燈絲電流大小有效控制的目的，實現(xiàn)管電流的穩(wěn)定。在X射線發(fā)出時，需要燈絲電源與高壓直流電源進(jìn)行分工合作，主要過程如下：第一，在X射線管陰極燈絲上，需要燈絲電源提供能夠?qū)崿F(xiàn)燈絲加熱的電流。第二，在X射線管陰極燈絲和陽極靶材中需要高壓直流電源能夠形成高壓電場，實現(xiàn)電子能夠在高壓電場上進(jìn)行高速運動，對陽極靶材進(jìn)行轟擊。（圖2）

在實際設(shè)計過程中，設(shè)計步驟需要采取高壓直流電源與燈絲電源分別設(shè)計、獨立設(shè)計的措施，然后通過聯(lián)機(jī)的方式進(jìn)行調(diào)試。在設(shè)計時包括兩個方面：第一是設(shè)計高壓直流電源，目的是形成直流負(fù)高壓，能夠為X射線管的陰極提供直流負(fù)電壓。第二是設(shè)計低壓大電流燈絲電源，目的是在陰極燈絲加熱時，能夠及時提供所需的電流。此時的燈絲主電路主要包括兩個部分：第一部分是X射線在發(fā)出時的量度超過設(shè)定值之前，能夠為燈絲提供最大功率的電流實現(xiàn)加熱目的。當(dāng)X射線發(fā)出后、管電流產(chǎn)生后，系統(tǒng)在收到的反饋信號時會將電路向第二部分傳送。第二部分是收到第一部分的管電流取樣后，與設(shè)定的管電流進(jìn)行比較，將比較結(jié)果向PWM波反饋，形成電路，最后利用閉環(huán)調(diào)節(jié)的過程穩(wěn)定管電流。

3? 性能測試

3.1 抑制電磁輻射干擾

燈絲電源產(chǎn)生的電磁干擾中，MOS管用推挽方式驅(qū)動磁環(huán)具有的干擾力度最大，主要表現(xiàn)在：MOS管的工作頻率越高，開關(guān)切換速度會越快，從而增大電磁干擾力度。因此，開關(guān)器件工作頻率與電磁干擾大小之間屬于正比關(guān)系。為了達(dá)到降低電磁干擾的目的，可以應(yīng)用LC無源吸收電路的設(shè)計方式，還要在電路周圍設(shè)置一層接地金屬屏蔽膜，能夠有效降低電磁干擾。

3.2 PWM發(fā)生電路實測波形

燈絲電源的效率會受到較多因素的影響，包括PWM波占空比、頻率、負(fù)載電阻、輸入電流、輸入功率等。綜合考慮這些因素后，應(yīng)選用100kHz頻率的燈絲電源。如果設(shè)置PWM的占空比為50%，電路反饋環(huán)路處于穩(wěn)定后，運用示波器對PWM波進(jìn)行測試，結(jié)果顯示出PWM波發(fā)生電路輸出的兩路互補PWM波型。

3.3 測試燈絲電源效率

在測試燈絲電源效率時，需要將燈線電流帶上1.5Q的功率電阻，因為微型X射線管陰極燈絲處存在的等效電阻為12Q。測試時，需要在不同的推挽頻率下開展。

3.4 測試管流穩(wěn)定性

在測試管流穩(wěn)定性時，需要在管壓14kV、管流9uA的條件下開展。經(jīng)過銅箔激發(fā)過程，應(yīng)用X射線SiPin探測器對能譜曲線進(jìn)行測量，從而得到銅峰凈峰面積。在測量時，需要每5S進(jìn)行一次凈峰面積測量，并準(zhǔn)確計數(shù)。然后，對所有測量的計數(shù)計算出平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。

4? 結(jié)束語

在便捷式熒光分析儀中，微型X射線管是重要的組成部分，而決定微型X射線很容易的質(zhì)和量是由電源系統(tǒng)直接決定的。目前，國內(nèi)研制的X射線管電源已經(jīng)普遍應(yīng)用于醫(yī)用或者是工業(yè)領(lǐng)域中，并且是應(yīng)用于中大功率X射線機(jī)，而未應(yīng)用于小型甚至微型X射線管電源中。由于醫(yī)用與工業(yè)類中應(yīng)用的X射線管電源系統(tǒng)具有體積較大、紋波較大、功耗較大的特點，無法應(yīng)用于便攜式熒光分析領(lǐng)域中。研究學(xué)者應(yīng)加大研究力度深入研究微型X射線管電源系統(tǒng)，能夠提高微型X射線管電源系統(tǒng)性能，從而推動我國科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：遼寧省工業(yè)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化項目（2018106012）;遼寧省“百千萬人才工程”資助項目（遼人社【2019】45號）;遼寧省自然科學(xué)基金項目（2019-MS-107）;遼寧省“興遼英才計劃”項目（XLYC1807168）。

作者簡介：張偉（1980-），男，黑龍江密山人，教授研究員級高級工程師，本科，從事工業(yè)在線檢測儀表研發(fā)。