小型電子感應(yīng)加速器電子槍燈絲電源研制

劉 琦 王海濤 陳海生 王仁波

1（東華理工大學(xué)核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心 南昌 330013）

2（泛華檢測技術(shù)有限公司 南昌 330013）

電子感應(yīng)加速器［1］是通過變化的磁場感應(yīng)出渦旋電場，利用渦旋電場對電子進(jìn)行加速。小型電子感應(yīng)加速器具有體積小、重量輕、操作簡單、直接風(fēng)冷等優(yōu)勢，可以很好地應(yīng)用于集裝箱貨柜安檢、工業(yè)無損檢測等領(lǐng)域［2］。小型電子感應(yīng)加速器的電子源是由熱陰極電子槍［3-5］提供，陰極燈絲［6］在燈絲電源［7］的加熱下材料表面形成大量的自由電子，利用引出高壓［8］脈沖將電子注入到加速管內(nèi)進(jìn)行加速。熱陰極電子槍燈絲的加熱方式有直熱式和間熱式［9］，由于小型電子感應(yīng)加速器結(jié)構(gòu)很緊湊，陰極材料為鎢絲，適合采用直接加熱方式工作。電子感應(yīng)加速器所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度由被磁場俘獲加速的電子數(shù)量決定［10-11］，在其他條件相同時，俘獲的電子數(shù)量決定于電子槍注入電子的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

目前，核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心聯(lián)合泛華檢測技術(shù)有限公司在國內(nèi)率先研制了7.5 MeV的小型電子感應(yīng)加速器，而國內(nèi)并沒有相對應(yīng)的配套燈絲電源。小型電子感應(yīng)加速器需要收集加速管內(nèi)未被俘獲而損失在靶上和管壁上的電子作為注入電流反饋值來調(diào)節(jié)燈絲的注入電子數(shù)量，本文針對小型電子感應(yīng)加速器對注入電流的特殊控制要求，為加速器設(shè)計了燈絲電源，電源由燈絲占空比調(diào)節(jié)電路和注入電流反饋回路組成。

1 工作原理

小型電子感應(yīng)加速器的實用價值以加速電子的數(shù)量或與其成正比的軔致輻射強(qiáng)度為基礎(chǔ)。大量的電子感應(yīng)加速器電子注入實驗和俘獲過程理論［12-14］指出，當(dāng)電子感應(yīng)加速器工作在最佳狀態(tài)時，加速器加速管內(nèi)所形成的最大電荷與電子槍注入電流的大小具有直接關(guān)系。

在電子感應(yīng)加速器中，被加速磁場俘獲的電子在加速管內(nèi)進(jìn)行加速，由電子槍注入到加速管內(nèi)的電子數(shù)量太少，則加速器俘獲的電子數(shù)量很少，產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度低；注入電子數(shù)量太多，則在加速管內(nèi)部大量電子形成的空間電荷效應(yīng)［15］明顯，同樣會使俘獲電子減少。電子槍注入電子數(shù)量和俘獲電子數(shù)量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 注入電流與俘獲電流的關(guān)系Fig.1 Relationship between injection current and capture current

圖1中，Iinj為加速器電子槍的注入電子數(shù)量，即電子槍的發(fā)射電子數(shù)量，Iout為被加速器磁場俘獲的電子數(shù)量。圖1中有一個Iout的最大值點，在該注入電子數(shù)量下，加速器能夠獲得最大的俘獲電子數(shù)量。在加速器調(diào)節(jié)過程中就應(yīng)該使電子槍工作在該點上，使加速器處在一個最佳狀態(tài)，能夠產(chǎn)生最大的輻射強(qiáng)度。從圖1可知，電子槍發(fā)射電流［16-17］小的波動都可以引起加速器輻射強(qiáng)度大的波動。為了保證加速器輻射強(qiáng)度穩(wěn)定性，電子槍陰極燈絲的發(fā)射電流要求具有很好的穩(wěn)定性。

電子槍發(fā)射的電子是依靠熱陰極來產(chǎn)生的，此外，發(fā)射電流的數(shù)值還取決于加在電子槍引出電極上的高壓脈沖幅度與脈沖持續(xù)寬度，因此，圖1中的最佳工作點受電子槍引出高壓脈沖和燈絲熱度兩個參數(shù)的影響。本文中，小型電子感應(yīng)加速器電子槍引出高壓脈沖幅度固定為40 kV，引出高壓脈沖時間寬度固定為3 μs，只有通過調(diào)節(jié)燈絲熱度可以使電子槍產(chǎn)生一個最佳的發(fā)射電子數(shù)。

電子槍燈絲的發(fā)射情況不僅與燈絲的溫度有關(guān)，而且也取決于陰極燈絲的材料。由于燈絲材料的不均勻性，燈絲的發(fā)射本領(lǐng)可能隨工作時間而發(fā)生變化，就是在維持陰極溫度及引出高壓脈沖不變時，發(fā)射電流也可能改變。因此，要使電子槍發(fā)射電流維持在一固定值，只穩(wěn)定燈絲加熱及引出脈沖高壓是不夠的。為穩(wěn)定電子槍發(fā)射電流，本文通過注入電流反饋電路來調(diào)節(jié)燈絲工作熱度，使電子槍發(fā)射電流保持在最佳點。

本文通過調(diào)節(jié)燈絲電壓占空比來調(diào)節(jié)燈絲熱度，以及采集電子槍注入到加速管的電流來穩(wěn)定燈絲的發(fā)射電流，燈絲電源的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燈絲電源結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of filament power supply

燈絲電源電路分為兩部分：燈絲電壓占空比的調(diào)節(jié)電路和注入電流反饋線路。燈絲電源工作時，數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）根據(jù)設(shè)定的注入電流值，輸出兩路脈沖寬度調(diào)制（Pulse-Width Modulation，PWM）信號，分別控制高側(cè)MOS（Metal Oxide Semiconductor）管工作和低側(cè)MOS管工作，通過高側(cè)MOS管和低側(cè)MOS管交替導(dǎo)通的方式，在隔離變壓器的次級輸出正負(fù)電壓脈沖到燈絲上，對燈絲進(jìn)行加熱。在引出高壓脈沖的作用下，電子從燈絲上注入到加速管內(nèi)部，一部分電子被加速器磁場俘獲進(jìn)行加速，剩下未被俘獲的電子打在加速管的管壁上和電子槍背面的靶上。由于電子感應(yīng)加速器的電子俘獲效率很低［14］，打在管壁上和靶上的電子數(shù)量與燈絲注入的電子數(shù)量之間相差非常小，可以將管壁上和靶上的電子作為反饋值來調(diào)整燈絲的注入電流值，使燈絲注入電流穩(wěn)定在一個最佳設(shè)定值上。

將加速管管壁上和靶上的電子引出到外部電路上形成注入電流反饋信號，注入電流反饋信號經(jīng)運放調(diào)理后輸入到DSP的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中。DSP根據(jù)反饋回來的注入電流值，重新調(diào)整PWM信號的占空比，使燈絲上正負(fù)電壓脈沖的占空比跟著變化，從而調(diào)節(jié)燈絲熱度，改變燈絲注入電流值。經(jīng)過上述調(diào)節(jié)過程，最終使反饋回來的注入電流值和最佳設(shè)定值趨于一致，從而保證電子槍發(fā)射電流保持在最佳工作點上。

2 電路設(shè)計

2.1 燈絲驅(qū)動電路設(shè)計

燈絲驅(qū)動電路選用半橋驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，相比全橋驅(qū)動、LLC諧振驅(qū)動等其他電路，半橋驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，MOS管控制相對容易，針對于結(jié)構(gòu)緊湊、操控簡單的小型電子感應(yīng)加速器，采用半橋驅(qū)動是最優(yōu)的燈絲加熱方法，具體電路如圖3所示。燈絲半橋驅(qū)動電路分為高側(cè)驅(qū)動和低側(cè)驅(qū)動，高、低側(cè)驅(qū)動由兩路占空比相同相位互補的PWM信號驅(qū)動。高側(cè)驅(qū)動和低側(cè)驅(qū)動都由隔離光耦、DC-DC（Direct Current-Direct Current converter）隔離電源、MOS管、直流電壓源組成。驅(qū)動電路輸出正電壓時，高側(cè)PWM信號IO_PWMA為高電平，使隔離光耦UD2導(dǎo)通，光耦驅(qū)動高側(cè)MOS管Q1導(dǎo)通，正電壓+30 V加載在隔離變壓器T1上，隔離變壓器輸出正電壓給燈絲加熱。驅(qū)動電路輸出負(fù)電壓時，低側(cè)PWM信號IO_PWMB為高電平，使隔離光耦UD4導(dǎo)通，光耦驅(qū)動低側(cè)MOS管Q3導(dǎo)通，負(fù)電壓-30 V加載在隔離變壓器T1上，隔離變壓器輸出負(fù)電壓給燈絲加熱。通過上述高側(cè)驅(qū)動和低側(cè)驅(qū)動交替導(dǎo)通的方式，使隔離變壓器輸出正負(fù)交替的電壓脈沖給燈絲加熱。

圖3中高側(cè)正電壓為+30 V，低側(cè)負(fù)電壓為-30 V，MOS管選用耐壓值為200 V的CMP40N 20B。

圖3 燈絲驅(qū)動電路Fig.3 Filament drive circuit

2.2 注入電流反饋回路設(shè)計

注入電流反饋電路如圖4所示。沒有俘獲的電子打在加速管的管壁上和靶上，管壁和靶上都設(shè)有引出端，將電子引出到電容C1上，管壁上導(dǎo)電涂層的電阻與電容C1構(gòu)成一個RC積分電路。在C1上收集的電子形成一個電壓脈沖，將反饋注入電流轉(zhuǎn)換成電壓信號。電壓信號通過運放U1衰減后輸入到DSP的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中。DSP根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的值計算出相應(yīng)的注入電流反饋值，與設(shè)定的輸入值相比較，通過調(diào)整兩路PWM信號IO_PWMA和IO_PWMB的占空比來調(diào)節(jié)燈絲發(fā)射電流。經(jīng)過動態(tài)調(diào)整后，使注入電流反饋值和設(shè)定最佳值趨于一致。

圖4 注入電流反饋電路Fig.4 Injection current feedback circuit

圖4中，管壁和靶引出的電子通過RC積分電路后在電容C1上形成一個負(fù)電壓脈沖，積分電路RC選取的參數(shù)使C1上的電壓幅度對應(yīng)于反饋回來的注入電流值，根據(jù)使用的加速管參數(shù)選取C1的容值為0.15 μF。C1上形成的負(fù)電壓脈沖經(jīng)過U1構(gòu)成的反相比例電路后負(fù)電壓脈沖變換成正電壓脈沖，再輸入到DSP的模擬采樣器中。

3 實驗

用小型電子感應(yīng)加速器加速管電子槍燈絲作為負(fù)載對本文研制的燈絲電源進(jìn)行了測試，加速管電子槍燈絲隔離變壓器初級匝數(shù)為110匝，次級為25匝，加速管燈絲阻抗為756 mΩ，電子槍引出高壓固定為40 kV，高壓脈沖持續(xù)時間固定為3 μs。

3.1 驅(qū)動波形測試

電子槍燈絲是通過PWM信號驅(qū)動，燈絲工作受PWM信號的頻率、占空比的影響，為了盡量減少高頻毛刺，DSP輸出的兩路PWM信號頻率設(shè)定為1 kHz。在PWM信號占空比設(shè)定為30%時，用示波器測得燈絲隔離變壓器的初級波形如圖5所示。

圖5 燈絲驅(qū)動波形Fig.5 Filament driving waveform

從圖5可知，正負(fù)高壓脈沖交替輸出至隔離變壓器初級，脈沖寬度為150 μs。在上述驅(qū)動波形下，加速管燈絲工作加熱效果如圖6所示。

圖6 燈絲工作實物圖Fig.6 Picture of filament working

3.2 發(fā)射電流測試

燈絲電源通過調(diào)節(jié)DSP輸出的PWM信號占空比來調(diào)整注入到加速管內(nèi)部的電流，為獲取PWM信號占空比與注入電流的關(guān)系，分別設(shè)置占空比為30%、32%、34%、36%、38%和40%，并測量相對應(yīng)的注入電流反饋值，測試數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 注入電流與燈絲電壓占空比關(guān)系Fig.7 Relationship between injection current and filament voltage duty cycle

在圖7中，針對6個測試點進(jìn)行線性擬合，擬合后的Pearson相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.998 76，表明燈絲驅(qū)動信號占空比與注入電流值具有很好的線性關(guān)系。通過擬合后的線性關(guān)系表達(dá)式，可根據(jù)需要的注入電流值計算出相應(yīng)的占空比信號。

根據(jù)圖1，電子槍的注入電流與加速器輸出的輻射劑量具有直接關(guān)系，為了獲得最佳的輻射劑量，需要使注入電流工作在一個最佳值。為測試最佳注入電流值，調(diào)整加速器輸出能量為7.5 MeV，工作頻率為300 Hz，改變燈絲注入電流，待加速器工作穩(wěn)定后，通過加速器自帶的空氣電離室讀取輸出的X射線劑量率，測試數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 注入電流與劑量率關(guān)系Fig.8 Relationship between injection current and dose rate

由圖8可知，在注入電流為0.8 A附近時，加速器俘獲的電子數(shù)量達(dá)到最大值，產(chǎn)生的X射線劑量率也處在最大值，加速器可工作在一個最佳狀態(tài)，此時，對應(yīng)的PWM信號占空比為36.8%。燈絲驅(qū)動電源產(chǎn)生的最大注入電流為1.6 A，對應(yīng)的PWM信號占空比為50.3%，此時加速器并未處在最佳狀態(tài)。因此為了延長燈絲的壽命，燈絲最大的注入電流限定在1.2 A以內(nèi)。

為測試燈絲電源對加速器劑量穩(wěn)定性的影響，將注入電流設(shè)定在0.8 A，測試輸出劑量率隨工作時間的變化。由于加速器機(jī)頭采用的是強(qiáng)制風(fēng)冷模式，加速器連續(xù)工作時間限制在10 min以內(nèi)，測試時，每30 s讀取一次X射線劑量率，劑量率測試數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 劑量率測試數(shù)據(jù)Fig.9 Measurement data of dose rate

根據(jù)圖9中劑量率測試數(shù)據(jù)，計算出平均劑量率為73.67 mGy·min-1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.279，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.32%，劑量率穩(wěn)定度優(yōu)于11.3%/10 min，說明加速器在10 min工作周期內(nèi)，輸出的X射線劑量率上下波動幅度最大值沒有超過平均值的11.3%。

4 結(jié)語

本文研制的燈絲電源，通過收集加速管管壁電流和靶電流作為注入電流反饋信號，DSP根據(jù)反饋信號改變PWM信號的占空比來調(diào)整燈絲發(fā)射電流的大小。經(jīng)過實驗測試，燈絲注入電流與燈絲電壓占空比具有良好線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)燈絲電壓占空比可以精確地使加速器輸出劑量率處在最佳值，輸出劑量率穩(wěn)定度優(yōu)于11.3%/10 min。作為小型電子感應(yīng)加速器的重要組成部分，該燈絲電源具有穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)范圍廣、體積小等優(yōu)點，相應(yīng)的功能達(dá)到了小型電子感應(yīng)加速器的要求，已應(yīng)用在核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心和泛華檢測技術(shù)有限公司聯(lián)合研制的7.5 MeV小型電子感應(yīng)加速器上。

作者貢獻(xiàn)聲明劉琦：負(fù)責(zé)研究的提出及設(shè)計、數(shù)據(jù)的收集和整理、文章的起草和最終版本的修訂；王海濤：負(fù)責(zé)技術(shù)指導(dǎo)；陳海生：負(fù)責(zé)實驗測試及結(jié)果驗證；王仁波：負(fù)責(zé)項目的監(jiān)督和管理。