楊旭波

目前醫(yī)院放射科放射醫(yī)療設備的X射線防護指示裝置一般采用貼有射線標志的燈箱，并與檢查室的門連鎖。指示裝置的功率一般在40 W左右，且不能反映放射設備的射線產(chǎn)生情況。新型X射線防護指示燈箱采用高亮度LED作為光源，在不對放射設備做任何改動的前提下，利用閉環(huán)霍爾電流傳感器對放射設備用電電流的變化進行檢測，從而判斷放射設備是否產(chǎn)生了X射線，輸出的控制信號對指示面板上的射線動態(tài)顯示驅(qū)動電路進行控制。整機功耗＜8 W。

1 X射線指示面板的設計

指示面板上的指示內(nèi)容分兩部分，左半部分是“射線有害，燈亮勿入”的靜態(tài)顯示，右半部分是射線動態(tài)指示。

指示面板的制作可選用亞克力板或普通半透明有機玻璃板，前者需要專業(yè)的加工工藝，價格較高；而后者完全可以自己動手制作，價格便宜。面板左半部分的指示受門機連鎖控制，由于指示用光源為高亮LED，因此需要配置相應的驅(qū)動電路。右半部分指示受射線產(chǎn)生檢測電路控制，其指示方式為閃動指示(見圖1)。

圖1 射線防護指示面板

2 射線產(chǎn)生檢測電路的設計

對于放射設備，產(chǎn)生射線時，其供電電流與設備靜態(tài)時相比，有明顯的變化，我們正式基于這種變化，利用閉環(huán)霍爾電流傳感器，作為射線產(chǎn)生檢測電路的設計思路。

2.1 閉環(huán)霍爾電流傳感器原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器又稱磁平衡式電流傳感器，也稱補償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進行補償，其補償電流Is精確的反映原邊電流Ip，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)(見圖2)。

圖2 閉環(huán)霍爾電流傳感器原理圖

閉環(huán)霍爾電流傳感器具體工作過程為∶當主回路有一電流通過時，在導線上產(chǎn)生的磁場被磁環(huán)聚集并感應到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動功率管并使其導通，從而獲得一個補償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場，該磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起到指示零磁通的作用，此時可以通過Is來測試Ip。當Ip變化時，平衡受到破壞，霍爾器件有信號輸出，即重復上述過程重新達到平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1 μs，這是一個動態(tài)平衡的過程。因此，從宏觀上看，次級的補償電流安匝數(shù)在任何時間都與初級被測電流的安匝數(shù)相等，即有如下等式∶

式中∶Ip為原邊電流；N為原邊線圈的匝數(shù)；Is為副邊補償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。由上式看出，當已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時，通過測量副邊補償電流Is的大小，即可推算出原邊電流Ip的值，從而實現(xiàn)了原邊電流的隔離測量。

2.2 射線產(chǎn)生檢測電路

以GE Lunar Prodigy骨密度儀為例，介紹射線產(chǎn)生檢測的設計。

(1)不同掃描條件下，骨密度儀供電電流的實測值見表1。

由表1可以看出，設備掃描(射線產(chǎn)生)時，供電電流最小為0.67 A，最大為1.68 A，因此，我們將供電電流≥0.5 A時，設為設備產(chǎn)生射線的閥值電流。

(2)射線產(chǎn)生檢測電路結(jié)構(gòu)原理(見圖3)。

如圖3所示，閉環(huán)霍爾電流傳感器檢測供電回路中的電流，輸出經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換后，送入波形整形Ⅰ、整流、波形整形Ⅱ、積分、緩沖級，最終驅(qū)動射線產(chǎn)生指示電路工作。

表1 骨密度儀(Lunar Prodigy)不同條件下供電電流實測表

圖3 射線產(chǎn)生檢測電路框圖

(3)電路設計見圖4。

圖4 射線產(chǎn)生檢測電路圖

圖4中，電流傳感器我們選用南京奇霍科技有限公司生產(chǎn)的CSM050LA閉環(huán)霍爾電流傳感器，其具體參數(shù)可詳見相關產(chǎn)品技術手冊，這里需要說明的是∶該款傳感器在原邊電流測量范圍內(nèi)(0～±75 A)，副邊額定輸出電流(0～±50 mA)與原邊被測電流呈線性關系。因此，當供電電流達到射線產(chǎn)生時的閥值電流(0.5 A)時，傳感器副邊輸出電流為0.5 mA。R1、R2構(gòu)成簡單的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，將電流傳感器輸出的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號.D2在這里有兩個作用，一個是保護，避免因輸入的電壓過高而損壞后級；另一個作用是斬波，即取輸入信號的正半周。U1A、U1B構(gòu)成第一級波形整形，輸出經(jīng)D3、C3、R5組成的整流-濾波后，再次送入U1C進行波形整形。R6、C4構(gòu)成積分電路，對U1C輸出的信號進行積分。U1D在積分輸出與驅(qū)動輸入間起緩沖作用。Q1為驅(qū)動級，用于驅(qū)動射線產(chǎn)生指示電路。

如圖5所示，該電路在電流傳感器模擬輸出0.5 mA條件下，圖4中A、B兩點的仿真測試。實際測試中，當電流傳感器輸出≥0.5 mA時， 只要適當調(diào)整R1，電路便能夠?qū)崿F(xiàn)其功能。

圖5 仿真測試圖

3 結(jié)論

本設計中指示發(fā)光部分采用高亮度LED，摒棄了傳統(tǒng)的白熾燈，做到了節(jié)能的要求，而且還可以做到時時指示射線是否產(chǎn)生。從成本角度看其制作成本低廉，易于實現(xiàn)，可以替代目前傳統(tǒng)使用的X射線指示裝置。新型X射線指示裝置電路制作成本低，功耗遠低于傳統(tǒng)的X射線防護指示燈，實現(xiàn)了醫(yī)用放射設備X射線的產(chǎn)生與指示同步，切實做好輻射防護工作。

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