楊剛++吳文杰

摘要： 本文設(shè)計(jì)了一種雙能級X射線源高壓模塊發(fā)生控制模塊方案。本系統(tǒng)主要包括倍壓整流模塊，控制模塊，高壓檢測模塊，等幾個(gè)主要部分，主控芯片采用STM32系列芯片，實(shí)現(xiàn)了射線源的實(shí)時(shí)化，精確化控制。其設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)單能級X射線探測只能從原子序數(shù)識(shí)別探測物質(zhì)的局限性，采用兩個(gè)能級X射線配合探測使用從原子序數(shù)與密度雙向進(jìn)行物質(zhì)探測，提高了對未知介質(zhì)識(shí)別的精度和準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：雙能級X射線；控制設(shè)計(jì)；穿透試驗(yàn)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2017）04-0250-01

砂體識(shí)別在治砂，防砂以及提高油井原油產(chǎn)率方面具有十分重要的意義。井下防砂層中需要進(jìn)行礫石填充，礫石大小的選擇是十分關(guān)鍵的，既要擋住油層圈閉中的砂體，又要有足夠的空隙讓原油流出，使其達(dá)到防砂的目的。在油田現(xiàn)場往往需要進(jìn)行井下砂體的識(shí)別，進(jìn)而選擇需要填充的礫石。本文正式是利用雙能級X射線探測物質(zhì)的原理，利用X射線穿透物體后產(chǎn)生的衰減效應(yīng)來對物質(zhì)進(jìn)行定性的探究。X射線高壓源是X射線激發(fā)乃至探測額重要組成部分，本文正是基于此設(shè)計(jì)研究了在油田砂體識(shí)別中應(yīng)用的X射線高壓發(fā)生源方案。

1 雙能級發(fā)射源總體硬件設(shè)計(jì)

X射線發(fā)射源主要有高壓源發(fā)生模塊和控制模塊組成?？傮w框圖如圖1所示。高壓源發(fā)生模塊的主要工作原理是：先將工頻電源整流濾波成平滑直流，經(jīng)Buck型電路變成低壓直流；諧振逆變電路再把直流變成頻率為幾kHz至幾十kHz的低壓交流電，然后供給脈沖升壓變壓器初級，變壓器次級輸出高壓交流電；再經(jīng)過倍壓整流電路，變成我們所需要的激發(fā)X射線的高壓直流電。

高壓源控制模塊包括高壓采樣電路、溫度監(jiān)測電路和控制驅(qū)動(dòng)單元。通過高壓檢測電路對檢測電阻上的電壓進(jìn)行檢測采樣，將采樣值輸入到控制驅(qū)動(dòng)單元，控制驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)反饋輸入進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算、處理，輸出不同占空比的PWM波，作用于Buck型電路和諧振逆變電路，使輸出高壓趨于穩(wěn)定。同時(shí)溫度監(jiān)測電路監(jiān)測X射線管工作時(shí)溫度，并顯示其值。

因?yàn)楸疚牟捎秒p能級射線的方法進(jìn)行介質(zhì)識(shí)別，故在射線源部分需要形成一高一低兩種能級X射線搭配使用。本文采取低能級用50KV的高壓去激發(fā)，高能級采用80KV以上的高壓去激發(fā)，采用PWM模式控制方式進(jìn)行穩(wěn)壓，并對X射線管溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而保證射線源安全有效地工作。

2 實(shí)驗(yàn)探究

基于以上方案設(shè)計(jì)，本文研究出了特定的X射線源高壓產(chǎn)生和控制器件，配合燈絲電流源，可以利用X射線管激發(fā)產(chǎn)生X射線，通過穿透砂體的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證此設(shè)計(jì)和控制方案的可行性和有效性。本設(shè)計(jì)正是基于此利用序言所描述的環(huán)境，對雙能級高壓源的砂體穿透能力進(jìn)行了驗(yàn)證，具體實(shí)驗(yàn)如下：

圖2所示為：低能級X射線透過兩種不同厚度的細(xì)砂后，經(jīng)探測處理得到的能譜圖。圖3所示為：高低雙能級X射線穿透12mm細(xì)砂后，經(jīng)探測處理得到的能譜圖。其中橫坐標(biāo)道址對應(yīng)接收到的光子的能量，探測器將光子的能量轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的電信號，再經(jīng)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換變換成相應(yīng)的道址?？v坐標(biāo)表示接收到一定的道址的光子數(shù)目，即同一能量的光子數(shù)目。由圖可知：對于某種物質(zhì)，接收到的射線能量與物體厚度和入射線能量有關(guān)。物體厚度越大，衰減越嚴(yán)重，接收到的射線能量越?。蝗肷渚€能量越高，透過物體后的射線能量也越高。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)研究了一種雙能級X射線發(fā)生的高壓電源部分的產(chǎn)生和控制方案，并在后端利用砂體穿透實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)方案的可行性。還需要改進(jìn)方案使產(chǎn)生的X射線更為穩(wěn)定，此外還要融入溫度反饋檢測，冷卻保護(hù)，PWM控制，反饋補(bǔ)償機(jī)制以提高發(fā)射源的安全穩(wěn)定使用性以及輻射劑量的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少對工作人員的輻射傷害。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳了，郭苗苗. 一種適用于Buck型DC/DC變換器的高精度片上電流采樣電路[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011（6）：46-50.

[2] 周潔敏. 開關(guān)電源理論及設(shè)計(jì)[M].北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2012：1-2.

[3] 陳垚，陳婷，桂建保，等.基于碳納米管陰極的X射線源與成像技術(shù)進(jìn)展[J]. CT理論與應(yīng)用研究，2013，22（2）：363-372.