（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

車載工業(yè)CT用駐波電子直線加速器，屬于移動(dòng)式射線源，相比傳統(tǒng)固定式加速器，要求體積小、結(jié)構(gòu)優(yōu)且工作穩(wěn)定可靠，可適用多種惡劣工況，包括極限低溫以及高速路、國道、砂石路等多種路況。由于車載集裝箱空間有限，需對(duì)加速器原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在保證設(shè)備穩(wěn)定可靠性的前提下，又兼顧設(shè)備日常維護(hù)、維修的可操作性。車載加速器應(yīng)用于野外，采用距離防護(hù)，需對(duì)加速器運(yùn)行參數(shù)數(shù)字化，通過遠(yuǎn)距離通訊方式進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控，保證設(shè)備展開的輕便簡捷且易于實(shí)時(shí)觀測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

1 整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

加速器所有部件放置在車載集裝箱內(nèi)，由于空間狹小且考慮足夠的檢修空間，同時(shí)兼具抗振性能，對(duì)加速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，去掉常規(guī)加速器的控制臺(tái)、調(diào)壓器、穩(wěn)壓電源，保留機(jī)頭、調(diào)制器柜、水冷機(jī)組，同時(shí)為滿足CT系統(tǒng)成像的需求，在加速器機(jī)頭主射線束前方加裝前準(zhǔn)直器。

1.1 機(jī)頭

在常規(guī)加速器機(jī)頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)其內(nèi)部重新布局，在增加抗振強(qiáng)度、保證絕緣距離的同時(shí)縮小機(jī)頭體積。對(duì)機(jī)頭內(nèi)懸臂結(jié)構(gòu)增加多點(diǎn)支撐加固，盡量避免懸臂結(jié)構(gòu)；精加工機(jī)頭底板，所有與機(jī)頭底板聯(lián)接部件采用定位銷孔結(jié)構(gòu)，如圖1所示，防止器件因振動(dòng)或沖擊而產(chǎn)生脫落或位移。

圖1 多點(diǎn)支撐及底板固定結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)化磁鋼選型，選用體積小、重量輕、易調(diào)整磁鋼，對(duì)比圖如圖2所示。

圖2 磁鋼選型對(duì)比

加強(qiáng)對(duì)磁控管的固定。磁控管作為微波功率源，其可靠固定決定了X射線的穩(wěn)定性。原設(shè)計(jì)只對(duì)磁控管單端進(jìn)行固定，改進(jìn)設(shè)計(jì)對(duì)磁控管兩端都進(jìn)行固定。

1.2 調(diào)制器柜

由于取消控制臺(tái)，新調(diào)制器柜兼具控制臺(tái)功能，主要由燈絲供電及保護(hù)分機(jī)、聚焦及保護(hù)分機(jī)、逆變充電分機(jī)、PLC中控分機(jī)、低壓電源分機(jī)、監(jiān)控與保護(hù)分機(jī)，高壓柜等部分組成，如圖3所示。每個(gè)分機(jī)做成抽屜的形式可向外拉出，便于維修和檢測，具體改進(jìn)設(shè)計(jì)包括以下方面。

圖3 調(diào)制器柜結(jié)構(gòu)

1）高低壓隔離。由于柜內(nèi)有低壓控制電路及高壓充電回路，電壓相差大，高壓脈沖容易對(duì)低壓回響造成干擾。用屏蔽網(wǎng)將高壓與低壓部分隔離開來，同時(shí)加強(qiáng)高壓回路層間的可靠接觸，將整個(gè)柜體可靠接地。

2）加強(qiáng)冷卻。調(diào)制器柜內(nèi)有諸如IGBT、大功率電阻、高頻變壓器等功率器件，其溫度系數(shù)決定整個(gè)設(shè)備的可靠性。對(duì)柜內(nèi)各層之間的隔板采用密目網(wǎng)孔設(shè)計(jì)，同時(shí)增加風(fēng)扇數(shù)量并合理布置位置，在上下層形成流通通道，使熱量迅速排到柜體外。對(duì)充電分機(jī)中發(fā)熱嚴(yán)重的IGBT等器件，緊貼其表面進(jìn)行水冷冷卻，以適應(yīng)CT系統(tǒng)對(duì)加速器長時(shí)間穩(wěn)定可靠工作的要求。

3）抗振性能設(shè)計(jì)。將直插式繼電器改為焊接在PCB板上的繼電器結(jié)構(gòu)，防止繼電器脫落；在斷路器上增加輔助觸點(diǎn)，斷路器跳閘時(shí)可在上位機(jī)給出提示；調(diào)制器柜內(nèi)元器件支架的底端和頂端均加以固定，同時(shí)將電阻、硅堆的固定方式由C型槽改為O型槽；采用菲尼克斯重載連接器，可更好的防塵、防水、承受高機(jī)械應(yīng)力，有效進(jìn)行EMC防護(hù)，確保數(shù)據(jù)和信號(hào)安全傳輸。

4）數(shù)字化與信號(hào)隔離。加速器運(yùn)行參數(shù)由PLC模擬量輸入模塊采集后通過自由口通訊傳送至上位機(jī)。對(duì)于取自高壓側(cè)的槍平均電流和管平均電流信號(hào)，當(dāng)機(jī)頭內(nèi)出現(xiàn)打火等異常放電的情況時(shí)，會(huì)出現(xiàn)干擾PLC信號(hào)采集甚至損壞PLC的情況，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。采用基于壓頻-頻壓轉(zhuǎn)換結(jié)合光耦隔離的方式[1]，將信號(hào)高壓地與PLC控制地隔離，原理框圖如圖4所示。首先對(duì)取自高壓側(cè)的電壓信號(hào)進(jìn)過濾波，通過AD654將電壓信號(hào)線性的轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，經(jīng)過光耦進(jìn)行隔離后，通過LM331再將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最后進(jìn)入PLC模擬量采集模塊采集處理。

圖4 壓頻-頻壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)框圖

1.3 前準(zhǔn)直器

由四個(gè)可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的鎢塊及其控制系統(tǒng)組成，通過鎢門張角變化來改變X射線的照射視野，以滿足CT系統(tǒng)線陣或面陣探測器的成像需求。外層鎢塊可水平運(yùn)動(dòng)，內(nèi)層鎢塊可垂直運(yùn)動(dòng)，垂直、水平方向單向張角均不小于10°，定位精度：±0.2°。使用4個(gè)電機(jī)，分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)4個(gè)鎢塊運(yùn)動(dòng)。為便于操作，鎢門控制分為近控和遠(yuǎn)控兩種方式，近控角度顯示和啟停按鈕位于鎢門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；遠(yuǎn)控是將鎢門的角度信號(hào)由PLC采集并發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示，啟停及角度命令由上位機(jī)發(fā)出，通過控制繼電器來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖5所示。

圖5 鎢門內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖

2 逆變串聯(lián)諧振充電技術(shù)設(shè)計(jì)

調(diào)制器柜采用逆變串聯(lián)諧振原理進(jìn)行充電，可提高充電精度、充電速度，為整機(jī)提供高精度脈沖高壓，保證劑量率穩(wěn)定性。該方案取消DQ變壓器及其控制電路、調(diào)壓器及主變壓器，使整機(jī)尺寸進(jìn)一步減小。主要包括三相全橋整流濾波電路、IGBT全橋逆變電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、充電控制與保護(hù)電路、LC串聯(lián)諧振電路、高頻升壓變壓器等部分。工作原理是將工頻380V電壓整流后，通過IGBT組成的H橋逆變電路變?yōu)楦哳l交流電，LC串聯(lián)諧振，然后通過高頻變壓器升壓至合適的電壓，最后整流為直流高壓對(duì)仿真線進(jìn)行恒流充電。串聯(lián)諧振充電采用方式，電流斷續(xù)工作，開通時(shí)電流緩慢增加，關(guān)斷時(shí)零電流關(guān)斷，開關(guān)損耗低且干擾小。主回路原理如圖6所示。

圖6 調(diào)制器主回路原理圖

主回路使用英飛凌FF450R12ME4型IGBT。驅(qū)動(dòng)電路采用2SP0115T型帶電氣接口的雙通道驅(qū)動(dòng)器，它是由CONCEPT研發(fā)的高集成度SCALE-2芯片組成，具有開關(guān)損耗小，門級(jí)鉗位、關(guān)斷過壓保護(hù)、短路保護(hù)等功能，適用于IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)和安全工作[2]。充電控制的核心是TL494脈沖調(diào)制集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部電路如圖7所示?？僧a(chǎn)生兩路相差180°的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT。脈沖頻率由f=1/RC的鋸齒波信號(hào)確定。調(diào)整死區(qū)時(shí)間電壓值可改變兩路信號(hào)間的死區(qū)時(shí)間，超過3.3V死區(qū)時(shí)間占比100%，即沒有脈沖輸出（封脈沖）。調(diào)整3腳電壓值可改變脈沖信號(hào)的寬度，每個(gè)充電周期的后期通過適當(dāng)減小脈沖占空比來進(jìn)行慢沖，可提高充電精度[3]。

圖7 TL494內(nèi)部及外圍電路圖

諧振電流如圖8所示，包括快充和慢充兩部分，單脈沖充電時(shí)間為2.6ms左右，諧振頻率為30kHz左右，滿足加速器重復(fù)頻率在50～250Hz時(shí)的充電要求。

圖8 諧振電流及局部圖

3 PLC控制及通訊程序設(shè)計(jì)

加速器的運(yùn)行控制和連鎖保護(hù)是由PLC實(shí)現(xiàn)的。PLC要滿足加速器在通電、待機(jī)、開機(jī)、準(zhǔn)備好、出束、停束的運(yùn)行過程中所必須滿足的連鎖要求，并按一定的流程給出控制信號(hào)，通過控制相應(yīng)的繼電器輸出，啟動(dòng)或停止相應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)加速器的正常運(yùn)行。

加速器PLC通過自由口與CT控制計(jì)算機(jī)通信，將加速器的工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、故障代碼及鎢門開合角度等信息定時(shí)發(fā)送到CT控制計(jì)算機(jī)，由CT控制計(jì)算機(jī)主界面進(jìn)行顯示；加速器PLC不定時(shí)接收來自CT控制計(jì)算機(jī)的加速器操作、鎢門角度開合等控制命令。接收和發(fā)送均采用中斷的方式完成，加速器每0.5秒進(jìn)入一次發(fā)送中斷，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)接收來自上位機(jī)的命令時(shí)，由于接收中斷優(yōu)先級(jí)高于發(fā)送中斷[4]，PLC進(jìn)入接收中斷開始接收命令，判斷接收完成則跳出中斷繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)接收，流程圖如圖9所示。

圖9 PLC通訊程序流程圖

4 驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

加速器在設(shè)計(jì)、調(diào)試完成后進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1）指標(biāo)測試。包括電子束能量、最大劑量率、焦點(diǎn)、均勻性、不對(duì)稱性、劑量率穩(wěn)定性、2小時(shí)滿功率工作可靠性等指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果滿足技術(shù)協(xié)議要求。

2）車載振動(dòng)試驗(yàn)。找到振動(dòng)幅度較大的薄弱位置，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，使得薄弱位置的抗振性能得到改善，從而確保加速器經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)輸過程后可以隨時(shí)穩(wěn)定可靠的使用。

3）24小時(shí)低溫試驗(yàn)。檢驗(yàn)加速管、磁控管、閘流管等關(guān)鍵部件的可承受的溫度范圍，并檢驗(yàn)使用防凍液替代蒸餾水作為循環(huán)冷卻液的可行性，確保加速器在惡劣環(huán)境溫度下可以正常使用。

5 結(jié)束語

車載工業(yè)CT系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、檢測效率高，不需固定探傷室，可機(jī)動(dòng)至待測工件貯存場所，實(shí)現(xiàn)靠前檢測，是工業(yè)CT檢測系統(tǒng)由固定式向機(jī)動(dòng)式轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志。作為車載工業(yè)CT系統(tǒng)核心部件之一的射線源，車載加速器又決定了整個(gè)CT系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。該項(xiàng)目的研制成功，增強(qiáng)了工業(yè)CT應(yīng)用領(lǐng)域的競爭實(shí)力，提升了加速器相關(guān)技術(shù)的裝備水平，填補(bǔ)了國內(nèi)同行業(yè)應(yīng)用的空白，也為加速器在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和市場推廣打下了良好的基礎(chǔ)。