張偉 周洪軍 陳樹軍

摘? 要：在醫(yī)學和工業(yè)等領域，X射線發(fā)揮至關重要的作用，尤其是在工業(yè)領域，使用X射線管改變傳統(tǒng)工頻整流高壓電源形式，一方面縮小射線管的電源體積，提高功率以及射線穩(wěn)定性，另一方面有效節(jié)約供電資源，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。本文圍繞X射線管高壓電源設計及穩(wěn)壓控制方法展開討論，設計包括高壓電源軟件結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)以及燈絲電流源電路與直流高壓，通過設計可以提高電壓穩(wěn)定性。

關鍵詞：X射線管? 高壓電源設計? 穩(wěn)壓控制方向? 方法研究

中圖分類號：TN144? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（b）-0093-03

Abstract： In the fields of medicine and industry， X-ray plays an important role， especially in the industrial field. Using X-ray tube to change the form of traditional power frequency rectifier high-voltage power supply， on the one hand， reduce the power volume of the ray tube， improve the power and ray stability， on the other hand， effectively save power supply resources and create good economic benefits. This paper focuses on the design of X-ray tube high-voltage power supply and voltage stabilizing control method. The design includes the software structure， hardware structure of high-voltage power supply， filament current source circuit and DC high-voltage. Through the design， the voltage stability can be improved.

Key Words： X-ray tube;Design of high voltage power supply;Stabilized voltage control direction;Method study

使用X射線過程中，利用X射線的穿透性能力，可以獲取照射物體的相關信息。X射線具備的穿透能力，主要是X射線產(chǎn)生較短的波長，并且在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的能量，即便被照射物體表面吸收，仍能利用產(chǎn)生的能量獲取物質(zhì)密度的相關信息。但是X射線波長較長，會產(chǎn)生較小的光子能量，從而降低穿透能力。利用X射線的穿透能力，制作成X射線測量儀器，應用在高壓電場中，將電壓控制在穩(wěn)定的狀態(tài)。

1? 高壓電源結(jié)構(gòu)設計

1.1 高壓電源軟件結(jié)構(gòu)設計

在高壓電源結(jié)構(gòu)設計中，高壓電源軟甲結(jié)構(gòu)設計是重要的組成部分，軟件可以操控高壓電源的運行狀態(tài)，保證高壓電源正常的運行。在高壓電源軟件結(jié)構(gòu)設計過程中，要求設計人員必須按照以下流程進行：（1），通過主程序暫停所有系統(tǒng)的操作，并在暫停的同時，中斷系統(tǒng)中CPU的運行;（2），將系統(tǒng)調(diào)整至初始化運行狀態(tài)，初始狀態(tài)包括多種構(gòu)件分別為DSP時鐘、I/O口、控制器P壓、定時器、ACD模塊以及總線模塊。

1.2 高壓電源硬件結(jié)構(gòu)設計

在高壓電源硬件結(jié)構(gòu)設計過程中，通過設計進一步提升系統(tǒng)的控制板的運行能力。在設計控制板過程中，使用WTI公司生產(chǎn)的型號為TMS320F2812控制板，在該控制板內(nèi)，含有多種控制硬件，分別為逆變諧振電路、高頻變壓器、倍壓整流電路、遠端控制電路以及燈絲電流源電路。此外在控制板內(nèi)，還會設有DSP系統(tǒng)，作為控制板內(nèi)最小的系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)裝配多種電路硬件，包括供電電路、復位電路、時鐘電路以及啟動選擇電路。在控制電路中會設置TL494電芯，該電芯可以控制全橋逆變電路產(chǎn)生的信號，使產(chǎn)生的信號輸入到直流電壓裝置中，通過裝置產(chǎn)生離頻方波電壓，電壓將電流輸送到并聯(lián)諧振電路內(nèi)，電路內(nèi)原有的信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎倚盘?，在正弦信號的作用下，高壓結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生數(shù)倍的電壓和電流。

1.3 燈絲電流源電路與直流高壓

燈絲電流源電路與直流高壓設計過程中，基于電路的設計原理，利用電流源電流可以控制低壓電源。但是在電壓進入到逆變電路后，會由高壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪海拍軐㈦妷褐苯幼饔迷跓艚z。

2? 高壓電源穩(wěn)巧控制回路先進控制方法

在本高壓電源系統(tǒng)設計過程中，通過設置可切換的功率開關，系統(tǒng)在功率開關變化過程中，使系統(tǒng)具有可變化特點。為提升系統(tǒng)的可變化控制能力，在系統(tǒng)內(nèi)配置滑膜結(jié)構(gòu)，滑膜結(jié)構(gòu)具備控制能力，使系統(tǒng)在變化過程中更加穩(wěn)定。通過配置滑膜結(jié)構(gòu)，使高壓電源具備穩(wěn)巧控制回路的功能。

滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法，是由前蘇聯(lián)學者在20世紀60年代提出的，作為一種FWI方法應用在滑膜變結(jié)構(gòu)中，從而精準控制結(jié)構(gòu)的變化?；ぷ兘Y(jié)構(gòu)在控制過程中，采用非線性控制方法，致使控制過程出現(xiàn)非連續(xù)情況，在非連續(xù)情況的狀態(tài)下，開關通過系統(tǒng)的控制，會在限定的條件下出現(xiàn)高頻率的上下運動，但是運動幅度控制在有限的范圍內(nèi)，展示出開關具有滑膜運動特點。在滑膜變結(jié)構(gòu)設計過程中，無需考慮設定的參數(shù)以及外界擾動產(chǎn)生的影響。

2.1 滑動模態(tài)的存在性

滑動模態(tài)的存在性體現(xiàn)在以下幾個方面，結(jié)合下圖1可知：（1）在系統(tǒng)運動過程中，運動至S=0區(qū)域內(nèi)，將A點作為起始點，此時S大于0，并且切換面處于分離狀態(tài);（2）在系統(tǒng)運動至B點時，將B點作為終止點，此時S會小于0;（3）在系統(tǒng)運動至C點時，系統(tǒng)處于切換面S=0區(qū)域內(nèi)，此時區(qū)域內(nèi)所有的點進行滑膜運動，并且在滑膜運動時，C點作為終止點具有強迫和吸引的特點，使系統(tǒng)在直線運動時，可以保持動態(tài)變化狀態(tài)。

2.2 滑動模態(tài)的可達性

假設系統(tǒng)的初始點原理S=0區(qū)域，將初始點設為X，在空間內(nèi)的任意位置作為初始位置，應將空間內(nèi)滑動系統(tǒng)運動區(qū)域設定在S=0區(qū)域內(nèi)，同時在限定的時間內(nèi)，要求系統(tǒng)必須在切換面內(nèi)，利用可達性條件，使滑膜系統(tǒng)保持在運動狀態(tài)。結(jié)合滑動模態(tài)的可達性要求，如果S小于等于0時，此時空間內(nèi)的任意位置的滑動點，應接近S=0的區(qū)域，將該條件設定為廣義滑動模態(tài)。在該條件下系統(tǒng)運動過程中，系統(tǒng)處于廣義滑膜運動狀態(tài)。系統(tǒng)在運動過程中，根據(jù)廣義滑膜條件，可以滿足滑動模態(tài)的可達性要求。

2.3 穩(wěn)定性

系統(tǒng)處于運動狀態(tài)時，在滑動模態(tài)區(qū)域內(nèi)保持滑膜運動狀態(tài)，需要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，才能提高系統(tǒng)的運行能力。此外在反饋控制系統(tǒng)運動過程中，保持在滑動運行狀態(tài)，應將滑動面的驅(qū)動軌線貼近平衡點，在平衡點位置系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力。在提高系統(tǒng)穩(wěn)定運行能力過程中，應根據(jù)雅克比矩陣的特征值，將系統(tǒng)內(nèi)的實部部分用于切換面的交換過程，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運行。

2.4 抖振問題

在滑膜運動過程中，使滑膜處于理想的運動狀態(tài)，防止滑膜運動時出現(xiàn)抖振問題，應將系統(tǒng)保持在切面S=0的運動狀態(tài)。如果S=0區(qū)域內(nèi)滿足無限大功率切換條件，可以消除不利因素引發(fā)的抖振情況。但是在系統(tǒng)實際運行過程中，滑膜在運動時，會受到工作頻率的影響，一方面滯后切換開關的運行時間，導致系統(tǒng)軌道在進入到滑膜面以后，滑膜無法進行有效的運動，另一方面在滑膜運動過程中，滑膜面會出現(xiàn)小幅度的振蕩，在振蕩作用下，系統(tǒng)會出現(xiàn)抖振問題。為避免系統(tǒng)出現(xiàn)抖振情況，通常采用滯環(huán)的方式，控制開關的運動頻率。

3? 結(jié)語

綜上所述，在高壓電源設計過程中，增強高壓電源的穩(wěn)定運行能力，需要將X射線應用在高壓電源裝置中，利用X射線的穿透能力，控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提升系統(tǒng)穩(wěn)定運行能力，從而有效控制電源電壓。

參考文獻

[1] 溫紀彥.X射線管高壓電源控制系統(tǒng)的設計及高壓電源紋波的測量[D].沈陽：沈陽師范大學，2015.

[2] 彭享，葉兵，朱旗，等.一種高壓脈沖電源設計[J].合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2017，40（11）：1511-1514.

[3] 黃凱，酈文忠，熊鐵軍，等.淺談蒙特卡羅算法在X射線特性研究中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（7）：162-163.

[4] 吳麗娟，侯博鋒，孟德川，等.中子射線管離子源2kV高壓脈沖電源的研制[J].沈陽師范大學學報：自然科學版，2017（3）：339-343.

[5] 鮑亮.基于X射線成像系統(tǒng)的脈寬可調(diào)脈沖高壓電源研究[J].電子世界，2018（4）：131-134.

[6] 國家罡.中子管脈沖高壓電源設計研究[J].科技創(chuàng)新導報，2020，17（6）：75，77.

[7] 賈國強.X射線管高壓電源設計及穩(wěn)壓控制方法研究[D].沈陽：東北大學，2013.

[8] 盧東東，顧金良，羅紅娥.彈丸初速測量系統(tǒng)X射線管高壓電源的研究[J].電子測量技術，2017，40（2）：182-186.

[9] 蒲永凡.基于DSP的X射線管用350kV直流高壓電源的研制[D].蘭州：蘭州大學，2018.

[10] 孫世君，高友，孫仁濤.基于X射線儀器的高壓電源設計[J].儀表技術與傳感器，2008（10）：98-99，108.

[11] 王宗華，盛興，王瑞海.大功率X光管測試電源的設計及應用[J].真空電子技術，2015（1）：30-32，35.

[12] 劉哲.X射線透射式綠色通道檢測系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[13] 凌海波，陳躍東，張明.用于X射線測厚儀的高壓直流電源的設計[J].四川理工學院學報：自然科學版，2013，26（6）：33-36.

[14] 汪光陽，楊濤，羅進，等.應用于X射線測厚技術的高壓直流電源的研制[J].電源技術，2012，36（5）：699-703.

[15] 邱慧穎.X射線定向儀高壓電源的設計[D].沈陽：沈陽師范大學，2020.

[16] 李晟棟，鄧玉福，常嘯，邱慧穎，于桂英.X射線熒光光譜儀高壓電源保護電路的設計[J].信息通信，2018（12）：64-65.

[17] 董文宇.X射線管用直流高壓電源的設計[D].大連：大連理工大學，2014.

[18] 張憲軍，王梓，丁佳偉，郝利國.一種X射線機高頻高壓電源的設計[J].中國醫(yī)學裝備，2019，16（4）：1-3.

[19] 郭文康.X射線高頻高壓電源設計與仿真[D].西安：西安電子科技大學，2012.