劉 琦 王海濤 陳海生 王仁波

1（東華理工大學核技術應用教育部工程研究中心 南昌 330013）

2（泛華檢測技術有限公司 南昌 330013）

電子感應加速器［1］是通過變化的磁場感應出渦旋電場，利用渦旋電場對電子進行加速。小型電子感應加速器具有體積小、重量輕、操作簡單、直接風冷等優(yōu)勢，可以很好地應用于集裝箱貨柜安檢、工業(yè)無損檢測等領域［2］。小型電子感應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進行加速。熱陰極電子槍燈絲的加熱方式有直熱式和間熱式［9］，由于小型電子感應加速器結構很緊湊，陰極材料為鎢絲，適合采用直接加熱方式工作。電子感應加速器所產生的輻射強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確性與穩(wěn)定性。

目前，核技術應用教育部工程研究中心聯(lián)合泛華檢測技術有限公司在國內率先研制了7.5 MeV的小型電子感應加速器，而國內并沒有相對應的配套燈絲電源。小型電子感應加速器需要收集加速管內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節(jié)燈絲的注入電子數(shù)量，本文針對小型電子感應加速器對注入電流的特殊控制要求，為加速器設計了燈絲電源，電源由燈絲占空比調節(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度為基礎。大量的電子感應加速器電子注入實驗和俘獲過程理論［12-14］指出，當電子感應加速器工作在最佳狀態(tài)時，加速器加速管內所形成的最大電荷與電子槍注入電流的大小具有直接關系。

在電子感應加速器中，被加速磁場俘獲的電子在加速管內進行加速，由電子槍注入到加速管內的電子數(shù)量太少，則加速器俘獲的電子數(shù)量很少，產生的輻射強度低；注入電子數(shù)量太多，則在加速管內部大量電子形成的空間電荷效應［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)量的關系如圖1所示。

圖1 注入電流與俘獲電流的關系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。在加速器調節(jié)過程中就應該使電子槍工作在該點上，使加速器處在一個最佳狀態(tài)，能夠產生最大的輻射強度。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度大的波動。為了保證加速器輻射強度穩(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，只有通過調節(jié)燈絲熱度可以使電子槍產生一個最佳的發(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，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。

本文通過調節(jié)燈絲電壓占空比來調節(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，燈絲電源的電路結構如圖2所示。

圖2 燈絲電源結構圖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)設定的注入電流值，輸出兩路脈沖寬度調制（Pulse-Width Modulation，PWM）信號，分別控制高側MOS（Metal Oxide Semiconductor）管工作和低側MOS管工作，通過高側MOS管和低側MOS管交替導通的方式，在隔離變壓器的次級輸出正負電壓脈沖到燈絲上，對燈絲進行加熱。在引出高壓脈沖的作用下，電子從燈絲上注入到加速管內部，一部分電子被加速器磁場俘獲進行加速，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運放調理后輸入到DSP的模擬數(shù)字轉換器中。DSP根據(jù)反饋回來的注入電流值，重新調整PWM信號的占空比，使燈絲上正負電壓脈沖的占空比跟著變化，從而調節(jié)燈絲熱度，改變燈絲注入電流值。經過上述調節(jié)過程，最終使反饋回來的注入電流值和最佳設定值趨于一致，從而保證電子槍發(fā)射電流保持在最佳工作點上。

2 電路設計

2.1 燈絲驅動電路設計

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

圖3中高側正電壓為+30 V，低側負電壓為-30 V，MOS管選用耐壓值為200 V的CMP40N 20B。

圖3 燈絲驅動電路Fig.3 Filament drive circuit

2.2 注入電流反饋回路設計

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，管壁和靶上都設有引出端，將電子引出到電容C1上，管壁上導電涂層的電阻與電容C1構成一個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)字轉換器中。DSP根據(jù)模數(shù)轉換后的值計算出相應的注入電流反饋值，與設定的輸入值相比較，通過調整兩路PWM信號IO_PWMA和IO_PWMB的占空比來調節(jié)燈絲發(fā)射電流。經過動態(tài)調整后，使注入電流反饋值和設定最佳值趨于一致。

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上形成的負電壓脈沖經過U1構成的反相比例電路后負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

用小型電子感應加速器加速管電子槍燈絲作為負載對本文研制的燈絲電源進行了測試，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 驅動波形測試

電子槍燈絲是通過PWM信號驅動，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信號頻率設定為1 kHz。在PWM信號占空比設定為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 燈絲驅動波形Fig.5 Filament driving waveform

從圖5可知，正負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

燈絲電源通過調節(jié)DSP輸出的PWM信號占空比來調整注入到加速管內部的電流，為獲取PWM信號占空比與注入電流的關系，分別設置占空比為30%、32%、34%、36%、38%和40%，并測量相對應的注入電流反饋值，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系Fig.7 Relationship between injection current and filament voltage duty cycle

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

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)量達到最大值，產生的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，對應的PWM信號占空比為36.8%。燈絲驅動電源產生的最大注入電流為1.6 A，對應的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。

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。由于加速器機頭采用的是強制風冷模式，加速器連續(xù)工作時間限制在10 min以內，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，標準差為0.279，相對標準偏差為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，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信號的占空比來調整燈絲發(fā)射電流的大小。經過實驗測試，燈絲注入電流與燈絲電壓占空比具有良好線性關系，通過調節(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。作為小型電子感應加速器的重要組成部分，該燈絲電源具有穩(wěn)定性好、調節(jié)范圍廣、體積小等優(yōu)點，相應的功能達到了小型電子感應加速器的要求，已應用在核技術應用教育部工程研究中心和泛華檢測技術有限公司聯(lián)合研制的7.5 MeV小型電子感應加速器上。

作者貢獻聲明劉琦：負責研究的提出及設計、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：負責技術指導；陳海生：負責實驗測試及結果驗證；王仁波：負責項目的監(jiān)督和管理。