高效多功能高压综合试验台的研制与应用

佟云福，赵文军，王维明，于 江，谭 宁，马柱超

高效多功能高压综合试验台的研制与应用

佟云福，赵文军，王维明，于 江，谭 宁，马柱超

目的：研制一种高效多功能高压综合试验台，用以解决X线设备的专业维修技术问题，实现各种待测X线球管曝光试验及检测、维修、校准。方法：根据X线机的工作原理、维修实践和专业维修特点，设计集X线球管检测、高压发生器检测、绝缘油耐压试验与焦点校准装置等于一体的综合检测设备，基本结构包括电源电路、高压调节电路、高压控制电路、保护电路、灯丝稳压及调节电路、旋转阳极启动电路（低速和高速）、电动控制器电路、测量显示电路等。结果：该高压综合试验台测试功能多、性能可靠、功耗低、设备安全稳定，可为检测、维修提供依据。结论：该高压综合试验台可满足多型号X线设备的高压部分试验与维修需求，方便快捷地查明故障原因及故障部位，大大地提高了检测和维修的效率。

高压试验台；X线；专业维修

0 引言

X线球管和高压发生器是X线机、计算机X线摄影（computed radiography，CR）机、数字化X线摄影（digital radiography，DR）机、电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）机的重要组成部分，属于消耗性和易损配件，价格比较昂贵，维修技术复杂，要求检测维修的条件和环境非常高。因此，高压部分一旦出现故障，没有专用试验检测设备是无法判断和解决的。这在平时会影响医院整体经济效益，在战时会影响伤病员的救治，使部队非战斗减员，影响能打仗、打胜仗的总要求。目前，国内还没有现成的专业检测设备可供使用，满足不了国内外各厂商、多型号X线设备维修的专业需求。根据X线机的工作原理、维修实践和专业维修特点，经探索研究，研制出高效多功能高压综合试验台作为检测设备。其特点是：测试功能多、性能可靠，体积小、功率大、操作简单，能够满足现场维修，既适用于平时，也适用于战时，在设备计量检测、检修以及教学示教过程中具有重要的应用价值。

1 基本结构

高效多功能高压综合试验台是集X线球管检测、高压发生器检测、绝缘油耐压试验与焦点校准装置等于一体的综合检测设备。如图1所示，其基本结构包括电源电路、高压调节电路、高压控制电路、保护电路、灯丝稳压及调节电路、旋转阳极启动电路（低速和高速）、电动控制器电路、测量显示电路等，都集中在控制台内部，即主机。高压发生器为自制变压器，变压比为190 V∶100 kV，功率为5 kW。绝缘油耐压试验装置为自制，按国家油压耐压试验检测标准制作。焦点校准装置亦为自制，称之为准直器。

图1 高效多功能高压综合试验台工作流程

2 功能设计

控制器控制高压发生器输出高压的时刻（s），可控制高压发生器输出高压的上升与降低（kV）、灯丝电流（A）和管电流（mA）的大小。高压发生器是产生X线的能源来源，一方面提供X线球管所需的高压电场，另一方面供给X线球管以灯丝加热电流[1]。旋转阳极启动电路控制旋转阳极启动运转的时刻，测试旋转阳极的转速是否正常。过载保护装置对过压、过流超负荷起到保护作用，从而保护被测X线球管和其他附属配件的安全，同时也对人身安全起到保护作用。高压初级控制为低压控制，即0～250 V。调压器的功率为5 kW，区别于X线机自耦变压器（45～120 kV）电动调节。高压发生器输出直流高压0～150 kV。灯丝稳压器为磁饱合稳压器，具有结构简单、稳压效率高、输出功率大、工作可靠、不怕过载等优点。另外，根据各国内外厂商所使用的电源标准，在设计上，增加了交流和直流可调电源，针对低压部分的维修，设计可输出多路稳定直流电源。显示和照明部分全部由发光二极管组成。

3 工作原理

X线球管的作用是通过加在X线球管阳阴极之间的高压，首先产生电子，再给电子赋予极高的速度，使它撞击金属原子以激发X线。根据此原理，X线球管需要的是直流高压，因而需有高压整流装置[2]，使电子加速，高压发生装置提供这个高压。在高压发生器中加一套整流装置，用半导体硅整流组成桥式整流，将交流高压变为直流高压，必要时加高压电容滤波，使波形趋于平坦、平稳，再供X线球管使用。加于X线球管两端的高电压阳极供给正电，阴极供给负电，调节范围广、输出稳定，且设置有安全保护电路。

4 重点解决问题

高效多功能高压综合试验台的研制需重点解决的问题包括：（1）对X线机、CR机、DR机、CT机的X线球管进行高低压试验与检测，并能够实施X线球管更换、检修，球管真空度检测及焦点校准。（2）高压发生器检修及高压绝缘油耐压试验。（3）判定高压电缆高压击穿位置，进行维修或更换。（4）球管旋转阳极启动运转转速测试，判定旋转阳极轴承磨损状况。（5）设备的部分低压试验。（6）能满足各型号X线球管检测与维修需要。

5 功能测试与试验

5.1 X线球管外观的检查

玻璃壁不应有小于0.1 mm的气泡，且决不容许在放射窗口附近。

5.2 灯丝检查

主要检测灯丝发光性能与该管的灯丝发光特性曲线。灯丝通电试验按特性曲线调试，具体的操作方法是将X线球管灯丝与电路连接，横坐标为灯丝电流，纵坐标为灯丝电压，2条曲线为一定的灯丝电压对应一定的灯丝电流。

灯丝发射特性曲线如图2所示，以XD51-20.40/ 125球管为例，当焦点是2 mm×2 mm，灯丝电流为4.5 A时，灯丝电压8.2 V[3]。注意：在检查测试中一定要逐渐地提高灯丝电流或电压，决不能一下调到该X线球管灯丝规格的最大值。同时在调至X线球管规格的最大值时，要尽可能缩短观察的时间，在检查中如发现灯丝电压已达到最大值，但电流却很小，说明灯丝内部有接触不良之处；如灯丝电压很低而电流已经达到很大值，此时应停止继续提高电压，看其电流是否慢慢下降，如果不再下降，则说明X线球管真空度不良。

图2 灯丝发射特性曲线

5.3 X线球管的真空度检测与检验

X线球管内气体压力必须维持在自发电离气压下，才能使电子在由阴极飞向阳极的过程中不受阻碍。否则会造成管内气体放电，X线球管将不能正常工作。一般X线球管的真空度为-709.1～-607.8 kPa。X线球管阳极靶面为纯钨，在2 700℃时钨颗粒达到1 μm，在3 000℃时约为1.5 μm，在4 727℃时（钨的沸点）其蒸发压力可达101.3 kPa，所以X线球管使用时要保持焦点面的温度在2 600℃以下，只要不超载使用就不至于蒸发，破坏其真空度，这是检验X线球管质量极其重要的环节。质量良好的X线球管安装在机器上或置于高压试验中，管内不应有气体电离亮点（即管内不应产生蓝色辉光），按其真空度不良的程度分为：（1）轻度真空不良：将X线球管装在试验台上进行高压试验，X线球管灯丝不亮，将高压加到X线球管的阴极和阳极的两端进行冷高压试验[4]。当管电压提高至该管最高电压的40%时，管子的两端有蓝色的辉光呈环形，辉光的区域将随管电压增加而扩大，作透视是可以的，但作普通摄影时影响摄影质量，在其他X线设备上将无法使用。（2）严重真空度不良：在较低的试验高压下，整个X线球管玻璃内充满辉光，初级电流增大，试验台过载保护，此时X线球管完全失效[5]。（3）冷高压试验时，试验电压达到该X线球管最高电压的50%～60%时，偶然发现有几次闪光现象，这是由于X线球管长时间不使用金属气体逸出，一般是允许的。（4）X线球管在冷高压试验中，没有出现任何发光现象，但是在负载高压下，往往在阳极端出现荧光。当遇到这种情况时，可作如下试验：将管电流固定在2 mA，将管电压调到30 kV，这时观察管内荧光的亮度，然后再将管电压调到该管最高值的95%，再来观察管内的荧光亮度，显然比30 kV时荧光亮度要暗的多。这种现象并不是真空度不良，而是X线球管的阳极为防止反射电子装置不良，反射电子打到玻璃壁上所致。玻璃上产生荧光的颜色取决于玻璃的材料，如钙质玻璃为绿色，含锰质玻璃为紫色，含硼质玻璃为蓝色，也有浅黄色[6]。

5.4 高压绝缘油的试验

（1）变压器油的主要功能是冷却和绝缘，因此，变压器油必须纯净，不起其他化学作用，黏度低、绝缘强度高、着火点高、化学性质稳定、挥发性小、比热大。

（2）变压器油中含有水分，就会大大降低绝缘性能。在油中含有0.03%水分时，油的绝缘能力就会降低25%左右。

试验方法：如图3所示，取一试油杯，杯中有2个铜质电极，极间距离2.5 mm。试验前将试油杯用乙醚四氯化碳冲洗洁净，然后将测试油慢慢地倒入试油杯中，静止10 min使之不产生气泡，接入高效多功能高压综合试验台的高压输出端进行试验，试验电压慢慢升高，当极间发生电弧时就是油的耐压值。试验台中装有自动过载开关，电路中有较大击穿电流通过，使其过载开关自动跳开，切断电源电路。试验重复5次，每次击穿后应停止5 min，以平均数作为待测油的耐压强度。如果在试验中油的耐压逐次提高，则表明油内含有水分；如果在击穿试验中油的耐压逐次降低，则表明油内没有水分，这种耐压降低现象是由油被击穿时炭化或油内杂质所致。

图3 耐压试验装置平面图（单位：mm）

（3）用于组合机头X线球管、CT球管的油的耐压平均数要高于60 kV，用于普通X线球管和高压发生器的油耐压高于50 kV，用于高频高压变压器的油耐压要高于60 kV，且在真空注油情况下进行。对于不合格的变压器油都应该通过高压加热真空滤油机去除水分和杂质。

5.5 高压电缆故障部位测试判断

高压电缆是高压发生器和X线球管的连线，用它来传输X线球管管电压（高压）和X线球管灯丝的加热电压（低压）。高压电缆击穿多发生在电缆插头的根部，也有的在电缆中部击穿，可能由以下原因造成：

（1）电缆本身质量问题。电缆绝缘层含有气泡，气泡与绝缘橡胶的介电常数差别较大（空气的介电常数为1，而橡胶的介电常数为2.95）。高压在介质上分布不均匀，使大部分外加电压集中在介电常数的气泡上，则电流也随之而增加[7]。当电压增至一定程度后，电流达到饱和状态，在超过限定电压后则电流突然增加，即为空气游离点；在空气离子化后，则介质绝缘强度受到损伤以致击穿。

（2）变压电缆逐渐老化，其主要原因是紫外线照射、氧化、受热、机械强度、弹性、深浅不同出现裂痕，丧失一定的绝缘能力。

5.6 球管焦点的测试

球管焦点的测试是X线球管安装、维修、调试的关键，关系到X线输出的强度和计量的准确性，直接影响显示图像和胶片图像的质量。将被测球管管芯取出，清除管芯及管套积碳，用乙醚或95%的酒精擦洗干净，然后用变压器油清洗，组装好球管，用准直器对球管焦点进行校准[8-9]。

准直器的机械规格尺寸如图4所示。准直器置于球管窗口中心位置，中心针孔直径为0.5 mm，连接于高压试验台。高压加至25～28 kV，管电流2～3 mA，在不注油情况下边调整边加高压，调整球管轴向和横向位置，使球管中心X线通过准直器针孔径直射向荧光屏同心圆中心，直径5 mm范围内，这样校准的X线球管安装到设备上，焦点中心都是准直的，其辐射场强、均匀，且散射线少、成像质量高。

6 结语

高效多功能高压综合试验台的研制与应用，解决了医疗卫生机构诊断X线机、CT机、CR机、DR机高压部分，即X线球管和高压发生器检测与维修的关键技术，为设备检测和计量提供了良好的依据。另外，有针对性地设计了多种测试功能，为设备的其他部分维修提供了便利。同时也为维修工程技术人员提供了设备正常运行的技术支持，节约了大量的维修经费，产生了附加经济效益和社会效益。但也存在一些问题：对于高频高压发生器还不能直接检测，还需要利用工频铁芯检测高频高压发生器的高压线圈，需通过中间转换的过程。另外，高效多功能高压综合试验台的自动化、数字化程度以及设备的测量精确度还需要进一步提升，确保在以后的应用工作中发挥其有效性和实效性。

图4 准直器（单位：mm）

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（收稿：2014-09-13 修回：2014-12-14）

3 使用注意事项

（1）本照明系统发光强度较高，请勿用肉眼近距离直视光源；

（2）请勿在短时间内频繁开关系统，防止对单片机及LED芯片造成损坏；

（3）长期不使用时应断开电源；

（4）确保电源可靠接地。

4 结语

本次设计采用多颗特制的RGB-LED混光合成白光的方法，以AT89S51型单片机为核心处理器，通过改变PWM信号脉宽大小控制N沟道功率场效应管的导通和关断，进而实现对R、G、B 3色LED光源的光强度数字化调控。经测试，本系统发光效率高、功耗低、照明效果好，较好地解决了传统光源存在的不足。

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（收稿：2014-09-06 修回：2015-04-06）

Development and application of high-efficiency multifunctional high-voltage integrated test table

TONG Yun-fu,ZHAO Wen-jun,WANG Wei-ming,YU Jiang,TAN Ning,MA Zhu-chao
(Institute of Drug and Instrument Control,Department of Joint Logistics of Shenyang Military Area Command,Shenyang 110026,China)

ObjectiveTo develop a high-efficiency multifunctional high-voltage integrated test table to facilitate the exposure experiment,detection,maintenance and calibration of the X-ray tube.MethodsThe test table had the functions of X-ray tube detection,high voltage generator test,insulation oil withstanding test and focal point calibration,and was composed of the power cuicuit,high voltage regulation circuit,high voltage control circuit,protective circuit,filament voltage stablizing and control circuit,low-and high-speed rotating anoed starting circuit,electromotive controller circuit,measuring and display circuit and etc.ResultsThe test table had multi functions,high reliability,low power consumption and high stability.ConclusionThe table can be used for the test and maintenance of the high-voltage components of multi types of X-ray equipment,and facilitates the determination of the fault causes and sites.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：35-38]

high-voltage test table;X-ray;professional maintenance

R318；R197.39

A

1003-8868（2015）08-0035-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.035

佟云福（1960—），男，主任，高级工程师，主要从事医疗卫生装备检测与维修方面的研究工作。

110026沈阳，沈阳军区联勤部药品仪器检验所（佟云福，赵文军，王维明，于 江，谭 宁，马柱超）