双能级X射线源高压源的总体设计以及实验研究

杨刚++吴文杰

摘要： 本文设计了一种双能级X射线源高压模块发生控制模块方案。本系统主要包括倍压整流模块，控制模块，高压检测模块，等几个主要部分，主控芯片采用STM32系列芯片，实现了射线源的实时化，精确化控制。其设计突破了传统单能级X射线探测只能从原子序数识别探测物质的局限性，采用两个能级X射线配合探测使用从原子序数与密度双向进行物质探测，提高了对未知介质识别的精度和准确度。

关键词：双能级X射线；控制设计；穿透试验

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）04-0250-01

砂体识别在治砂，防砂以及提高油井原油产率方面具有十分重要的意义。井下防砂层中需要进行砾石填充，砾石大小的选择是十分关键的，既要挡住油层圈闭中的砂体，又要有足够的空隙让原油流出，使其达到防砂的目的。在油田现场往往需要进行井下砂体的识别，进而选择需要填充的砾石。本文正式是利用双能级X射线探测物质的原理，利用X射线穿透物体后产生的衰减效应来对物质进行定性的探究。X射线高压源是X射线激发乃至探测额重要组成部分，本文正是基于此设计研究了在油田砂体识别中应用的X射线高压发生源方案。

1 双能级发射源总体硬件设计

X射线发射源主要有高压源发生模块和控制模块组成。总体框图如图1所示。高压源发生模块的主要工作原理是：先将工频电源整流滤波成平滑直流，经Buck型电路变成低压直流；谐振逆变电路再把直流变成频率为几kHz至几十kHz的低压交流电，然后供给脉冲升压变压器初级，变压器次级输出高压交流电；再经过倍压整流电路，变成我们所需要的激发X射线的高压直流电。

高压源控制模块包括高压采样电路、温度监测电路和控制驱动单元。通过高压检测电路对检测电阻上的电压进行检测采样，将采样值输入到控制驱动单元，控制驱动单元根据反馈输入进行相应的计算、处理，输出不同占空比的PWM波，作用于Buck型电路和谐振逆变电路，使输出高压趋于稳定。同时温度监测电路监测X射线管工作时温度，并显示其值。

因为本文采用双能级射线的方法进行介质识别，故在射线源部分需要形成一高一低两种能级X射线搭配使用。本文采取低能级用50KV的高压去激发，高能级采用80KV以上的高压去激发，采用PWM模式控制方式进行稳压，并对X射线管温度进行实时监测，从而保证射线源安全有效地工作。

2 实验探究

基于以上方案設计，本文研究出了特定的X射线源高压产生和控制器件，配合灯丝电流源，可以利用X射线管激发产生X射线，通过穿透砂体的实验以验证此设计和控制方案的可行性和有效性。本设计正是基于此利用序言所描述的环境，对双能级高压源的砂体穿透能力进行了验证，具体实验如下：

图2所示为：低能级X射线透过两种不同厚度的细砂后，经探测处理得到的能谱图。图3所示为：高低双能级X射线穿透12mm细砂后，经探测处理得到的能谱图。其中横坐标道址对应接收到的光子的能量，探测器将光子的能量转变成对应的电信号，再经调理、AD转换变换成相应的道址。纵坐标表示接收到一定的道址的光子数目，即同一能量的光子数目。由图可知：对于某种物质，接收到的射线能量与物体厚度和入射线能量有关。物体厚度越大，衰减越严重，接收到的射线能量越小；入射线能量越高，透过物体后的射线能量也越高。

3 总结

本文设计研究了一种双能级X射线发生的高压电源部分的产生和控制方案，并在后端利用砂体穿透实验检验了设计方案的可行性。还需要改进方案使产生的X射线更为稳定，此外还要融入温度反馈检测，冷却保护，PWM控制，反馈补偿机制以提高发射源的安全稳定使用性以及辐射剂量的最优化设计，以减少对工作人员的辐射伤害。

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