电子直线加速器高可靠性自动频率控制电路分析

周赛丽

摘要

随着科技水平的不断发展，市面上出现了电子直线加速器，作为一种能够产生射线源的现代化射线装置，其被广泛的应用在医用电子直线加速器、集装箱检测、工业探伤、安检以及工业CT等多个领域。而本文主要是围绕医用电子直线加速器的高可靠性自动频率控制电路这方面内容进行分析和阐述。

【关键词】医用电子直线加速器 高可靠性 自动频率 控制电路

1 分析不稳定性原因与影响

1.1 关于微波功率源

众所周知，医用电子直线加速器是在高频电场的利用下，通过加速实现直接轨道运动的这样一种带电粒子装置。一般而言微波功率源所输出的微波功率近三千MHz。谐振频率从磁控管内所发出的微波功率直接在微波传输系统的作用下进入加速管中，以此实现对电子加速的过程。当电子到达加速管的末端时，必然是带有一定能量的，随后在打靶的作用下会有X射线（一定计量）产生。

经过研究我们发现，当加速管的谐振频率（固有）和磁控管的输出微波谐振频率在同一水平线上时，入射到加速管内的微波功率会逐渐馈入到加速管中，直到全部馈入完成，此过程虽然反射较小，但是加速器输出的电子功率却是最大的，另外出束的剂量率也是最大的。如果以上两者的谐振频率不在同一水平线上时，加速管中会反射出一定的功率微波，紧接着便会降低剂量率以及出束能量。

通过大量的资料文献查阅我们发现，磁控管最显著的一个缺点便是频率与功率的稳定性较差，而造成频率变化的原因一般有四个，即负载变化、磁控管电状态的变化、磁场变化以及温度变化。

1.2 关于加速管

在使用医用电子直线加速器的过程中，我们要求x射线的剂量率及能量必须是稳定的，但想要保证两者的稳定性就必须将加速管固有的谐振频率和磁控管输出的微波谐振频率保持在同一水平线上。研究发现加速管固有的谐振频率（f0）在机加工之时就己确定，但是实际的f0是会随着外界的温度变化或加速器的温度升高而出现变化的，而这一情况直接造成的频率偏移的情况，并且输出的X射线会受到影响，剂量率不断下降。由此可见，应用到自动频率控制系统对频率的稳定性进行控制非常有必要。

1.3 关于直线加速器的性能

經研究发现由频率不稳定对能量所造成的影响主要体现在：当频率发生改变时，能量也会发生变化，即逐渐下降，此时能量对医用电子直线加速器造成的影响远比尺寸公差要大得多。由频率的不稳定性对能量谱造成的影响主要体现在：当频率发生变化时，不仅会使能量受到影响而降低，而且还会影响到能量谱，使其得到拓展。

2 分析现代化稳频方式

本文主要是在微波锁相型这一自动频率控制系统的应用下实现稳频的。

2.1 简要概述

正如我们所知，驻波加速管本身的频带比较窄，即便是加速管同磁控管间只存在几十KHz频率的差别，也会出现加速器输出的剂量率不断下降的情况。因而在具体的工作运行中，磁控管是需要自动跟踪加速管的频率变化的，因为只有这样才能够使加速器最大的剂量输出率得到保证（如：图1所示，鉴相式自动频率控制系统的框架示意图）。

所谓鉴相系统，其主要是由调节机构、信号处理电路等内容构成，在磁控管的帮助下形成了闭环的工作状态，随后又在计算机控制和监测系统的应用下，将磁控管频率自动化跟踪加速管频率的工作目标实现，从而获得了最大的剂量率输出及能量输出。

大多数情况下鉴相AFC这一系统工作的过程开始于波导定向偶合器1所耦合出的正向微波信号，随后从同轴定向偶合器1、衰减器等设备中通过到达AFT；紧接着波导定向偶合器2耦合出了反向的微波信号，随后在同轴定向偶合2以及衰减器的作用下到达AFT。此时AFT会对正向、反向进行必要的检波、信号鉴相操作，最后便会得到两路电平信号输出，即AFC1、2。需要注意的是，经过PLG控制器处理后的电路，会被传送到中央计算机的控制系统中，尤其对整个电路进行分析与计算，随后再进行一定的正转或者反转操作，因为只有这样磁控管所输出的微波频率才会同加速管固有的微波频率保持在同一水平线上。

2.2 放大电路的工作原理

关于放大电路的工作原理，简单说来是两路微波信号从AFT检波中经过后，被装换成两种信号类型，即AFC1、AFC2，随后这两种信号会被送往AFC前置的放大电路板中。

紧接着两种信号会经第一级放大，随后便被送往差分比较放大器中，然后会有两路差值信号输出，经过研究发现，实际差值的方向和大小是由两路（即AFC1及AFC2）的相位和幅值所决定的。待模拟门（取样保持电路）接上输出的差值信号后，最终的关断和导通是由延迟电路输出的信号所控制的。待接通模拟门以后，在取样环节的利用下，能够将放大后的输出信号输送到直流电压表中，必要时需对差值信号进行观测，以保证加速管中的微波频率与磁控管的是相一致的。

当PLC连接直流电压表时，若存在信号偏差的问题，那么PLC应具备自动识别偏差信号的功能，相应的需给出判断依据。值得一提的是，驱动电机会使磁控管调谐结构发生改变，并将加速管固有的谐振频率和磁控所输出的谐振频率保持在同一水平上，最终保证直线加速器得到的剂量率以及输出的能量都是最大的。

3 总结

综上所述，文章主要是结合己有经验对医用类电子直线加速器现代化控制电路的方式进行了分析和阐述。具体而言，这一电路具备良好的逻辑功能性，因而对于输出的信号能够实现较好的处理功能。在信号处理电路过程中，电路板会因为设备调试的原因而受到一定影响，这一影响主要体现在信号源的脉宽变窄，因而我们认为无论是在电路设计环节，还是在电路测试环节均需要对电路板的调试工作引起重视。除此之外，还应尽可能地降低电磁干扰率。

参考文献

[1]王思力，王国保，吕卫星.电子直线加速器高可靠性自动频率控制电路研究[A].中国核学会.中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集（第一卷.第9册）[C].中国核学会，2009：6.