微型X射线管灯丝电源的研制

张伟 陈树军 周洪军

摘要：电源系统是由不同的构件组成，其中微型X射线管是重要的构件之一。在X射线技术发展过程中，应用X射线构建电源系统，可以使原有的工频发生变化，并在变化期间形成中频逆变电路。进入到上世纪90年代，X射线电源系统由中频进入到高频，高频电源系统的应用，不仅促进X射线设备的快速发展，还能减少输出滤波电容对电路的影响，进一步缩小电源系统的体积，使用体积小重量轻的电源系统，可以显著提升电源系统的工作效率。本文围绕微型X射线管灯丝电源的研制展开讨论，为X射线管发展提供参考依据。

Abstract： The power supply system is composed of different components， among which the micro X-ray tube is one of the important components. In the development of X-ray technology， the use of X-rays to build a power system can change the original power frequency and form an intermediate frequency inverter circuit during the change. In the 1990s， the X-ray power supply system went from intermediate frequency to high frequency. The application of high-frequency power supply system not only promoted the rapid development of X-ray equipment， but also reduced the influence of the output filter capacitor on the circuit， and further narrowed the power supply system. The small size and light weight of the power system can significantly improve the efficiency of the power system. This article focuses on the development of the micro X-ray tube filament power supply， to provide reference for the development of X-ray tubes.

關键词：微型X射线管灯丝;电源;分析

Key words： micro X-ray tube filament;power supply;analysis

中图分类号：TN14                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）22-0192-03

0  引言

X射线在各领域应用范围不断扩大，并且已经获得良好的应用价值，尤其是将X射线应用在灯管中，作为灯丝电源重要的组成部分，在220V交流电输入环境中，降低变压器的加热能力的同时，还能校正功率因数，使灯丝电源可以正常的运行。但是传统的灯丝存在体积大、输出电压不稳等缺点，针对传统灯丝电源存在的缺点，积极应用X射线改变传统的灯丝电源，使传统的灯丝电源形成微型X射线管灯丝电源，不仅使微型X射线灯管符合电流控制标准，还能充分利用高频电磁场耦合能量，有效提高灯丝电源的工作效率。

1  微型X射线管的工作原理

大中型功率X射线管电源在运行时，会产生较高的电源绝对输出值，将电源绝对输出值控制在合理的范围内，需要在靶材的阳极和阴极材料上，分别施加相同的正负高压，在高压的作用下，才能降低高压直流电源绝对输出值，一般降低至原有输出值的一半。在阳极靶材上通常施加正极高压，可以有效集中阳极靶材的自由电子，使自由电子全部轰击靶材，通过不断的轰击，进一步降低绝对输出值，从而提高一定程度的效率。在微型X射线管工作过程中，需要精准控制灯管的体积和产生的功耗。以施加在阳极靶材的高压为例，应将X射线管连接到电源系统上，并在封闭的空间内，但是无法满足微体积的要求。

2  电源主电路设计

2.1 核心激励电路结构与设计

在设计核心激励电路结构过程中，灯丝电源采用推挽结构，不仅降低驱动电路的复杂性，通过简单的驱动电路，可以提高电源电压的利用率，还能在较低的输入电压状态下，使电路保持较高的功率输出能力。在微型电源主电路设计期间，降低电路开关运行时产生的噪音，并提升电源的运行效率，在结构中连接谐振软开关，通过串联谐振软开关，可以在电路出现关断，或者电路出现零电压的情况，仍能保持良好的运行状态，并且不会产生较大的噪音。

在推挽结构运行过程中，需要使用PWM波驱动结构持续运行，PWM波具有相位相反的特点，为保证结构在相同的相位电路中运行，应为PWM波配置两路互补装置。本次设计中，使用某公司生产的两路PWM波芯片，该芯片型号为UCC3808，具有高速生产、低功耗的特点。（图1）

2.2 电磁场耦合能量的设计

在设计电磁场耦合能量时，采用以锰锌铁氧化物作为材料的磁芯，将磁芯的规格设置为18×10×10毫米的规格，设定磁导率为20000。在磁环的上部，使用质量和性能良好的线圈作为导线，在线圈的中间位置设置抽头，通过抽头连接两路的输入PWM波，在PWM波景观激励线圈过程中，由激励线圈产生的电磁场，会产生耦合能量，有助于提高电磁场的工作效率。使用高频锰锌铁材料作为磁环时，需要将线圈的匝数比设定为3：1，可以使线圈产生更多的感生电流。

2.3 偏置电压获取电路

设定偏置电压电路时，需要采用不同的方法。在本次设计中，采用DPA—Switch偏压方法，该方法应将供电电压设定为24V，并采用输入的方式，将电压输入到偏置电路中。在采用该方法设定偏置电路时，需要在电极和耦合器收端之间，安装稳压管DW，稳压管DW可以有效降低电压，使集电极和发射电极处于稳定的运行状态，减少耦合器消耗的功率。

2.4 磁复位电路设计

在设计磁复位电路时，应提高该电路的漏级电压，并且高于输入电压。但是应注意的是，进行电路磁复位期间，規定电压小于漏级电压，为使漏级电压控制在合理的范围内，应在电路中设置高频变压器，并保证每个开关在设定的周期内，可以快速恢复漏级电压。在关闭偏置电压电路时，需要控制产生的磁感应电流，使磁感应电流可以顺利的通过变压器，从而消除变压器内部产生的磁感应电流。

2.5 闭环反馈电路的设计

在管电流产生以后，需要先进行管电流取样工作，然后利用精密的电阻将电流信号进行转换，形成电压信号，最后针对形成的电压信号实施兀型LC滤波。如果选择的滤波器为一般的LC/LT型号，会因为受到源与滤波器端阻抗发生不匹配的问题而在某一个频率下导致电路与其他元件发生谐振的问题，造成电路无法正常工作。因此，可以在滤波器的输入端加入滤波电容，能够有效改变滤波器入端产生的阻抗，从而形成兀型滤波电路。在“源”、“负载”处产生的噪声会先经过低阻抗的滤波电容回路，然后进入到LC型的滤波电路内。在此过程中，滤波电路能够对电源与电路侧产生的噪声与谐波信号同时进行抑制，再通过运放隔离与反向反馈取样滤波后的信号，反馈至前级后，再与设定的管电流初始值进行比较。如果当前的管电流与设定值的比较中，管电流较大，比较器LM393会向D触发器MC74HC74的时钟端进行高电平的输出过程，而MC74HC74输出高电平的输出端口为Rdy，收到管电流信号后向UCC3808内输入，从而达到输入PWM波占空比与灯丝电流大小有效控制的目的，实现管电流的稳定。在X射线发出时，需要灯丝电源与高压直流电源进行分工合作，主要过程如下：第一，在X射线管阴极灯丝上，需要灯丝电源提供能够实现灯丝加热的电流。第二，在X射线管阴极灯丝和阳极靶材中需要高压直流电源能够形成高压电场，实现电子能够在高压电场上进行高速运动，对阳极靶材进行轰击。（图2）

在实际设计过程中，设计步骤需要采取高压直流电源与灯丝电源分别设计、独立设计的措施，然后通过联机的方式进行调试。在设计时包括两个方面：第一是设计高压直流电源，目的是形成直流负高压，能够为X射线管的阴极提供直流负电压。第二是设计低压大电流灯丝电源，目的是在阴极灯丝加热时，能够及时提供所需的电流。此时的灯丝主电路主要包括两个部分：第一部分是X射线在发出时的量度超过设定值之前，能够为灯丝提供最大功率的电流实现加热目的。当X射线发出后、管电流产生后，系统在收到的反馈信号时会将电路向第二部分传送。第二部分是收到第一部分的管电流取样后，与设定的管电流进行比较，将比较结果向PWM波反馈，形成电路，最后利用闭环调节的过程稳定管电流。

3  性能测试

3.1 抑制电磁辐射干扰

灯丝电源产生的电磁干扰中，MOS管用推挽方式驱动磁环具有的干扰力度最大，主要表现在：MOS管的工作频率越高，开关切换速度会越快，从而增大电磁干扰力度。因此，开关器件工作频率与电磁干扰大小之间属于正比关系。为了达到降低电磁干扰的目的，可以应用LC无源吸收电路的设计方式，还要在电路周围设置一层接地金属屏蔽膜，能够有效降低电磁干扰。

3.2 PWM发生电路实测波形

灯丝电源的效率会受到较多因素的影响，包括PWM波占空比、频率、负载电阻、输入电流、输入功率等。综合考虑这些因素后，应选用100kHz频率的灯丝电源。如果设置PWM的占空比为50%，电路反馈环路处于稳定后，运用示波器对PWM波进行测试，结果显示出PWM波发生电路输出的两路互补PWM波型。

3.3 测试灯丝电源效率

在测试灯丝电源效率时，需要将灯线电流带上1.5Q的功率电阻，因为微型X射线管阴极灯丝处存在的等效电阻为12Q。测试时，需要在不同的推挽频率下开展。

3.4 测试管流稳定性

在测试管流稳定性时，需要在管压14kV、管流9uA的条件下开展。经过铜箔激发过程，应用X射线SiPin探测器对能谱曲线进行测量，从而得到铜峰净峰面积。在测量时，需要每5S进行一次净峰面积测量，并准确计数。然后，对所有测量的计数计算出平均值、标准差、相对标准偏差。

4  结束语

在便捷式荧光分析仪中，微型X射线管是重要的组成部分，而决定微型X射线很容易的质和量是由电源系统直接决定的。目前，国内研制的X射线管电源已经普遍应用于医用或者是工业领域中，并且是应用于中大功率X射线机，而未应用于小型甚至微型X射线管电源中。由于医用与工业类中应用的X射线管电源系统具有体积较大、纹波较大、功耗较大的特点，无法应用于便携式荧光分析领域中。研究学者应加大研究力度深入研究微型X射线管电源系统，能够提高微型X射线管电源系统性能，从而推动我国科学技术快速发展。

参考文献：

[1]曾国强，刘玺尧，罗群，等.低纹波微型X射线管高压电源的研制[J].原子能科学技术，2015（2）：366.

[2]刘玺尧，曾国强，谭承君，等.基于罗耶谐振的微型X射线管高压电源的设计[J].核技术，2013（8）：132-133.

[3]阮浩杰，李永腾，张仕勇，等.大功率高稳定直流高压发生器的研制[J].上海电力学院学报，2011（3）：90-91.

基金项目：辽宁省工业攻关及产业化项目（2018106012）;辽宁省“百千万人才工程”资助项目（辽人社【2019】45号）;辽宁省自然科学基金项目（2019-MS-107）;辽宁省“兴辽英才计划”项目（XLYC1807168）。

作者简介：张伟（1980-），男，黑龙江密山人，教授研究员级高级工程师，本科，从事工业在线检测仪表研发。