一种便携式X 射线源控制器研制
2021-06-22魏善武徐陈勇
魏善武， 徐陈勇
（公安部第一研究所， 北京 100048）
0 引言
电池供电便携式X 射线源主要用于无损检测、安全检查领域，在医疗领域也有少量应用。 在安全检查领域，该类X 射线源配以合适的成像系统，由于其携带方便、操作简单、适应性强，被安全部门等广泛应用于各种现场下发现的可疑物品和包裹的EOD 排爆处置， 移动搜查武器弹药和违禁物品，以及在机场和海关等领域不能用常规扫描装置探测的特大型物件。 它能够有效、快捷、安全的对突发恐怖事件威胁做出响应。电池供电便携式X 射线源由于高压和束流可调， 可根据不同的可疑对象选择相应的工作参数，从而提高图像的质量。 对同一包裹拍摄不同X 射线能量下的图像，方便操作者更好的判读图像。 本文介绍了一种36V 锂电池供电， 输出可到120kV/1mA 的便携式X 射线源配套的控制器， 该控制器采用电力电子技术作为基础，高压升压及灯丝供电采用高频逆变技术，闭环反馈信号调理及系统管理分别采用SG3525 和STM32F103。
1 X 射线源工作构成
X 射线管是人工产生X 射线源的主要器件， 其工作原理见参考文献[1]。
热阴极X 射线源在给灯丝提供足够的电源后， 在阴阳两极施加一定电势差的高压，就能发射X 射线。 为满足一台热阴极X 射线源正常工作， 其控制器必须包括高压控制部分和灯丝加热控制部分。 系统简要结构见图1。
图1 X 射线源工作系统Fig.1 X-ray source working system
2 控制系统及电路设计
本文设计基于36V 锂电池的便携式X 射线源用控制器，其输入直流电压低，尺寸要求小，系统操作方便等。 根据应用需要，系统必须进行闭环控制使得输出稳定；参数便于设置和显示；同时整个系统状态实时监测，可上位机操作。 本文采用高频逆变，结合脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制[2]和单片机技术，设计的便携式控制器系统结构见图2。
图2 控制器系统Fig.2 Control system
2.1 高压发生器及采样
高压发生器方面， 系统先通过升压变压器进行一次升压，然后再通过正负双极倍压电路来进行二次升压，从而达到目标电压同时降低自身打火和放电， 提高绝缘性能[3]，拓扑结构见图3。 变压器设计升压后输出5kV，这里采用6 级倍压，基于倍压原理[1]可知，可以得到最高的正负电压均为60kV，电势差为120kV。
图3 高压发生器拓扑Fig.3 High voltage generator topology
采样网络中整个高压部分采用约1：57000 的分压方案，即120kV 采样约2.1V。 管电流采用1k 的高精度电阻进行电流与电压转换，即1V 代表1mA。
2.2 高压及灯丝加热部分高频逆变
此控制器输入为36V 直流电压， 高压变压器输出达5kV，结合电力电子中各逆变拓扑特点和实际需要，这里选择全桥结构的逆变电路，其工作原理见参考文献[2]，该电路简图见图4，其中增加了RC 能量吸收电路，使得开关管损耗减小，电路可靠性增加。 通过实验调整，工作频率最终选取为约20kHz，由全桥电路原理可知，电路工作后可以提供逆变波形幅值为±36V 的交流电压，为高压变压器原边提供能量。
灯丝加热功率在十瓦左右就能满足X 射线发射要求，同时考虑原副边变比和高压绝缘处理，故灯丝电源部分采用半桥拓扑方案[4-5]，如图5 所示。
图4 高压部分全桥逆变拓扑Fig.4 Full bridge inverter topology of high voltage part
图5 灯丝电源拓扑Fig.5 Filament power topology
为使逆变电路可靠的工作， 其开关管驱动设计非常重要。 开关管的驱动方式主要有光耦隔离、变压器隔离、芯片驱动等[6-7]，本文中所用金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET， MOS）的驱动均选择隔离变压器驱动方式， 该方式电路结构简单， 项目中使用较多，工作稳定可靠， 实际使用的简化电路见图6。
图6 基于隔离变压器的开关管驱动电路Fig.6 Drive circuit of switch tube based on isolation transformer
2.3 系统闭环控制
为保证输出高压和管电流达到预设置值以及输出质量， 高压及管电流的控制均采用模拟方式闭环控制。脉宽调制芯片均采用SG3525， 该芯片工作电压8V～35V、工作频率为100Hz～400kHz、灌/拉电流达400mA、具备死区可调，欠压锁定，软启动等特点。系统取样信号（高压、管电流）经过接口电路送入控制板再经过滤波处理得到最终需要的信号，该信号和设定值进行PID 运算和PWM 调制， 产生满足要求的高压和灯丝加热调节所需的PWM 脉宽。 由于该控制器中高压及管电流的PID部分单独运算，此处只做PWM 产生及输出，故参数二者基本一致。
本文实际使用中的SG3525 外围参数见图7，图8。
图7 高压部分控制芯片及外部电路Fig.7 High voltage part control chip and external circuit
图8 灯丝加热部分控制芯片及外部电路Fig.8 Control chip and external circuit of filament heating part
2.4 数字控制系统
根据应用需要及操作方便的设计原则， 整个控制器加入了基于STM32F103 处理器为核心的数字控制，同时使用触控屏作为人机交互。 数字系统的功能框图见图9。
其中系统设置与采样主要包括：参数设置和采样、有线无线控制、 电源选择；系统监测及保护主要包括：系统主要部件温度监测、参数值监测、故障保护；IO 控制主要包括：使用干接点进行系统控制、输出声光指示；有线无线控制功能是远程或本地的系统控制； 触摸屏显示主要是把以上功能全部集中显示，便于人机交互。
图9 数字控制系统结构Fig.9 Structure of digital control system
3 研制结果
根据便携X 射线源尺寸， 对其控制器各部分进行设计、加工、调试，装配在源上的控制器样机见图10。
实际测试120kV/1mA 的输出，系统采样和显示参数见图11、图12 所示。
图10 控制器及显示安装图Fig.10 Controller and display installation drawing
图11 输出参数设置Fig.11 Output parameter setting
图12 输出数据采样Fig.12 Out data sampling
为了检验该控制器电路及参数设计合理性， 对实验过程中高压部分逆变、灯丝加热部分逆变及输出参数波形进行了采集，具体波形见图13～图15所示。
图13 高压部分逆变波形Fig.13 Inverter waveform of high voltage part
图14 灯丝加热部分逆变波形Fig.14 Inverse waveform of filament heating part
5 结束语
通过实验可知， 本文设计的便携式X 射线源用控制器能够稳定输出120kV/1mA， 并且高压及管电流过冲均较小，同时整个系统数字监控及交互显示均正常，整体性能满足实际应用要求。
