Рентгеновский генератор

 

Использование: в рентгенотехнике. Сущность изобретения: в системах малогабаритных рентгеновских генераторах для автоматизации контроля, стабилизации мощности излучения и повышения эксплуатационной надежности использованы обратные связи по току и напряжению, стабилизация на основе использования генератора Ройера скважности управляющих импульсов и применены вычислительные средства, осуществляющие расчет и корректировку величины мощности излучения. 3 ил.

Изобретение относится к рентгенотехнике, в частности к малогабаритным системам рентгеновских генераторов, и может быть использовано для контроля детекторов излучения, в дефектоскопии и при проведении биохимических и медицинских исследований.

Известен рентгеновский генератор [1], содержащий блок излучателя, состоящий из рентгеновской трубки с двумя электродами, анодом и катодом, высоковольтный трансформатор и два источника питания, связанные выходами соответственно с катодом рентгеновской трубки и входом высоковольтного трансформатора.

Известный генератор обеспечивает формирование рентгеновских импульсов, но не обеспечивает стабильность мощности в импульсе, что отрицательно влияет на результаты технологического контроля и проведение экспериментов, выполняемых с использованием генератора. В известном генераторе не обеспечивается автоматизация процесса формирования импульсов излучения, что приводит к значительному увеличению времени контроля и появлению субъективных ошибок контроля. Кроме того, высоковольтный трансформатор в известном генераторе вынесен из блока излучателя, что существенно снижает эксплуатационную надежность генератора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является рентгеновский генератор [2], содержащий образующие блок излучателя рентгеновскую трубку с тремя электродами, анодом, катодом и сеткой и трансформатор с первичной обмоткой и первой вторичной обмоткой, а также пульт управления, электрически связанный с первичной обмоткой трансформатора.

Генератор-прототип не обеспечивает автоматическое управление процессами измерения и контроля, характеризуется большим временем подготовки генератора и осуществления контроля, не обеспечивает стабильность мощности излучения и энергетического спектра излучения. Указанные недостатки приводят к ухудшению метрологических показателей и эксплуатационных показателей процесса контроля.

Решаемой задачей изобретения является автоматизация процессов контроля (в частности, формирования импульсов излучения), повышение надежности и достоверности результатов исследований и расширение функциональных возможностей.

Поставленная задача в рентгеновском генераторе, содержащем образующие блок излучателя рентгеновскую трубку с тремя электродами, анодом, катодом и сеткой и трансформатор с первичной обмоткой и первой вторичной обмоткой, а также пульт управления, электрически связанный с первичной обмоткой трансформатора, достигаются за счет того, что блок излучателя дополнительно содержит конструктивно встроенные в него умножитель напряжения, выполненный по схеме Уолтона-Кокрофта в виде М экранированных секций, преобразователь тока, преобразователь напряжения, выполненный в виде резистивного делителя, одно из плеч которого состоит из М резисторов, расположенных последовательно по одному в каждой из М секций умножителя напряжения, трансформатор снабжен второй вторичной обмоткой, пульт управления выполнен в виде последовательно включенных блока управления и генератора Ройера, при этом вход первой секции умножителя напряжения и вход преобразователя тока электрически связаны с первой вторичной обмоткой трансформатора, выход последней (М-й) секции умножителя напряжения и вход преобразователя напряжения электрически связаны с анодом рентгеновской трубки, вторая вторичная обмотка трансформатора электрически связана с сеткой рентгеновской трубки, выход генератора Ройера электрически связан с первичной обмоткой трансформатора блока излучателя, а два входа блока управления электрически связаны с выходами преобразователя тока и преобразователя напряжения блока излучателя.

На фиг.1 приведена функциональная схема системы малогабаритного рентгеновского генератора; на фиг.2 - схема преобразователя напряжения; на фиг.3 - схема преобразователя тока.

Система малогабаритного рентгеновского генератора содержит блок 1 излучателя, состоящий из конструктивно связанных между собой трехэлектродной рентгеновской трубки 2, имеющей три электрода: анод, катод и сетку, каскадного умножителя 3 напряжения, имеющего М секций, образующих повышающую и выравнивающую колонны, высокочастотного трансформатора 4, имеющего одну первичную обмотку 5, первую вторичную обмотку 6 и вторую вторичную обмотку 7, а также преобразователя 8 напряжения и преобразователя 9 тока. Первая вторичная обмотка 6 трансформатора 4 связана с входом умножителя 3 напряжения, выход которого связан с анодом рентгеновской трубки 2 и входом преобразователя 8 напряжения. Эта же вторичная обмотка связана с входом преобразователя 9 тока. Вторая вторичная обмотка 7 высокочастотного трансформатора 4 связана с сеткой рентгеновской трубки 2.

Система содержит также пульт 10 управления, состоящий из последовательно включенных блока 11 управления, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 12 и генератора 13 Ройера, выходом связанного с первичной обмоткой 5 высокочастотного трансформатора 4, источник 14 питания, выходом связанный с катодом рентгеновской трубки 2, а также два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) 15, 16, входами подключенные к выходам преобразователей 8, 9, а выходами связанные с двумя входами блока 11 управления (на практике функции блока 11 может выполнять микропроцессор или микроЭВМ с соответствующими периферийными устройствами).

Преобразователь 8 напряжения (фиг.2) выполнен в виде резистивного делителя, одно из плеч которого включает М резисторов R₁...R_М, а другое - резистор R_М+1. Конструктивно резисторы R₁...R_М располагаются в секциях М умножителя 3 напряжения (по одному резистору в каждой секции), а их номиналы выбираются такими, чтобы потенциал очередного резистора, например R_К, соответствовал потенциалу К-й секции умножителя, в результате чего достигается требуемое выравнивание потенциала вдоль колонн умножителя и исключается возможность пробоя. Резистивный делитель осуществляет деление анодного напряжения до напряжения низкого уровня, поступающего на вход АЦП 15.

Преобразователь 9 тока (фиг.3), выполнен в виде резистивного делителя, состоящего из двух последовательно установленных резисторов R^'и R^" и емкости С, в которые ответвляется часть тока потребления I_потумножителя 3 напряжения. Сигнал напряжения, снимаемый с второго резистора (U_пт = I_пот^. R_"), поступает на вход АЦП 16 и несет информацию о величине усредненного тока потребления I_ум умножителя напряжения, а следовательно, о величине усредненного анодного тока I_a.

Предлагаемая система функционирует следующим образом.

Генератор 13 Ройера пульта 10 формирует в соответствии с программной уставкой, поступающей с выхода блока 11 (в виде кода) через ЦАП 12, управляющий высокочастотный (обычно порядка f = 5-10 кГц) сигнал в виде меандра (с амплитудой U_г и длительностью Т_г), который поступает на первичную обмотку 5 трансформатора 4 блока 1. Одним из характерных свойств генератора Ройера является то, что скважность Q сигнала на его выходе всегда остается неизменной и равной двум. Высокочастотный трансформатор 4 преобразует низковольтный сигнал напряжения U_ггенератора 13 в высоковольтный сигнал напряжения U_т1 (выход первой вторичной обмотки, обычно порядка 4-6 кВ), поступающий на умножитель 3 напряжения, который преобразует его в постоянное высоковольтное напряжение (обычно порядка 100-200 кВ) U_а, подающееся на анод рентгеновской трубки 2 блока 1. На практике на постоянное напряжение U_авсегда накладывается небольшая пульсация ( амплитудой U_т1), влияние которой на работу рентгеновской трубки может исключаться за счет использования специальных средств экранирования.

Низковольтный сигнал U_т2 с выхода второй вторичной обмотки 7 трансформатора 4 подается на сетку рентгеновской трубки 2. При этом как постоянное напряжение U_a, так и амплитуда низковольтного сигнала сетки U_т2 оказываются по величине пропорциональными амплитуде сигнала U_г, поступающего с выхода генератора 13 на первичную обмотку 5 трансформатора 4: U_a = K_т1^. К_ун^. U_г; U_т2 = К_т2 ^.U_г, (1) где К_т1, К_т2 и К_ун - коэффициенты преобразования трансформатора по первой вторичной обмотке, трансформатора по второй вторичной обмотке и умножителя напряжения соответственно.

На катод рентгеновской трубки 2 блока 1 подается стабилизированный сигнал напряжения U_к с выхода источника 14 питания пульта 10. Преобразователь 8 напряжения осуществляет преобразование анодного напряжения U_a в низковольтное напряжение U_пн, преобразуемое АЦП 15 в код, считываемый на первый вход блока 11 управления. Аналогично преобразователь 9 тока осуществляет преобразование среднего значения тока потребления умножителя I_ум, нагруженного на рентгеновскую трубку 2, в постоянное низковольтное напряжение U_пт, преобразуемое АЦП 16 в код, считываемый на второй вход блока 11 управления, при этом U_пн = К_пн ^.U_а; U_пт = G^-1 К_пт^. I_ум ≃ 0,5^. К_пт^. I_а, (2) где К_пн, К_пт - соответственно коэффициенты преобразования преобразователей 8, 9.

При подаче на анод и катод рентгеновской трубки 2 блока 1 излучателя напряжений U_а и U_к соответственно система оказывается подготовленной к формированию импульса рентгеновского излучения, что и осуществляется при подаче очередного управляющего сигнала на сетку рентгеновской трубки. Формируемый при этом рентгеновский импульс характеризуется длительностью Т_им Т_г и мощностью излучения Р_им (в импульсе).

Величина мощности излучения Р рентгеновского генератора определяется по соотношению Р = G^-1 Р_им = U_a^. I_a Т_им^. f = =U_a ^.I_aQ^-1 = 0,5 ^.U_a ^.I_a . (3) Учитывая, что I_a = U_a/R_рт, где R_рт - эквивалентное сопротивление рентгеновской трубки, несложно с учетом выражения (1) придти к следующему выражению для величины Р: P = 0,5 K_т1² К_ун² U_г²/R_рт . (4) откуда следует, что величина мощности зависит от целого ряда параметров системы, которые могут случайным образом изменяться под действием внутренних и внешних факторов. Величина Р может быть определена по результатам периодического измерения параметров U_пм и U_пг, формирующихся на выходе преобразователей 8 и 9, при этом с учетом выражения (2) имеют P ≃ U_пт ^.U_пн/(К_пн^. К_пт) . (5) Таким образом, при изменении параметров U_a и I_a под влиянием внешних факторов происходит адекватное изменение параметров U_пн и U_пт, что фиксируется блоком 11, и с помощью соотношения (5) определяется величина ухода величины Р. Далее по результатам контроля формируется команда на изменение величины амплитуды сигнала на выходе генератора 13 (U_г), направленное на компенсацию изменений величины мощности Р. В результате достигаются автоматическая подстройка и стабилизация на заданном уровне (этот уровень задается в начале работ в виде программной уставки на генератор 13) величины мощности излучения на выходе блока 1.

В системе-прототипе отсутствует возможность гибкого изменения режимов работы. При изменении характера эксперимента или технологического контроля требуется значительное время для изменения параметров системы, в частности изменения анодного напряжения U_a, изменения параметров управляющего генератора (т. е. параметра U_г). Использование предлагаемой системы позволяет значительно сократить время на перенастройку системы и подготовку ее к проведению различных типов экспериментов и испытаний.

В системе-прототипе величина мощности излучения (Р) в ходе экспериментов претерпевает значительные изменения. Подобная ситуация является недопустимой для целого ряда случаев применения (при калибровке детекторов рентгеновского излучения, проведении экспериментов, требующих адекватного периодического воспроизведения параметров рентгеновских импульсов, и т.д.). В системе-прототипе наличие указанных недостатков может приводить к получению неточной и недостоверной информации по результатам эксперимента или контроля, а в ряде случаев и к нежелательным физическим и физиологическим воздействиям на объект контроля. Использование предлагаемой системы позволяет практически полностью исключить эти недостатки за счет контроля величины анодного напряжения и тока потребления рентгеновской трубки в блоке излучателя (последнее позволяет обеспечить стабильность мощности в импульсе).

Предлагаемая система является малогабаритной и может размещаться на обычном лабораторном столе. При этом использования специальной камеры или объема требует только сам блок излучателя (а также объект контроля и средства регистрации), который сам является малогабаритным. Таким образом, данная система может найти более широкое применение, чем система-прототип, в частности, при осуществлении контроля в относительно труднодоступных местах (например, внутри крыла самолета).

Предлагаемая система позволяет за счет использования блока управления (микроЭВМ) полностью автоматизировать процессы проведения контроля и исследований, значительно сократить время на их проведение, исключить ошибки операторов системы, которые в ряде случаев могут привести к несчастным случаям, и повысить объективность получаемой в процессе контроля и исследований информации. Система характеризуется относительно простой функциональной схемой, простой логикой управления и несложным программным обеспечением, что делает ее весьма простой в настройке и эксплуатации.

Таким образом, использование предлагаемой системы позволяет полностью автоматизировать процессы контроля и исследований, сократить время контроля и исследований, повысить надежность и объективность их результатов, расширить диапазон задач, решаемых с применением рентгеновской системы, а также повысить эксплуатационную надежность системы.

Формула изобретения

РЕНТГЕНОВСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий образующие блок излучателя рентгеновскую трубку с анодом, катодом и сеткой и трансформатор, а также пульт управления, электрически связанный с первичной обмоткой трансформатора, отличающийся тем, что блок излучателя дополнительно содержит конструктивно встроенные в него умножитель напряжения, выполненный по схеме Уолтона - Кокрофта в виде M экранированных секций, преобразователь тока, преобразователь напряжения, выполненный в виде резистивного делителя, одно из плеч которого состоит из M резисторов, расположенных последовательно по одному в каждой из M секций умножителя напряжения, трансформатор дополнительно снабжен второй вторичной обмоткой, пульт управления выполнен в виде последовательно включенных блока управления и генератора Ройера, вход первой секции умножителя напряжения и вход преобразователя тока электрически связан с первой вторичной обмоткой трансформатора, выход последней секции умножителя напряжения и вход преобразователя напряжения электрически связаны с анодом рентгеновской трубки, вторая вторичная обмотка трансформатора электрически связана с сеткой рентгеновской трубки, выход генератора Ройера электрически связан с первичной обмоткой трансформатора блока излучателя, а два входа блока управления электрически связаны с выходами преобразователя тока и преобразователя напряжения блока излучателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3