Рентгеновский генератор

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

О П

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 180179 (21) 2715938/18-25 с присоединением заявки Но (23) Г)риоритет

Опубликовано 3011.80.бюллетень Ю 44

Дата опубликования описания 10. 12. 80

{51)М. Кл.

Н 05 6 1/32

Государстаемнм1 коинтст

СССР по дмаи изобрстенпй

N открытий (53) УДК 621.

° 386(088.8) (72) Автор изобретения

О.В.Хмельницкий (71) Заявитель (54) РЕНТГЕНОВСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно - к рентгеновским генераторам со средствами.стабилизации анодного напряжения на рентгеновской трубке. 5

К рентгеновским генераторам аппаратов, применяемых в составе замкнутых систем радиационного контроля, например в радиационных толщиномерах проката, предъявляют весьма 30 высокие требования к быстродействию и точности регулирования анодного напряжения. Как правило, в системах высокой точности применяют конденсаторные аппараты, характеркзукщиеся наиболее равномерным спектром и наибольшей интенсивностью излучения.

В рентгеновских генераторах с преобраэователямк частоты, как правило, используют два конденсаторных фильтра: первый - низкочастотный, служащий для подавления пульсаций выпрямленного напряжения сети, которое используется для питания пре- 2$. образователя частоты (инвертора), второй - высокочастотный, который входит в состав высоковольтного генератора, как правило, это фильтр каскадного умножителя напряжения. ЗО

Если сетевой выпрямитель нерегулируемый то между ним и инвертором находится регулятор, которай также может содержать сглаживающий фильтр.

В современных рентгеновских генераторах получают распространение импульсные регуляторы напряжения.

Известей рентгеновский генератор содержащий инвертор и импульсный регулятор постоянного напряжения, которой питает инвертор, измерительный делитель анодного напряжения, соединенный с импульсным регулятором по схеме обратной связи, включающей схему сравнения и источник опорного напряжения Щ .

Наиболее близким к изобретению техническим решением является рентгеновский генератор., содержащий излучатель, главную цепь, состоящую из управляемого выпрямителя, конденсаторного сглаживающего фильтра, инвертора к каскадного умножителя напряжения, схему кэмерения и управления, включающую измерительный делитель анодного напряжения, пиковый детектор, источник опорного напряжения и схему сравнения, подсоединенную через преобразователь к управляемому выпрямителю PJ.

784032

Методические преимущества схемы рассматриваемого генератора известны. Регулирование постоянного напряжения при помощи высокочастотной модуляции (a известном генераторе применяется двухпоэиционный (релейный) модулятор, режим работы которого соответствует частотно-импульс.ной модуляции (ЧИМ) позволяет получить высокие динамические показатели. Но практическая реализация генераторов большой мощности связана с рядом трудностей. Схемы с ЧИМ не позволяют оптимизировать работу ключевого элемента, замыкающего диода, дросселя и-конденсатора сглаживающего фильтра, так как эти элементы работают в переменном частотном диапазоне. Кроме того, схема с ЧИН не эффективна при низких анодиых напряжениях. Практически схема с ЧИМ не применяется иа мощности больше нескольких десятков ватт.

Схемам -с широтно-импульсной модуляцией (ШИК) такие недостатки не. свойствеИны ио присущ другой недостаток - насыщение дросселя сглаживающего фильтра импульсного регулятора при больших токах нагрузки иэ за наИичия постоянной составляющей в модулируемои напряжении. Этот фактор йриводит к резкому увеличению тока через ключевой элемент. поэтому Тайме сХемы на большие мощности также ие применяются или применяются, но e"существенными аппаратурными усложнениями, связанными с устранением режима ласыщения дросселя.

Наиболее простыми и экономичны ми являЬтся регуляторы постоянного напряжения, выполненные на основе управляемых выпрямителей. Показатели таких регуляторов еще более возраслн в связи с созданием оптронных тиристоров (фототиристоров), которые входят в .состав выпрямителя. По экономичности и аппаратурной емкости они значительно превосходят известнйе устройства с различными видами частотной модуляции, ио по быстродействию уступают последним, так как регулирование в управляемых выпрямителях происходит на частоте питающей сети.

В некоторых случаях введение корректирующего звена в систему управления генератором позволяет повысить быстродействие системы упраВления и обеспечить ошибку стабилизации аьодйого напряжения в заданйых пределах. Однако реализовать воэможнос- ти быстродействия системы управления не всегда удается из-за неполной управляемости тиристоров мостового — -выпрямителя и его вентильных свойств.

Так йрй некотором уровне возмущаю,щего воздействия происходит sap . фильтрующего конденсатора до такого уровня, что в следующий полупериод в момент прихода управляющего импульса тиристор не отпирается, так как напряжение на конденсаторе превышает напряжение в сети, соответствующее фаэовому положению управляющего импульса. И замкнутая схемно система стабилизации оказывается параметрически разомкнутой на некоторое вре.мя. Это приводит к увеличению ошибки стабилизации в переходном режиме и, © следовательно, общей ошибки стабилизации.

Цель изобретения заключается в том, чтобы повысить точность стабилизации анодного напряжения в рентгеновском генераторе.

1% Достигается это тем, что в рентгеновском генераторе, содержащем излучатель, главную цепь, состоящую из управляемого выпрямителя, конденсаторного сглаживающего фильтра, ;ф инвертора и каскадного умножителя напряжения, схему измерения и управления, включающую измерительный делитель анодного напряжения, пиковый детектор, источник опорного напряжения и схему сравнения, подсоединенную через преобразователь к управляемому выпрямителю, в схему измерения н управления введены измерительный резистор анодного тока, вторая схема сравнения, компаратор, экстреЗ© матор и схема И, нричем выход второй схемы сравнения и измерительный резистор анодного тока подключены к входам компаратора, измерительный делитель анодного напряжения - к входу экстрематора и к инверсному входу второй схемы сравнения, к прямому входу которой подключен источник опорного напряжения, а выходы компаратора и экстрематора - к вхо4О дам схемы И, в главную цепь введены включенные параллельно сглаживающему фильтру последовательно соединенные ключ и резистор, причем ключ соединен с выходом схемы И.

Преобразователь содержит корректирующую схему .и модулятор импульсов с синхронизацией от сети.

Компаратор состоит из устройства вйчисления времени разряда конденсатора сглаживающего фильтра, источника опорного напряжения и .хема сравнения.

Экстрематор состоит из последовательно соединенных ключа, диффереицирующей цепи и формователя импуль сов, а также высокочастотного генератора, выход которого соединен с управляющим входом ключа. На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого рентгеновско® го генератора; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Рентгеновский генератор состоит из управляемого выпрямителя 1, кондену саторного сглаживающего фильтра 2, 784032 ключа 3, резистора 4, инвертора 5, ет скачкообразное возмущение, При каскадного умножителя 6 напряжения, открывании тиристора в момент вреиэмерительного делителя 7 анодного мени t<»(47+4) uu произойдет заряд напряжения, излучателя 8, иэмери- конденсатора фильтра 2 по траектотельного резистора 9 анодного тока, рии АС, В точке С происходит сравпикового детектора 10, источника 11 нение напряжения на конденсаторе и опорного напряжения (ИОН), схемы срав- напряжения в сети, напряжение на отнения 12, корректирующей схемы 13, крытом тиристоре станет равным нулю, модулятора 14 импульсов, второй ñõå- т.е. произойдет эапирание тиристо,мы сравнения 15, экстрематора 1б, ра. Из точки С начинается свободный состоящего из ключа 17, высокочастот- разряд конденсатора по траектории ного генератора 18, дифференциру- о CD (в установившемся режиме свободющей цепи 19 и формирователя импуль- ный разряд проходил по траектории

20 хемы H 21 компаратора 22, RA). По информации об амплитуде анодсостоящего из схемы сравнения 23, . ного напряжения в точке С с у1 хема пст йства 24 вычисления времени раэ- равления основного контура в соотряда к яда конденсатора сглаживающего филь- 35 ветствии с характерным для нее бысттра и источника 25 опорного напря- родействием изменит угол управления жения. тиристором, а именно, увеличит его

Г кт ному принципу заявлен- (А+ьй) с тем, чтобы уменьшить ампли.о структур о ный генератор представляет собой туду напряжения U>. Например, если хконтурную систему автоматическо- щ бы разряд конденсатора происходил двухк вклюул рования анодного напряже- по траектории CF, то тиристор ния рентгеновской трубки. Первый. . чился бы в момент времени -(29 +4.+ (основно ко (й) нтур образован глав- +л4.) /Ы, и заряд конденсатора фильтной цепью и системой управления и ра произошел бы по траектории измерения состоящей из измеритель- 2% следу щий полупериод угол упра "ения ного делителя 7 анодного напряже- еще более увеличивается, и при крупикового детектора 10, ИОН 11, тизне разряда, соответствующей трания, пиковог схемы сравнения 12, корректирующе- ектории CF, анодное напряжение было го звена 13, модулятора 14 импуль» бы близко к установившемуся значению

Ре улирование анодного иапря- U . Крутизна траектории разряда жения в такой системе достигается © определена величиной эквивалент г но о эа счет импульсно-фазовой модуля- сопротивления рентгеновской трубки ции угла отпирания тиристоров управ" и „, т.е. при одном и том же напряямите я - П и ляемого выпрямите я ямителя 1 и как след- женин — величиной анодного тока. р напряжения пйтания инверто- - величине анодного тока, определяствие, иапря ра 5, изменение которого приводит к 35 ющего разряда по траектории С изменению напряжения на обмотках личине возмущения, превышающего некоглавного трансформатора (ГТ), вхо- торую критическую величину, тиристор ,дящего в состав инвертора. Пиковый, в момент времени t>(23+<+а ) м не

10 . для выделения . открывается, поскольку напряжение сепостоянного уровня, пропорциоиаль-. щ ти, соответствующее этому углу отпиного амплитудному значению анодного рания, меньше напряжения на конденКорректирующее звено саторе 2. Поэтому, как минимум, на т па амет13 предназначено для придания зам- один полупериод произойдет р кнутой системе нео х д бходимых показа- рическое размыкание основного контутелей в переходном режиме. ра регулирования за счет размыкания регулятора напряжения (выпрямителя 1) ,Рассматривая процессы изменения главной цепи, хотя система управленапряжения в главной цели, допус™, ния постоянно формирует управля ие что форьы напряжения 0„ сглаживаюимпульсы U щего фильтра 2 и анодиого напряжения U излучателя 8 совпадают с точ- р При малых аиодных токах (большом ностью до уровня высокочастотных и „ ) параметрическое размыкание пульсаций, содержащихся в анодном .может произойти на несколько перинапряжении. Hî уровень этих пульса- одов, что вызывает существенную поий во много раз меньше низйочастот- грешность в отклонении анодного ии во мн г н " пульсаций НапрЫР ни к час- $$ иапр*виия от уставов тановившегося эначетотная пульсация анодного напряже- ния. ния и фильтра 2 составляет.s номи- Включение дополи олиительного контуу - т ньшить время переходнальиом режиме 10% а высокочастот а позволяет уме ная пульсация анодиого напряжения moro процес са ст анить явление параметрического раэмыкания основного равна 0,5В. ь точность- стабиКак видно иэ временной диаграммы 46 контура и повысить (ф . 2) установившемуся значению лиэации. Сущность р ть аботы контура эаамплитуды анодного напряжения

>X ! я по ключении в переходЪюЪ, ключ аетс в д е ополнительной нагрузки соответствует угол 4. управления иом режим д в в е резистора и параллельно тиристорами. Предположим, что s ио- и . в вид р

К п иведенной мент времени „М/м в сети возника- О основной нагрузке К, приведено

784032 к клеммам конденсатора фильтра 2.

Нагрузка подключается к конденсатору 2 через ключ 3, управляеьый схемой 22 экстрематором 16. В этом случае разряд конденсатора 2 происходит э по траектории СЕ, включающей участок свободного разряда конденсатора на суммарную нагрузку R +R „ (траектория СЕ) и участок свободйого разряда только на нагрузку Яр„в(траектория ЕЕ) .

Управление компаратором 22 произ водят по информации об анодном то ке и анодиом- напряжении излучателя.

Если бы нагрузка рентгеновского геКератора была линейка, то на компаратор достаточно было подавать информацию о величине анодного напряжения и опорное напряжение, уровень которого превышал бы уровень уставки анодного напряжения (HoH 11) на,допустимую величину возмущения.

Но та .< как Нагрузка нелинеййа, то при -различных уставках анодного то ка одна к та же величина возмущения в одних случаях может вызвать размыкание основного контура, а н других нет. Более того, возможен такой режим работы, что при меньших у эовнях возмущения система окажется разомкнутой, а при большихзамкнутой.

Например, величина возмущающего воздействия вызывает изменение анодного напряжения от установившегося значения на величину a8 . Учитывая, что величина возмущений в сети не превышает 10-15%, можно утверждать, что разряд конденсатора 2 на эту величину происходит практически по линейному закону. В этом случае время разряда конденсатора до установившегося значения, соответствующего равно мт а Од

РОВ Р. 1 (<) где С - емкость конденсатора Фильтра;

3,а0с, - приведенные к клеммам конденсатора значения анодно" го тока и изменения анодного напряжения.

Назовем критической величиной возмущения такую величину, превышение которой" прйводит" и вфаменй разряда конденсатора Фильтра большему длительйостй половины периода питающей сети Т/2. Например, если траектория

CE соответствует свободному разряду конденсатора, то критической величиной возмущения будет уровень равный траектории AC.

Иэ выражения (1) легко определить крйткческую величину воэмущейия

b,Î, (й)

КР.

Как видно из выражения.(2), кри тическая величина воэмущейия"зависит

Важнейшим требованием, предъявляемым к компаратору, является то, чтобы он обеспечивал подключение дополнительной нагрузки R+ только после отключения тиристора. В против ном случае подключение дополнительной нагрузки Йдо„в интервале"проводимости тиристора приведет к значительному возрастанию тока через тиристор, поскольку в любом режиме работы трубки величина йр„щвсегда значительно меньше величины R9„®.

Именно за счет этого и обеспечивается бЫстрый разрЯд конденсатора (траектории СЕ и CD) в переходном режиме. Кроме того, в указанном режиме возможны и автоколебания релейного контура, а также снижаеТся

КПД гечератора.

Поэтому, несмотря на то, что сиг« нал О„„р с выхода схемы сравнения 23 появляется уже при достижении критической величины аОо, р(точка В), от величины анодного тока 3, Поэтому на компаратор. целесообразно подавать не информацию о величине анодного напряжения, а информацию о времени разряда конденсатора при наличии возмущения величиной ь0,. Если t р )

)T/2, то компаратор 22 через ключ

3 подключает дополнительную нагрузку

R 4 и изменяет время разряда.

Вычисление времени разряда о

Формуле (1) осуществляют известными средствами с последующим преобразованием цифровой информации в напряжение для его сравнения с опорным напряжением ИОН 25, пропорциональным величине T/2. Различие схем

15 сравнения 12 и 15 заключается в том, что схема 12 выделяет амплитудную разность (за счет пикового детектора 10), а схема 15 - разность по мгновейному значению, щ Использовать информациюа Ц, выхода схемы сравнения 12 принципиально невозможно, поскольку пикогый детектор 10 запоминает информацию об амплитуде, например, в точке С на половину периода, т.е. в этом интервале Ц„ (пик. детектора)»

const. В этом сл чЪе при 3 const схема сравнения 23 была бы включена на половину периода, и конденса» тор 2 разрядился бы за это время

ЗО практическк полностью по траектории СЕ (ниже точки Е).

По информации о мгновенном значении а0, которая изменяется по мере разряда конденсатора, схема сравне35 ния 23 отключится, как только величина aUts станет равна критической величине (на фиг. 2 соответствует точке Е). Из этой точки начинается свободнйй разряд конденсатора только на эквивалентное сопротивление трубки Ер„е по траектории EF. Информацкя об анодном токе подается с резистора 9.

10 анодного напряжения, но ключ 3 замыкается только при наличии импульса

U„z . Например, в стационарном режиме (точка й) ключ 3 не замыкается, .поскольку отсутствует импульс 0ч„р.

Реализация изобретения поззоляет повысить точность стабилизации интенсивности излучения и, что особенно важно, уменьшить при этом динамическую составлякщую ошибки. В динамических системах радиационного © контроля этот фактор имеет очень важ- ное значение.

Проведекные экспериментальные исследования на макете рентгеновского генератора аппарата APG 140-5 под15 твердили преимущества предложения.

Время переходного процесса до стабилизированного уровня анодного напряжения при набросе напряжения сети на 10% в одноконтурной системе сос; тавкло 50 мс, в двухконтурной систе ме — 5-б мс.

Формула изобретения

1. Рентгеновский генератор, содержащий излучатель, главную цепь, 25 состо,, из ужавляе, выпр теля, конденсаторного сглаживающего фильтра, ннвертора и каскадного умкожителя напряжения, схему измеренкя и управления, включающую изме% рительный делитель анодного напря-. жения, пиковый детектор, источник опорного напряжения и схему сравнения, подсоединенную через преобразователь к управляемому выпрямите3S лю, отличающийся тем, что, с целью повьыення точности стабилизации анодного напряжения, в схему измерения к управления введены измерительный резистор анодно4б ro тока, вторая схема сравнения, ком- паратор, экстрематор и схема И, причем выход второй; схемы сравнения и измерительный резистор анодного тока подключены ко входам компаратора, измерительный делитель анодного на45 пряженкя - ко входу экстрематора к к инверсному входу второй схемы сравнения, к прямому входу которой под-. ключен источник опорного напряжения, а вьцсоды компаратора и экстрематора—

56 ко входам схемы И, s главную цепь введены включенные параллельно сглаживающему фильтру последовательно соединенные ключ и резистор, причем ключ соединен с выходом схеж И.

55 2. Генератор по п.1, о т л и ч ав щ к Я с я тем, что преобразователь содержйт корректирующую схему и модулятор импульсов с синхронизацией от сети.

3. Генератор ио пп. 1 н 2, о та и ч а в шийся тем, что компа-. ратор состоит из устройства вычисления времени разряда конденсатора сглаживающего фильтра, источника опорного напряжения и схемы сравнения.

9 784032 ключ 3 не срабатывает, поскольку с экстрематора 16 поступает сигнал запрета (логическкй "0"). И только. после достижения максимального уровня возмущения (точка С), при котором тиристор запирается, с экстрематора поступает сигнал 0э (логическая

"1"), разрешающий через схему И 21 прохождение управляющего сигнала

U„ схемы сравнения 23 на вход ключа 3. Как видно из временной дипо. аграюы,, сигнал 0 схемы И 21 смещен во времени относительно скгнала Uz<

Экстрематор 16, как следует нэ его назначения, определяет временное положение максимума анодного напряжения трубки. Сущность его работы заключается в определении производной анодного напряжения М„/dt.

Когда анодное напряжение достигает максимума, его производная изменяет знак. Например, точке С соответству ет изменение знака производной (точка L) с минуса на плюс. Момент этого перехода фиксируется формирователем импульсов 20, который формирует импульс разрешения Юз постоянной длительности.

Функционально экстрематор п ляет собой импульсное дкфференцирующее устройство, входной сигнал которого - измеряемая часть анодного напряжения 0 с делителя 7, мъдулируется высойочастотной (100200)кГц последовательностью кмпудьсов рк помощи ключа 17 к высокочастотного генератора 18Ä а затем промодулированный импульсный сигнал дифференцируется цепочкой 19.

Последовательность высокочаототных импульсов подается на вход формирователя 20.

На фиг. 2 пунктиром показана огибающая U ö, этих импульсов. Собственно импульсы показаны только в области точек L и М. Как правило, в подобных схемах используют усилитель-, ограничитель этих импульсов (на схеме не показан), поэтому на фиг. 2 показан ограниченный уровень импульсов. Формирователь импульсов 20 представляет собой последовательно .соединенные триггер и одновибратор.

При смене знака цроизводкой в точке М первый отрицательный импульс сбросит триггер, например, в состояние "О», s котором одновибратор не реагирует иа изменение состояния триггера. Но прк смене знака произ- водной s точке б первый положительный импульс сбросит триггер в сос;тояиие "1", которое служит управлякщим для запуска одиовибратора, мкрующего импульс U . Аналогично сработает схема и в точке И при величине возмущения FG, превиаающей критическое значение. Как видно иэ диаграмм, экстрематор формирует импульс 0з в точке каждого экстремума

784032 и (и4

Ng

Фиг.1

Фиа 2

4. Генератор по пп. 1-3, о тл.и ч а ю щ.и и с я тем, что экстре-матор состоит из последовательно.. соединенных ключа, дифференцируна1ей цепи и формирователя импульсов, а также высокочастотного генератора, выход которого соединен с управлякщим входом ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Выложенная заявка ФРГ в 2223371, кл. 21 g 20/05, опублик.

1973.

2. Выложенная заявка ФРГ 9 2443709, кл. H 05 G 1/12, оцублик. 1976 (про-, тотип).

ВЯИИПИ Заказ 8574/64

Тираж 885 Подписное

Филиал ППП Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4