CN104144551B - 一种可控脉冲发射冷阴极x光机高压电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统，包括阳极直流高压电源、栅极脉冲调制电源、高压隔离供电单元，以及电源系统控制单元（MCU）；阳极直流高压电源输出正负高压接至X光机的X光管的阳—阴两极；栅极脉冲调制电源包括栅极直流高压电源、栅极可控放电开关、栅极可控放电开关驱动及保护单元、栅极放电电流取样单元；栅极脉冲调制电源悬浮工作在阳极直流高压电源输出负高压电位上；栅极放电电流经取样单元取样电流信号连接至栅极驱动及保护单元；栅极直流高压电源加在栅极可控放电开关与灯管栅极连接的两端，以满足冷阴极X光机系统的脉冲发射次数可控、脉冲宽度可调、能耗低、辐射剂量小等要求。

Description

一种可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统

技术领域

本发明涉及一种应用于冷阴极X光管负载的脉冲高压电源系统，满足冷阴极X光机系统的脉冲发射次数可控、脉冲宽度可调、能耗低、辐射剂量小等要求。

背景技术

X光机射线系统目前广泛应用于医疗卫生、工业无损探伤、安全检测等多项领域，传统X光机射线系统是利用加热X光管内的金属灯丝到上千摄氏度高温，再利用直流高压电场将灯丝电子拉出轰击金属靶以产生X射线，对检测目标进行拍照，如CN101702864A一种X射线管专用高压电源，包括封装在壳体内的电源电路，所述电源电路上焊有连接器(1)、连接器(2)、连接器(3)，电源电路由灯丝供电电路、高压控制电路、高压驱动及输出电路三部分组成，所述高压控制电路分别与灯丝供电电路、高压驱动及输出电路连接；灯丝供电电路包括：辅助电路、振荡电路、电流反馈电路、保护电路、灯丝电压输出电路、判定启动电路、电流采样及显示电路，所述辅助电路中的输入电源24V+一路接电容1C1正极，另一路接主控制电路FM的1脚，电容1C1的另一端接主控制电路FM的2脚并接地及电源24V-。这种工作方式存在辐射量大、对作业人员和被检查人员伤害大、射线源功耗大、利用率低，以及无法对动态物体进行清晰拍照等缺陷，采用冷阴极X光机射线源可以很好的规避掉传统X光射线源系统的弊端。

冷阴极X光机射线源采用栅控型X光管结构，通过对X光管栅极电流幅值、电流导通时间进行控制，实现对X光管管电流的控制，从而达到对X射线剂量的控制，冷阴极X光射线源可在几毫秒时间内完成拍照，运行效率高、能耗小、辐射危害较传统X光机下降70%—80%。同时，冷阴极X光管去掉了传统热阴极X光管的金属灯丝，大大增加了光管的使用寿命，冷阴极X光射线源势必会替代传统X光射线源。根据冷阴极X光机的应用要求，研制出配套使用的体积小型化、高可靠性、脉冲发射次数及宽度可控的X光机高压电源，为推动冷阴极X光射线源的产业化具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明目的是根据冷阴极X光管的应用技术指标情况，以及现阶段常规X光机高压电源的研究现状，提出一种脉冲可控的冷阴极X光机高压电源技术方案，在满足X光管应用要求的前提下采用新的高压隔离方案以实现电源系统的高安全性、高可靠性，减小高压电源的体积和重量，具有较好的量产经济性。

本发明的技术方案如下：一种可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统，包括阳极直流高压电源、栅极脉冲调制电源、高压隔离供电单元，以及高压电源系统控制单元（MCU）组成。阳极直流高压电源输出正负高压接至X光管阳—阴两极。

栅极脉冲调制电源包括栅极直流高压电源、栅极可控放电开关、栅极可控放电开关驱动及保护单元、栅极放电电流取样单元。

栅极脉冲调制电源悬浮工作在阳极直流高压电源输出负高压电位上。栅极放电电流经取样单元取样电流信号至栅极驱动及保护单元，在栅极放电电流过放状态下拉低栅极可控放电开关的栅极驱动电平。栅极直流高压电源加在栅极可控放电开关与灯管栅极连接的两端，通过电源系统控制单元(MCU)发出脉冲宽度及频率可调的驱动同步信号至栅极可控放电开关驱动及保护单元，栅极可控放电开关驱动及保护单元通过对驱动同步信号进行功率放大后驱动栅极可控放电开关，从而触发冷阴极X光管的栅极，最终在阳极直流高压电源和栅极脉冲调制电源共同作用下实现冷阴极X光管电流发射。可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源电路工作原理可参考图2-3。

电源系统控制单元（MCU）实现对阳极直流高压电源、栅极直流高压电源的电压幅值进行控制及显示反馈；提供栅极脉冲驱动同步信号，驱动宽度、频率及脉冲发射个数可控，脉冲驱动同步信号宽度调节可在10μs—500ms范围内可调，频率调节范围1Hz—1kHz内，脉冲发射个数可设置单次或连续多发次脉冲。

栅极直流高压电源、栅极可控放电开关驱动及保护单元供电采用高压隔离供电方式；本发明从电源系统小型化及可靠性等方面考虑，提出高频开关电源隔离供电技术。

电源系统控制单元（MCU）与栅极脉冲调制电源之间的控制连接采用光纤连接，保证高低电位可靠隔离。

可控脉冲发射X光机高压电源系统工作原理是根据冷阴极X光管的工作特性和应用要求进行设计，阳极直流高压电源直接加在X光管的阳-阴极之间，由于X光管耐压特性可以保证此时无管电流。

阳极直流高压电源由于电压需要工作在几十kV到几百kV的直流高压上，从X射线源绝缘安全性和制造经济性等方面考量，最优的技术方案是在X光管阳-阴两极之间采用正负电源供电，比较通用的X光管工作在±40kV—±80kV之间。对于本发明可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统中的栅极直流高压电源、栅极可控放电开关及栅极可控放电开关驱动及保护单元皆需要悬浮工作在-40kV—-80kV高压上。

本发明方案中采用一套高压隔离供电单元对栅极直流高压电源及栅极可控放电开关驱动及保护单元进行动力供电，高压隔离供电单元工作在几十kHz的频率上，通过特殊高频隔离变压器传递能量并隔离高电压，在保障电源系统工作安全性的前提下使得电源体积小型化。高压隔离供电单元工作原理图可参考图2。

电源系统控制单元(MCU)实现对阳极直流高压电源、栅极高压电源的电压阈值进行控制，并对栅极可控放电开关的工作频率和脉冲宽度控制，栅极可控放电开关驱动及保护单元可快速检测栅极电流过放故障并快速切断放电开关的驱动信号实现保护。电源系统控制单元(MCU)与高电位单元之间发送和回传的信号全部采用光纤隔离。以满足冷阴极X光机系统的脉冲发射次数可控、脉冲宽度可调、能耗低、辐射剂量小等应用要求。同时从电源体积小型化因素考虑，采用高频开关电源及特殊高频变压器隔离供电技术方案，使栅极直流高压电源、栅极开关驱动及保护单元悬浮工作在高电位上，保障电源系统可靠运行。

本发明有益效果是，通过提出的一种可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统，采用可控放电开关对冷阴极X光管进行栅极脉冲调制，可最终实现对X射线源的脉冲可控发射，射线检测速度快、能耗小、可靠性高，并大幅减小X射线源的辐射危害，保障了系统应用的安全性。另外采用的特殊化高压隔离高频供电技术大幅减小电源体积，使得电源系统在保障可靠性、安全性条件下具有很好的经济性。

附图说明

图1为本发明一种可控脉冲发射X光机高压电源系统的原理框图。

图2为本发明一种可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统的电原理图；

图3为本发明一种可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统中高压隔离供电单元原理电路图。

图中：1、电源系统控制单元（MCU）；2、阳极直流高压电源；3、栅极可控放电开关；4、冷阴极X光管负载；5、栅极直流高压电源；6、高压隔离供电单元；7、栅极可控放电开关驱动及保护单元；8、栅极放电电流取样单元；9、阳极直流高压电源电压取样网络；10、阳极直流高压电源负高电压倍压网络；11、阳极直流高压电源正高电压倍压网络。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：如图1-3所示，本发明所述的可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统，主要由阳极直流高压电源2、栅极直流高压电源5、高压隔离供电单元6、栅极可控放电开关3、栅极可控放电开关驱动及保护单元7、栅极放电电流取样单元8及电源系统控制单元1组成，冷阴极X光管负载4为本发明所指高压电源系统的负载。

阳极直流高压电源2主回路采用半桥串联谐振的拓扑结构形式，高频输出电压经阳极直流高压电源负高电压倍压网络10及阳极直流高压电源正高电压倍压网络11倍压整流为±80kV高压输出，阳极直流高压电源2正负输出高电位接至冷阴极X光管负载4的阳-阴两极，此时由于X光管特性可保证在只加阳极直流高压时不发射电子流，阳极直流高压电源电压样网络9取样输出负高压值反馈至阳极直流高压电源2中电源控制板，实现对阳极直流高压电源2的电压输出控制。栅极直流高压电源5通过栅极可控放电开关3接至冷阴极X光管负载4的栅极。当需要X光管发射电子流时，电源系统控制单元1发出所需频率和脉冲宽度的驱动同步信号至栅极可控放电开关驱动及保护单元7，经过栅极可控放电开关驱动及保护单元7对同步信号进行功率放大后驱动导通栅极可控放电开关3，栅极直流高压电源5通过栅极可控放电开关3对冷阴极X光管负载4的栅极进行触发电离，使得冷阴极X光管负载4的阴极电离电子在阳极直流高压电源2的高压电场作用下发射出来，轰击金属靶产生X射线。

阳极直流高压电源2和栅极直流高压电源5的输出电压调节控制通过电源系统控制单元1进行控制，对于需要高压隔离的部分采用光纤隔离连接。栅极放电电流取样单元8取样冷阴极X光管负载4栅极触发电流信号至栅极可控放电开关驱动及保护单元7，后进行栅极放电电流故障判断，当发生过流放电故障时快速拉低切断栅极可控放电开关驱动及保护单元7的驱动信号，实现过流保护。

由于栅极直流高压电源5和栅极可控放电开关驱动及保护单元7需要悬浮在负几十kV高压电位上工作，需要由高压隔离供电单元6进行隔离供电，以保障高压电源的可靠运行。如图2所示，高压隔离供电单元6主回路采用半桥串联谐振的电路（拓扑结构形式），开关工作频率在40±10kHz左右，高频电压输出采用多路变压器输出形式，利用输出高频变压器磁芯结构设计初次级之间的绝缘，从而实现栅极直流高压电源5和栅极可控放电开关驱动及保护单元7需要悬浮工作在高电位上的供电要求，并且保证栅极直流高压电源5和栅极可控放电开关驱动及保护单元7之间的电位隔离。

本发明提出的可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统，具有对X光机射线源发射剂量脉冲精确可调功能，使得冷阴极X光机射线源应用安全性更高、能耗低、有效加长射线源的使用寿命，另外采用的高压隔离高频供电技术使得冷阴极X光机高压源系统体积大幅减小，并具有更高的绝缘性能，减小高压源的生产加工成本。本发明提出的技术方案在冷阴极X光机射线源中的应用具有广泛的适用性和良好的经济性。

Claims (4)

1.一种可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统，其特征是包括阳极直流高压电源、栅极脉冲调制电源、高压隔离供电单元，以及电源系统控制单元（MCU）；

阳极直流高压电源输出正负高压接至X光机的X光管的阳—阴两极；

栅极脉冲调制电源包括栅极直流高压电源、栅极可控放电开关、栅极可控放电开关驱动及保护单元、栅极放电电流取样单元；

栅极脉冲调制电源悬浮工作在阳极直流高压电源输出负高压电位上；栅极放电电流经栅极放电电流取样单元取出取样电流信号连接至栅极可控放电开关驱动及保护单元，在栅极放电电流过放状态下拉低栅极可控放电开关的栅极驱动电平；栅极直流高压电源加在栅极可控放电开关与灯管栅极连接的两端，电源系统控制单元发出脉冲宽度及频率可调的驱动同步信号至栅极可控放电开关驱动及保护单元，栅极可控放电开关驱动及保护单元通过对驱动同步信号进行功率放大后驱动栅极可控放电开关，从而触发冷阴极X光管的栅极，在阳极直流高压电源和栅极脉冲调制电源共同作用下实现冷阴极X光管电流发射；

电源系统控制单元实现对阳极直流高压电源、栅极直流高压电源的电压幅值进行控制及显示反馈；提供栅极脉冲驱动同步信号，驱动宽度及脉冲发射个数可控；

栅极直流高压电源、栅极可控放电开关驱动及保护单元供电采用高压隔离供电方式；阳极直流高压电源在X光管阳-阴两极之间采用正负电源供电，在±40kV—±80kV之间；可控脉冲发射X光机高压电源系统中的栅极直流高压电源和栅极可控放电开关及栅极可控放电开关驱动及保护单元皆悬浮工作在-80kV—-40kV高压上；高压隔离供电单元主回路采用半桥串联谐振的电路，谐振开关工作频率在40±10kHz，高频电压输出采用多路变压器输出形式，实现栅极直流高压电源和栅极可控放电开关驱动及保护单元需要悬浮工作在高电位上的供电。

2.根据权利要求1所述的可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统，其特征是电源系统控制单元与栅极脉冲调制电源之间的控制连接采用光纤连接。

3.根据权利要求1所述的可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统，其特征是采用高压隔离供电单元对栅极直流高压电源及栅极可控放电开关驱动及保护单元进行供电，通过高频隔离变压器传递能量并隔离高电压。

4.根据权利要求1所述的可控脉冲发射冷阴极X光机高压电源系统，其特征是电源系统控制单元(MCU)实现对阳极直流高压电源和栅极高压电源的电压阈值进行控制，并对栅极可控放电开关的工作频率和脉冲宽度控制，栅极可控放电开关驱动及保护单元能快速检测栅极电流过放故障并快速切断放电开关的驱动信号实现保护。