CN106848997B - 一种电子枪束流控制系统的防护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电子枪束流控制系统的防护装置及方法。该装置包括：电流采样模块，分别与电子枪阴极和负高压电源输出模块相连，用于对电子枪阴极电流进行采样以获得采样电流；报警模块，与电流采样模块相连，用于根据所述采样电流判断当前电路是否发生打火，并在发生打火时输出报警信号；负高压电源输出模块，与报警模块相连，用于接收到报警信号时切断高压输出。本发明实施例可以对电子枪束流控制系统进行打火防护，提高控制系统安全性。

Description

一种电子枪束流控制系统的防护装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及保护电路技术，尤其涉及一种电子枪束流控制系统的防护装置及方法。

背景技术

电子枪是一种工作在真空状态下，通过高压对电子进行加速引出的装置。在放疗系统中，电子枪在正常工作时，阴极电流的大小反映了电子枪的电子激发能力，是放疗中衡量剂量的一个关键性指标。同时电子枪在使用过程中，由于真空度变差，会偶发出现打火现象。打火时阴极电压与正极瞬间的放电，阴极电压供电一般都是在几十KV，正极为PE，打火时产生的阴极电流(达到100A以上)和电压波动就会极大，容易引起电子枪束流控制系统的损坏。

现有技术中，专利号为“CN103248242A”的专利公开了医用电子直线加速器用栅控电子枪数字电源，包括交流输入模块、功率变化模块、高压输出模块和综合信号处理系统。但该专利中没有公开针对打火保护的技术方案，不能对电子枪控制系统进行保护，一旦发生打火，很容易打坏控制系统中的器件，存在安全隐患。

发明内容

本发明实施例提供一种电子枪束流控制系统的防护装置及方法，以实现对电子枪束流控制系统进行打火防护，提高控制系统安全性。

第一方面，本发明实施例提供了一种电子枪束流控制系统的防护装置，包括：

电流采样模块，分别与电子枪阴极和负高压电源输出模块相连，用于对电子枪阴极电流进行采样以获得采样电流；

报警模块，与电流采样模块相连，用于根据所述采样电流判断当前电路是否发生打火，并在发生打火时输出报警信号；

负高压电源输出模块，与报警模块相连，用于接收到报警信号时切断高压输出。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电子枪束流控制系统的防护方法，包括：

对电子枪阴极电流进行采样以获得采样电流；

根据所述采样电流判断当前电路是否发生打火，并在发生打火时输出报警信号；

当负高压电源输出模块接收到报警信号时切断高压输出。

本发明实施例通过电流采样模块对电子枪阴极电流进行采样以获得采样电流，并由报警模块根据所述采样电流判断当前电路是否发生打火，并在发生打火时输出报警信号，负高压电源输出模块接收到报警信号时切断高压输出，如此对电子枪束流控制系统进行打火防护，提高控制系统安全性。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种电子枪束流控制系统的防护装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种电子枪束流控制系统的防护装置的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的一种电子枪束流控制系统的防护装置的结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的一种电子枪束流控制系统的防护方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种电子枪束流控制系统的防护装置的结构示意图，本实施例可适用于对电子枪束流控制系统进行保护的情况，该装置可以通过硬件和/或软件的方式实现。

参考图1，本实施例提供的电子枪束流控制系统的防护装置具体包括：电流采样模块1，分别与电子枪阴极和负高压电源输出模块3相连，用于对电子枪阴极电流进行采样以获得采样电流；报警模块2，与电流采样模块1相连，用于根据所述采样电流判断当前电路是否发生打火，并在发生打火时输出报警信号；负高压电源输出模块3，与报警模块2相连，用于接收到报警信号时切断高压输出。

电子枪一般包括灯丝、阴极和栅极和阳极。其中，灯丝通电后能将电能转变为热能并对阴极进行加热，使阴极表面产生较高温度，从而创造一个使阴极发射电子的外部条件；阴极接负高压，呈圆筒状，灯丝装在圆筒内部，灯丝通电时，阴极受热后发射大量电子；栅极套在阴极外面，为金属圆筒，顶端开有小孔，可以让电子束通过，栅极有脉冲的时候才有阴极电流，通过改变栅极电流的大小可以控制阴极电流的大小；阳极主要用于建立一个强电场，使电子束以较快的速度进入加速管进行第二次加速。

其中，电子枪束流控制系统主要完成对电子枪阴极、栅极、灯丝的供电和供电电压/电流的监控。

其中，打火时，阴极电压与正极之间瞬间放电，阴极电流会波动极大，通过对阴极电流进行采样并与预设电流安全阈值进行比对，可判断当前电路中是否发生了打火现象，并在发生打火时发出报警信号，以迅速切断高压输出，保护电子枪束流控制系统中的元器件不被打坏。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种电子枪束流控制系统的防护装置的结构示意图，本实施例在上述实施例的基础上，优选是对电流采样模块1和报警模块2进一步优化，参考图2，具体包括如下：

优选的，所述电流采样模块1包括采样电阻11、差分运算放大器12以及第一TVS管13(Transient Voltage Suppressor，瞬变电压抑制二极管)；所述采样电阻11一端连接电子枪阴极，另一端连接负高压电源输出模块3；所述差分运算放大器12的两个输入端与采样电阻11两端相连，输出端与报警模块2相连；所述第一TVS管13的两端与差分运算放大器12的两个输入端相连。

由于打火时瞬间的电流非常大，采样电阻11需要满足打火时的瞬时功率。因此在选择采样电阻11时，通常需要满足：和P_R为需要满足的瞬时功率，I_瞬间电流为打火时的阴极电流，R为采样电阻11阻值，Q_R为需要满足的热量，t_打火时间为打火时间。综合来说采样电阻11的值选取不宜太大，选取的值一般在1Ω内。打火时间根据实际电路参数(如选取的差分运算放大器12的类型)决定，采样电流采集的越快，报警信号传输的越快，负高压电源输出模块3接收到高压使能信号越快，如此可及时切断高压输出来限制打火时间，一般可以限制打火时间在us级别。

其中，差分运算放大器12的反相输入端和同相输入端接在采样电阻11两端，用于将采样电阻11两端电压进行放大采样。差分运放器件对于电流采样来说是较为理想的器件，能满足较高的输入共模电压，保证打火时采样电阻11通过大电流而产生高共模电压但不会损坏器件。为了保证采样的实时性，使得报警信号能尽快的传递传送给下一级，可使用高速的差分器件，以满足us级别的实时采样。

其中，TVS管是一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力，当发生打火时，TVS管的两端经受瞬间的高能量冲击，它能以极高的速度(最高达1*10^-12秒)把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

优选的，所述报警模块2包括比较器21和状态锁存器22，比较器21与电流采样模块1相连，用于当采样电流大于预设电流阈值时判断当前电路发生打火，并输出报警信号；状态锁存器22与比较器21相连，用于接收到报警信号时锁定报警状态，并将报警信号上报给负高压电源输出模块3。

其中，比较器21是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路，两路输入为模拟信号，输出端为数字信号，根据比较结果，可在正常时输出低电平，打火时输出高电平，即报警信号。

其中，状态锁存器22是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它可以把信号暂存以维持某种电平状态。发生打火时，状态锁存器22将状态进行硬件锁定，如果没有人为主动操作，可一直保持打火报警状态。

在上述技术方案的基础上，优选是进一步增加了第一滤波模块4，第一滤波模块4分别与电流采样模块1和报警模块2相连，设置有第一截止频率。

其中，第一滤波模块4优选采用低通滤波器，第一截止频率的设定值可以根据实际需要来设定，由于该第一滤波模块4设置在打火防护电路中，故第一截止频率的设定值既要保证已经发生打火，又要滤出高频毛刺和/或中低频干扰，防止引起误报警。

在上述技术方案的基础上，优选是进一步增加了缓冲模块5和监控模块6，所述缓冲模块5，一端与报警模块2相连，另一端分别与监控模块6和负高压电源输出模块3相连，用于缓冲报警信号并将所述报警信号上报给监控模块6和负高压电源输出模块3；所述监控模块6，用于存储报警信号并发出报警通知。

其中，缓冲模块5优选使用buffer缓冲器芯片，主要用来将外设送来的数据进行电平转换，以便发给监控模块6或负高压电源输出模块3，还用于将监控模块6发送来的数据进行电平转换，以便发给状态锁存器22或者其他设备。

其中，监控模块6可以是具有处理能力的CPU，主要起监控作用，当CPU接收到报警信号时，可将该报警信号告知上层显示界面，通知操作人员发生了打火，在技术人员去排查问题后，如确认没有问题，可通过上层应用下发解除打火锁定的命令至CPU，CPU将该命令经缓冲器转发至状态寄存器，状态寄存器解除打火锁定状态，高压输出恢复。

其中，电子枪阴极接负高压，一般为负几千伏至负几十千伏，由此可将电子枪束流控制系统的防护装置划分成高压控制区和低压控制区，与阴极相连的电流采样模块1、第一滤波模块4和报警模块2位于高压控制区，缓冲模块5和监控模块6位于低压控制区。为了防止高压控制区和低压控制区之间产生漏电甚至击穿，可通过光纤将报警信号从状态锁存器22送入缓冲模块5，通过控制光纤长度，可保证低压控制区和高压控制区之间的绝缘强度。

本实施例中，打火防护的工作原理如下：位于高压控制区的采样电阻11将阴极电流转换成电压信号，电压信号通过差分运放放大后经过第一滤波模块4的低通滤波器进行滤波后滤出高频毛刺，再经比较器21进行判断是否产生报警信号，如产生报警信号，则将报警信号输入到状态锁存器22进行状态锁定，然后通过光纤将报警信号传送到低压控制区，最后在打火状态时切断高压输出，并同时将报警信号上报给CPU。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种电子枪束流控制系统的防护装置的结构示意图，本实施例在上述实施例的基础上，优选是进一步增加了模数数模转换模块7，参考图3，具体包括如下：

模数数模转换模块7分别与电流采样模块1和缓冲模块5相连，用于将电流采样模块1输出的模拟采样电流信号转换成数字采样电流信号，并发送至缓冲模块5；所述缓冲模块5还用于缓冲数字采样电流信号，并将所述数字采样电流信号上报给监控模块6进行监控。如此实现了对采样电流的复用来实现对阴极电流的监控，而无需再使用第三方采集工具来采集阴极电流。

其中，模数数模转换模块7连接在差分运算放大器12的输出端，差分运算放大器12输出的采样电流不仅可以用在打火防护电路中进行打火报警，还可以经模数数模转换模块7完成模拟信号到数字信号的转换，并经buffer缓冲器芯片缓冲后传输到CPU，CPU将该数字采样电流信号传输到上层显示界面进行显示，如此实现对阴极电流的实时监控。

在上述技术方案的基础上，优选是进一步增加了第二滤波模块8，分别与电流采样模块1和模数数模转换模块7相连，设置有第二截止频率。

其中，第二滤波模块8优选采用低通滤波器，第二截止频率的设定值可以根据实际需要来设定，由于该第二滤波模块8设置在阴极电流检测电路中，故第二截止频率的设定值既要保证采集到较为精确的采样电流，又要滤出干扰的高频分量。优选的，第一截止频率的设定值低于第二截止频率的设定值。

在上述技术方案的基础上，优选是进一步增加了第二TVS管9和第三TVS管10，第二TVS管9一端连接电子枪阴极，另一端连接电子枪灯丝；第三TVS管10一端连接电子枪阴极，另一端连接电子枪栅极。

由于打火时电子枪各极之间压差过大，很容易导致电路损坏，因此在电子枪阴极与栅极、阴极与灯丝之间也增加TVS管，以保护电子枪束流控制系统不受打火时产生的瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

本实施例中，阴极电流实时监控的原理如下：位于高压控制区的采样电阻11将阴极电流转换成电压信号，电压信号通过差分运放放大后经过第二滤波模块8的低通滤波器滤波后滤出干扰的高频分量，再经模数数模转换模块7将模拟信号转换成数字信号，通过光纤传输到低压控制区的缓冲器进行缓存，最后上报给CPU实现对阴极电流的实时监控。

电子枪束流控制系统还包括灯丝加热电压输出模块20和栅极脉冲模块30，灯丝加热电压输出模块20与模数数模转换模块7相连，位于低压控制区的CPU可以通过控制模数数模转换模块7进而控制灯丝加热电压输出模块20，如此实现对灯丝电压的控制，通常，通过灯丝的电流较大时，可以激发更多的电子。栅极脉冲模块30也和模数数模转换模块7相连，位于低压控制区的CPU可以通过控制模数数模转换模块7进而控制栅极脉冲模块30，如此实现对栅极电压的控制，通常，栅极电压越大，可通过的阴极电流越大。

实施例四

图4为本发明实施例四提供的一种电子枪束流控制系统的防护方法的流程示意图，本实施例可适用于对电子枪束流控制系统进行保护的情况，该方法可以由电子枪束流控制系统的防护装置进行实现，该装置可通过硬件和/或软件的方式实现，参考图4，该方法具体包括：

S410、对电子枪阴极电流进行采样以获得采样电流。

S420、根据所述采样电流判断当前电路是否发生打火，并在发生打火时输出报警信号。

S430、当负高压电源输出模块接收到报警信号时切断高压输出。

在上述技术方案的基础上，优选是将根据所述采样电流判断当前电路是否发生打火，并在发生打火时输出报警信号进一步优化为：当采样电流大于预设电流阈值时判断当前电路发生打火，并输出报警信号；锁定报警状态，并将报警信号上报给负高压电源输出模块。

在上述技术方案的基础上，优选是在根据所述采样电流判断当前电路是否发生打火，并在发生打火时输出报警信号之后，进一步增加了：缓冲报警信号并将所述报警信号上报给监控模块和负高压电源输出模块；所述监控模块存储报警信号并发出报警通知。

在上述技术方案的基础上，优选是在对电子枪阴极电流进行采样以获得采样电流之后，进一步增加了：将模拟采样电流信号转换成数字采样电流信号；缓冲数字采样电流信号，并将所述数字采样电流信号上报给监控模块进行监控。

本实施例提供的电子枪束流控制系统的防护方法，与本发明任意实施例所提供的电子枪束流控制系统的防护装置属于同一发明构思，可应用于本发明任意实施例所提供的电子枪束流控制系统的防护装置中，具备执行装置相应的功能模块和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种电子枪束流控制系统的防护装置，其特征在于，包括：

电流采样模块，分别与电子枪阴极和负高压电源输出模块相连，用于对电子枪阴极电流进行采样以获得采样电流；

报警模块，与电流采样模块相连，用于根据所述采样电流判断当前电路是否发生打火，并在发生打火时输出报警信号；其中，所述报警模块包括：比较器，与电流采样模块相连，用于当采样电流大于预设电流阈值时判断当前电路发生打火，并输出报警信号；状态锁存器，与比较器相连，用于接收到报警信号时锁定报警状态，并将报警信号发送给缓冲模块；

缓冲模块，一端通过光纤与状态锁存器相连，另一端分别与监控模块和负高压电源输出模块相连，用于缓冲报警信号并进行电平转换，以将报警信号上报给监控模块和负高压电源输出模块，以及将监控模块发送的数据进行电平转换，以发给状态锁存器，解除报警状态；

负高压电源输出模块，与缓冲模块相连，用于接收到报警信号时切断高压输出；

监控模块，用于存储报警信号并发出报警通知。

2.根据权利要求1所述的电子枪束流控制系统的防护装置，其特征在于，所述电流采样模块包括采样电阻、差分运算放大器以及第一TVS管；

所述采样电阻一端连接电子枪阴极，另一端连接负高压电源输出模块；

所述差分运算放大器的两个输入端与采样电阻两端相连，输出端与报警模块相连；

所述第一TVS管的两端与差分运算放大器的两个输入端相连。

3.根据权利要求1所述的电子枪束流控制系统的防护装置，其特征在于，还包括：

第一滤波模块，分别与电流采样模块和报警模块相连，设置有第一截止频率。

4.根据权利要求1所述的电子枪束流控制系统的防护装置，其特征在于，还包括：

模数数模转换模块，分别与电流采样模块和缓冲模块相连，用于将电流采样模块输出的模拟采样电流信号转换成数字采样电流信号，并发送至缓冲模块；

所述缓冲模块还用于缓冲数字采样电流信号，并将所述数字采样电流信号上报给监控模块进行监控。

5.根据权利要求4所述的电子枪束流控制系统的防护装置，其特征在于，还包括：

第二滤波模块，分别与电流采样模块和模数数模转换模块相连，设置有第二截止频率。

6.根据权利要求1所述的电子枪束流控制系统的防护装置，其特征在于，还包括：

第二TVS管，一端连接电子枪阴极，另一端连接电子枪灯丝；

第三TVS管，一端连接电子枪阴极，另一端连接电子枪栅极。

7.一种电子枪束流控制系统的防护方法，其特征在于，包括：

对电子枪阴极电流进行采样以获得采样电流；

当采样电流大于预设电流阈值时判断当前电路发生打火，并输出报警信号；

锁定报警状态，并将报警信号发送给缓冲模块；

通过光纤接收报警信号，缓冲报警信号并进行电平转换，以将报警信号上报给监控模块和负高压电源输出模块；

当负高压电源输出模块接收到报警信号时切断高压输出；

所述监控模块存储报警信号并发出报警通知；

当缓冲模块接收到监控模块发送的数据时，对数据进行电平转换，以根据转换后的数据解除报警状态。

8.根据权利要求7所述的电子枪束流控制系统的防护方法，其特征在于，在对电子枪阴极电流进行采样以获得采样电流之后，还包括：

将模拟采样电流信号转换成数字采样电流信号；

缓冲数字采样电流信号，并将所述数字采样电流信号上报给监控模块进行监控。