JP2015536551A

JP2015536551A - 小型ｘ線源のためのファームウェアを介した動的に調整可能なフィラメント制御

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Publication number: JP2015536551A
Application number: JP2015542881A
Authority: JP
Inventors: ディヴィッドジェイカルーソー; マークティーディンスモア
Original assignee: サーモサイエンティフィックポータブルアナリティカルインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-12-21
Anticipated expiration: 2033-11-18
Also published as: JP6270071B2; CN104782232A; CN104782232B; US8964940B2; WO2014081670A3; US20140140474A1; WO2014081670A2; EP2923534A2

Abstract

Ｘ線ビーム制御システムは、変調回路を有するフィードバック制御ループ回路を含む。フィードバック制御ループ回路は、制御信号を生成する。Ｘ線管が、管電流対フィラメント温度の非線形のフィラメント応答プロファイルを有する。補償回路が、制御信号を受け取り、且つフィラメント応答プロファイルとマッチングされた補償関数に従って制御信号を修正する。変調回路は、修正された制御信号を受け取り、駆動信号を生成する。Ｘ線管は、そのフィラメントにおいて駆動信号を受け取り、制御信号に対して線形応答を有する管電流信号を出力する。フィードバック制御ループ回路は、管電流信号を受け取る。【選択図】図４

Description

小型Ｘ線管は、非破壊分析、材料特性評価、撮像及び医療用途のための携帯機器において広範に使用されてきた。結果として得られるシステムにおける計測装置の携帯性及び使用場所の特性は、それらが、一連の動作パラメータの下で迅速に一貫して測定できることを必要とする。この種の動作の重要な態様の１つは、できるだけ迅速に安定した出力管電流を生成し始めるＸ線管の能力である。

今日まで、小型Ｘ線管は、Ｘ線管のフィラメントを制御するために主としてアナログ回路を利用してきた。制御システムに関する基本的問題は、伝達関数利得が、要求される管電流が増加するのにつれて劇的に増加することである。最も高い開ループ利得が、Ｘ線管用の最大許容可能動作管電流において発生する。アナログ制御回路を用いる安定した動作のために、全体的な利得は、この最大利得における安定性を保証するように設定される必要がある。最大電流利得の最適化は、最大管電流で流れている場合の管電流の最小オーバーシュートを伴う高速なターンオン及び整定時間を可能にする。

アナログ回路実装形態に関する問題は、より低い管電流を要求した場合に、利得が、最大電流動作におけるよりもはるかに低く、過度のターンオン及び整定時間に帰着するということである。ターンオン及び整定時間におけるこれらの増加は、不正確な測定又は適切な結果に対する分析時間の増加に帰着する可能性がある。

Ｘ線ビーム制御システムは、変調回路を有するフィードバック制御ループ回路を含む。フィードバック制御ループ回路は、制御信号を生成する。Ｘ線管が、管電流対フィラメント温度の非線形のフィラメント応答プロファイルを有する。補償回路が、制御信号を受け取り、且つフィラメント応答プロファイルとマッチングされた補償関数に従って制御信号を修正する。変調回路は、修正された制御信号を受け取り、駆動信号を生成する。Ｘ線管は、そのフィラメントにおいて駆動信号を受け取り、制御信号に対して線形応答を有する管電流信号を出力する。フィードバック制御ループ回路は、管電流信号を受け取る。

先行技術の小型Ｘ線管における管電流の制御用の基本概略図である。図１のＸ線管制御システム用の管電流対生のＰＷＭデューティサイクルのグラフである。駆動ＰＷＭ電流対生のＰＷＭデューティサイクルのグラフである。小型Ｘ線管の制御用の逆伝達関数補償を示す基本概略図である。製造におけるフィラメント制御システムの基本ブロック図である。動作におけるフィラメント制御システムの基本ブロック図である。保守におけるフィラメント制御システムの基本ブロック図である。

図１は、先行技術の小型Ｘ線管における管電流の制御に対応する機能ブロック図である。制御回路２は、パルス幅変調（ＰＷＭ）回路４に出力を供給する。ＰＷＭ回路４は、Ｘ線管６へのフィラメント駆動信号を生成する。Ｘ線管６の出力は、制御回路２への入力である。

図２は、先行技術Ｘ線制御システム用の管電流対生のＰＷＭ電圧のグラフである。これは、Ｘ線管のデューティサイクル対出力の典型的なグラフである。管電流は、デューティサイクルの非線形関数である。非線形関係故に、電流は、ＰＷＭデューティ比の大部分に対して生成されない。非線形応答が、制御回路に導入された場合に、フィードバックループの安定性に関する問題、例えば、より長い立ち上がり時間、オーバーシュート、及びより長い整定時間の整定が生じる。これらは、Ｘ線管用のより遅いターンオン時間時間に帰着する。

図３は、駆動ＰＷＭ対生のＰＷＭ電圧のグラフである。これは、Ｘ線管制御システムのデューティサイクル対出力の線形化である。更に説明されるような本発明の実施形態において、管電流の線形部は、制御回路への入力として供給される。これは、時間の低減、オーバーシュートの最小化、及び整定時間の短縮によって、フィードバックループの安定性を改善する。

ファームウェアによって制御されるシステムにおいて利用可能な処理能力を用いれば、フィラメント駆動信号に対するＸ線ビームの管電流応答を線形化する補償関数を生成することができる。

各Ｘ線管が、ユニークなフィラメント応答プロファイルを有するので、正確な補償関数、例えば逆伝達関数を生成する最良の方法は、管電流の応答を適所で測定し、且つ各装置用のユニークな曲線を生成することである。

フィラメント駆動信号は、変調された信号、例えばパルス幅変調矩形波（ＰＷＭ）であり、それはフィラメントに印加され、フィラメントは駆動パルス幅変調を平均してフィラメント加熱電力を生成する。非線形関係であるため、電流は、ＰＷＭデューティ比の大部分に対して生成されない。理想的には、ＰＷＭデューティ比と管電流との間の線形関係が好ましいであろう。所定のＰＷＭ電圧に対して、これは、変調された信号の各ステップで管電流の応答を測定することによって達成することができる。逆伝達関数が、生成され記憶される。代替として、逆伝達関数の値は、ルックアップテーブルとして記憶されても良い。ルックアップテーブルの値は、制御信号に適用され、フィラメント駆動信号になる。Ｘ線管の管電流の応答は、フィラメント駆動信号が印加される場合に、今や線形応答である。ルックアップテーブルは、複数のＰＷＭ電圧用に生成されても良い。

この測定は、Ｘ線管の製造時に、又は使用時に実行されても良く、装置上で不揮発性メモリに記憶される。動作中に、ファームウェアは、この線形化されたテーブルを用いて、要求される電流にかかわらず、一定のターンオン及び整定時間で管電流ループを制御する。

更に、この測定は、Ｘ線管のフィラメント応答プロファイルの変化に対処するために周期的に再実行することができる。経時的にテーブルを比較することは、Ｘ線管フィラメントの相対的な健全性状態に対する示唆を与えることができ、且つ予知保全用に用いることができる。

各Ｘ線管は、管電流対フィラメント温度の非線形でユニークなフィラメント応答プロファイルを有する。管電流は、カソードとアノードとの間の電子の流れである。管電流は、ミリアンペア単位で測定され、カソードに印加される低電圧の加熱電流を調整することによって制御される。フィラメントの温度が高ければ高いほど、カソードを出てアノードに移動する電子の数は大きい。コントローラのミリアンぺア又は電流設定は、フィラメント温度を調整し、フィラメント温度は、Ｘ線出力の強度に関係する。（ＰＷＭデューティサイクルによって測定されるような）異なるフィラメント電流における管電流は、適所で測定され、各装置用のユニークな曲線又は伝達関数が生成される。ユニークなフィラメント応答プロファイルとマッチングする補償伝達関数、例えば逆伝達関数が生成される。この関数は、結果としてのＸ線管電流が制御信号への線形応答であるように、フィラメント駆動信号を変更するために用いられる。

図４は、小型Ｘ線管の制御用の逆伝達関数補償を示すＸ線システム１０用の基本概略図を示す。制御フィードバック回路１２が、所望の設定を受け取り、制御信号を生成する。補償回路１４は、制御信号及びモード設定を受け取り、且つ入力信号を示す修正された制御信号を出力する。変調回路１６、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）回路又はアナログ制御信号は、修正された制御信号をフィラメント駆動信号として受け取り、それをＸ線管１８に印加する。フィードバック抵抗器２８が、Ｘ線管１８の出力部及び増幅器２０の負入力部間に入る。

制御フィードバック回路は、閉ループ制御システムである。１つの適切なフィードバック制御回路１２は、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラである。ＰＩＤコントローラ１２は、測定されたプロセス変数と所望の設定点との間の差として「誤差」値を計算する。コントローラ１２は、プロセス制御入力を調整することによって、誤差を最小化しようと試みる。

ＰＩＤコントローラ計算は、３つの別個の定数パラメータを含み、それに応じて、３項制御：Ｐ、Ｉ及びＤとして示される比例値、積分値及び微分値と呼ばれることもある。ヒューリスティックには、これらの値は、時間の観点で解釈することができる。即ち、Ｐは、現在の誤差に依存し、Ｉは、過去の誤差の累積に依存し、Ｄは、現在の変化率に基づいて、将来の誤差の予測に依存する。これらの３つの処置の加重和が、Ｘ線管１８に供給される電力などの制御要素を介してプロセスを調整するために用いられる。

フィードバック制御回路１２が、ＰＩＤコントローラである場合に、それは、正入力部及び負入力部を有する増幅器２０を含む。正入力部は、所望の設定を受け取る。直列に接続されたコンデンサ２４及び抵抗器２６が、増幅器２０の負入力部及び出力部間に入る。増幅器２０の出力部は、逆伝達関数テーブル１４に制御信号を供給する。フィードバック制御回路１２内において、変調回路は、補償回路１４から修正された制御信号を受け取り、それをＸ線管１８に印加する。更に、コントローラ２２が、増幅器２０、補償回路１４、変調回路１６及びＸ線管１８と双方向に通信する。

一実施形態において、補償回路１４は、逆伝達関数テーブル、例えば、補償関数の値を記憶したメモリであっても良い。別の実施形態において、補償回路１４は、補償関数、例えば逆伝達関数を記憶するコントローラを含む。次に、制御信号は、逆伝達関数によって動的に、例えば実時間で修正される。

別の実施形態において、複数の逆伝達関数及びモード設定が、動作条件に依存して選択されても良い。これらの動作条件は、限定されるわけではないが、高電流フィラメント、精密電流モードフィラメント、フィラメントの健全性状態、動作時間、湿度、周囲温度及び所望のＰＷＭ電圧を含む。

説明すると、高電流フィラメント及び精密電流モードフィラメントのモード設定は、より小さな電流範囲にわたるより高い精度の制御又は逆により大きな電流範囲にわたるより低い精度用に、逆伝達関数テーブルの特定部分の使用を可能にする。大きな動作電流範囲用に高電流フィラメントモードを、且つ動作範囲の単なる一部用に精密電流フィラメントモードを有することを想定することができるが、同数のテーブルエントリでより正確な初期化を可能にすることができる。

図５Ａ〜５Ｃは、製造、動作及び保守においてフィラメント制御システムに対応するプロセス流れ図である。

図５Ａは、製造においてフィラメント制御システムに対応するプロセス流れ図１１０である。ステップ１１２において、管及び制御回路が結合される。ステップ１１４において、フィラメント較正が、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号対電流プロファイルを作成することによって実行される。説明すると、これは、変調された信号の各ステップにおいて、管電流の応答を測定することによって達成することができる。ステップ１１６において、フィラメント較正に対応する補償関数が決定される。補償関数は、ＰＷＭ対電流テーブルとして不揮発性メモリに記憶される。補償関数が、制御信号に適用されると、Ｘ線管の出力は、線形応答を有する。

作動中、Ｘ線管出力は、熱電子エミッタからの放出電流が温度の指数関数なので、非線形応答である。温度は、フィラメント駆動電力の４乗に比例する。この種の急速に変化する関数を補償することは、アナログ領域では非常に困難である。理想的には、管電流とフィラメント駆動信号との間の線形応答が、Ｘ線管の全動作範囲にわたって確立可能である。これは、管電流の全動作範囲にわたって、最小のオーバーシュートを備えた類似のターンオン及び整定時間を可能にすることになる。

作動中、図６Ｂで説明されるように、制御信号は、補償伝達関数手段によって故意に歪められ、それがＸ線管によって再び歪められるとＰＩＤコントローラへの入力が線形信号になるようにする。

図５Ｂは、作動中のフィラメント制御システムに対応するプロセス流れ図１２０である。ステップ１２２において、動作電流が要求される。ステップ１２４において、電流は、ＰＷＭ信号対電流テーブルで調べられ、対応するＰＷＭ値が見つけられる。ステップ１２６において、対応するＰＷＭ値は、最適なターンオン値として適用される。ステップ１２８において、フィードバックループは、ＰＷＭ値に対応する電流を維持する。

図５Ｃは、保守又は監視中にフィラメント制御システムに対応するプロセス流れ図１３０である。ステップ１３２において、フィラメント較正プロセスが、所望のスケジュールで実行される。ステップ１３４において、生成されたプロファイルが、前のフィラメント較正と比較される。ステップ１３６において、フィラメントの健全性状態に関する判断がなされる。

一実施形態において、説明すると、コントローラは、上記のように、異なる時間にＸ線管の第１及び第２のプロファイルを取得し、且つ導き出しても良い。コントローラのコンパレータは、第１のフィラメント応答プロファイル及び第２のフィラメント応答プロファイルを受け取り比較する。コンパレータの出力は、フィラメントの健全性状態の指標である。コントローラは、ユーザからの要求の受け取りに基づいて、又は所定の動作間隔で、Ｘ線管の第１及び第２のフィラメント応答プロファイルを取得しても良い。

フィラメント温度に関連して前述のことを説明したが、本発明の実施形態のいずれも、代替として、Ｘ線管の任意の非線形パラメータに適用することができる。

図６は、手持ち式分析器のスノート２０２のクローズアップ図であり、コリメートされたシャッタ３００を示す。コリメートされたシャッタ３００は、管３０８を含む。Ｘ線管３０２が、コリメートされたシャッタ３００の一側（背後）の方へ向けられたＸ線ビーム３０４を生成する。矢印３０６によって示されているように、コリメートされたシャッタ３００は、少なくとも２つの位置間で横方向に又は回転して移動することができる。図６に示されている位置において、管３０８は、Ｘ線管制御システム３０２と窓３１０との間でＸ線ビーム３０４と整列され、Ｘ線ビームが、管３０８を通過し、窓３１０を介してスノート（口先）２０２を出て、サンプル（図示せず）に当たるようにする。主要なＸ線が出て行く管３０８の端部は、末端の出射孔３１１を画定する。サンプルからの蛍光Ｘ線３１２は、窓３１０に入り、検出器３１４（ファントム画法で示されている）に当たる。窓３１０は、汚れ又は他の汚染物質が窓３１０を通してスノート２０２に入るのを防ぐために、ポリイミドフィルムなど、Ｘ線透過材料の薄いシートによってカバーされても良い。適切なポリイミドフィルムが、Ｉ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔｄｅＮｅｍｏｕｒｓａｎｄＣｏｍｐａｎｙからＫａｐｔｏｎの商品名で入手可能である。

Claims

Ｘ線ビーム制御システムであって、
変調回路を含み、制御信号を生成するフィードバック制御ループ回路と、
管電流対フィラメント温度の非線形なフィラメント応答プロファイルを有するＸ線管と、
前記制御信号を受け取り、且つ前記フィラメント応答プロファイルとマッチングされた補償関数に従って前記制御信号を修正する補償回路と、を含み、
前記変調回路は、修正された制御信号を受け取り、駆動信号を生成し、
前記Ｘ線管は、そのフィラメントにおいて前記駆動信号を受け取り、前記制御信号に対して線形応答を有する管電流信号を出力し、
前記フィードバック制御ループ回路は、前記管電流信号を受け取る、Ｘ線ビーム制御システム。
前記フィードバック制御ループ回路は、ＰＩＤ制御ループ回路である、請求項１に記載のＸ線ビーム制御システム。
前記変調回路は、パルス幅変調回路である、請求項１に記載のＸ線ビーム制御システム。
前記補償関数は、前記フィラメント応答プロファイルとマッチングされた逆伝達関数である、請求項１に記載のＸ線ビーム制御システム。
前記補償回路は、前記Ｘ線管の前記フィラメント応答プロファイルを測定する、且つ前記補償関数を導き出すコントローラを含み、
前記コントローラは、前記補償関数に従って、修正された制御信号を生成する、請求項１に記載のＸ線ビーム制御システム。
前記コントローラは、前記補償関数の値をルックアップテーブルに記憶するメモリを含む、請求項５に記載のＸ線ビーム制御システム。
高電流フィラメント及び精密電流フィラメントを含む群から選択されるモード設定を更に含む、請求項１に記載のＸ線ビーム制御システム。
前記コントローラは、異なる時間に前記Ｘ線管の第１及び第２のフィラメント応答プロファイルを取得し、
前記コントローラは、前記第１のフィラメント応答プロファイル及び前記第２のフィラメント応答プロファイルを受け取って比較し且つフィラメントの健全性指標を生成するコンパレータを更に含む、請求項５に記載のＸ線ビーム制御システム。
前記変調回路は、一連のデューティサイクル信号を前記Ｘ線管に印加し、
前記コントローラは、前記第１及び前記第２のフィラメント応答プロファイルを記憶する、請求項８に記載のＸ線ビーム制御システム。
前記コントローラによる前記Ｘ線管の第１及び第２のフィラメント応答プロファイルの取得がユーザ起動される、請求項８に記載のＸ線ビーム制御システム。
前記コントローラによる第１及び第２の電流フィラメント応答プロファイルの取得が所定の動作間隔で行われる、請求項８に記載のＸ線ビーム制御システム。
サンプルの組成を分析するための携帯分光計であって、
手持ち式ハウジングを備え、この手持ち式ハウジングは、
変調回路を含み、制御信号を生成するフィードバック制御ループ回路を含む回路と、
管電流対フィラメント温度の非線形なフィラメント応答プロファイルを有し、前記サンプルの少なくとも一部における点を照明するための貫通放射ビームを生成し、それによって、前記サンプルからの応答信号を生成するＸ線管と、
前記制御信号を受け取り、且つ前記フィラメント応答プロファイルとマッチングされた補償関数に従って前記制御信号を修正する補償回路と、
前記応答信号を受け取り、出力信号を生成する検出器と、
前記出力信号を受け取り分析するスペクトル分析器と、を収容し、
前記変調回路は、修正された制御信号を受け取り、駆動信号を生成し、
前記Ｘ線管は、そのフィラメントにおいて前記駆動信号を受け取り、前記制御信号に対して線形応答を有する管電流信号を出力し、
前記フィードバック制御ループ回路は、前記管電流信号を受け取る、携帯分光計。
高電流フィラメント及び精密電流フィラメントを含む群から選択されるモード設定を更に含む、請求項１２に記載の携帯分光計。
前記補償関数は、前記非線形な応答とマッチングされた逆伝達関数である、請求項１２に記載の携帯分光計。
前記補償回路は、前記Ｘ線管の前記フィラメント応答プロファイルを測定する、且つ前記補償関数を導き出すコントローラを含み、
前記コントローラは、前記補償関数に従って、修正された制御信号を生成する、請求項１２に記載の携帯分光計。
前記コントローラは、前記補償伝達関数の値をルックアップテーブルに記憶するメモリを含む、請求項１５に記載の携帯分光計。
高電流フィラメント及び精密電流フィラメントを含む群から選択されるパラメータであるモード設定を更に含み、
各モード設定用に、補償関数が、前記フィラメント応答プロファイル及び前記パラメータとマッチングする、請求項１２に記載の携帯分光計。
前記コントローラは、異なる時間に前記Ｘ線管の第１及び第２のフィラメント応答プロファイルを取得し、
前記制御システムは、前記第１のフィラメント応答プロファイル及び前記第２のフィラメント応答プロファイルを受け取って比較し且つフィラメントの健全性指標を生成するコンパレータを更に含む、ことを更に含む請求項１２に記載の携帯分光計。
前記変調回路は、一連のデューティサイクル信号を前記Ｘ線管に印加し、
前記コントローラは、前記第１及び前記第２のフィラメント応答プロファイルを記憶する、請求項１８に記載の携帯分光計。
前記コントローラによる前記Ｘ線管の第１及び第２のフィラメント応答プロファイルの取得がユーザ起動される、請求項１８に記載の携帯分光計。
前記コントローラによる第１及び第２の電流フィラメント応答プロファイルの取得が所定の動作間隔で行われる、請求項１８に記載の携帯分光計。
Ｘ線ビーム制御システムを制御するための方法であって、
フィードバック制御ループによって制御信号を生成するステップと、
Ｘ線管用に、管電流対フィラメント温度の非線形なフィラメント応答プロファイルを取得するステップと、
前記フィラメント応答プロファイルとマッチングされた補償関数に従って、前記制御信号を修正するステップと、
修正された制御信号に応じて駆動信号を生成するステップと、
前記Ｘ線管のフィラメントにおいて前記駆動信号を受け取るステップと、
前記Ｘ線管が、前記制御信号に対して線形応答を有する管電流を出力するステップと、
前記フィードバック制御ループ回路によって前記管電流信号を受け取るステップと、
を含む方法。
前記補償関数は、前記フィラメント応答プロファイルとマッチングされた逆伝達関数である、請求項２２に記載のＸ線ビーム制御システムを制御するための方法。
管電流対フィラメント温度のフィラメント応答プロファイルを取得するステップは、
前記Ｘ線管の前記フィラメント応答プロファイルを測定するステップと、
前記補償関数を導き出すステップと、
を含む、請求項２２に記載のＸ線ビーム制御システムを制御するための方法。
前記補償関数の値をルックアップテーブルに記憶するステップを含む、請求項２２に記載のＸ線ビーム制御システムを制御するための方法。
前記Ｘ線管の第１及び第２のフィラメント応答プロファイルを異なる時間に取得するステップと、
前記第１のフィラメント応答プロファイルと前記第２のフィラメント応答プロファイルを比較するステップと、
フィラメントの健全性指標を生成するステップと、
を更に含む、請求項２２に記載のＸ線ビーム制御システムを制御するための方法。
第１及び第２のフィラメント応答プロファイルを異なる時間に取得するステップが、
一連のデューティサイクル信号を前記Ｘ線管に印加するステップと、
前記第１及び前記第２のフィラメント応答プロファイル、並びに前記第１及び前記第２のフィラメント応答プロファイルとマッチングされた補償関数を記憶するステップと、
を含む、請求項２６に記載のＸ線ビーム制御システムを制御するための方法。
プロセッサにＸ線ビーム制御システムを制御する動作を実行させるための機械可読命令のプログラムを記憶する非一時的なコンピュータ可読記憶媒体であって、前記動作が、
前記Ｘ線ビーム制御システムのフィードバック制御ループによって制御信号を生成するステップと、
前記Ｘ線ビーム制御システムのＸ線管用に、管電流対フィラメント温度の非線形なフィラメント応答プロファイルを取得するステップと、
前記フィラメント応答プロファイルとマッチングされた補償関数に従って、前記制御信号を修正するステップと、
修正された制御信号に応じて駆動信号を生成するステップと、
前記Ｘ線管のフィラメントにおいて前記駆動信号を受け取るステップと、
前記Ｘ線管により前記制御信号に対して線形応答を有する管電流を出力するステップと、
前記フィードバック制御ループによって前記管電流信号を受け取るステップと、
を含む、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。