應用于車載工業CT系統的駐波電子直線加速器設計

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

車載工業CT用駐波電子直線加速器，屬于移動式射線源，相比傳統固定式加速器，要求體積小、結構優且工作穩定可靠，可適用多種惡劣工況，包括極限低溫以及高速路、國道、砂石路等多種路況。由于車載集裝箱空間有限，需對加速器原理、結構進行優化，在保證設備穩定可靠性的前提下，又兼顧設備日常維護、維修的可操作性。車載加速器應用于野外，采用距離防護，需對加速器運行參數數字化，通過遠距離通訊方式進行遠程操作和監控，保證設備展開的輕便簡捷且易于實時觀測設備運行狀態。

1 整體結構的優化設計

加速器所有部件放置在車載集裝箱內，由于空間狹小且考慮足夠的檢修空間，同時兼具抗振性能，對加速器的結構進行優化調整，去掉常規加速器的控制臺、調壓器、穩壓電源，保留機頭、調制器柜、水冷機組，同時為滿足CT系統成像的需求，在加速器機頭主射線束前方加裝前準直器。

1.1 機頭

在常規加速器機頭結構的基礎上，對其內部重新布局，在增加抗振強度、保證絕緣距離的同時縮小機頭體積。對機頭內懸臂結構增加多點支撐加固，盡量避免懸臂結構；精加工機頭底板，所有與機頭底板聯接部件采用定位銷孔結構，如圖1所示，防止器件因振動或沖擊而產生脫落或位移。

圖1 多點支撐及底板固定結構圖

優化磁鋼選型，選用體積小、重量輕、易調整磁鋼，對比圖如圖2所示。

圖2 磁鋼選型對比

加強對磁控管的固定。磁控管作為微波功率源，其可靠固定決定了X射線的穩定性。原設計只對磁控管單端進行固定，改進設計對磁控管兩端都進行固定。

1.2 調制器柜

由于取消控制臺，新調制器柜兼具控制臺功能，主要由燈絲供電及保護分機、聚焦及保護分機、逆變充電分機、PLC中控分機、低壓電源分機、監控與保護分機，高壓柜等部分組成，如圖3所示。每個分機做成抽屜的形式可向外拉出，便于維修和檢測，具體改進設計包括以下方面。

圖3 調制器柜結構

1）高低壓隔離。由于柜內有低壓控制電路及高壓充電回路，電壓相差大，高壓脈沖容易對低壓回響造成干擾。用屏蔽網將高壓與低壓部分隔離開來，同時加強高壓回路層間的可靠接觸，將整個柜體可靠接地。

2）加強冷卻。調制器柜內有諸如IGBT、大功率電阻、高頻變壓器等功率器件，其溫度系數決定整個設備的可靠性。對柜內各層之間的隔板采用密目網孔設計，同時增加風扇數量并合理布置位置，在上下層形成流通通道，使熱量迅速排到柜體外。對充電分機中發熱嚴重的IGBT等器件，緊貼其表面進行水冷冷卻，以適應CT系統對加速器長時間穩定可靠工作的要求。

3）抗振性能設計。將直插式繼電器改為焊接在PCB板上的繼電器結構，防止繼電器脫落；在斷路器上增加輔助觸點，斷路器跳閘時可在上位機給出提示；調制器柜內元器件支架的底端和頂端均加以固定，同時將電阻、硅堆的固定方式由C型槽改為O型槽；采用菲尼克斯重載連接器，可更好的防塵、防水、承受高機械應力，有效進行EMC防護，確保數據和信號安全傳輸。

4）數字化與信號隔離。加速器運行參數由PLC模擬量輸入模塊采集后通過自由口通訊傳送至上位機。對于取自高壓側的槍平均電流和管平均電流信號，當機頭內出現打火等異常放電的情況時，會出現干擾PLC信號采集甚至損壞PLC的情況，需要對信號進行隔離。采用基于壓頻-頻壓轉換結合光耦隔離的方式[1]，將信號高壓地與PLC控制地隔離，原理框圖如圖4所示。首先對取自高壓側的電壓信號進過濾波，通過AD654將電壓信號線性的轉換為脈沖信號，經過光耦進行隔離后，通過LM331再將脈沖信號轉換為電壓信號，最后進入PLC模擬量采集模塊采集處理。

圖4 壓頻-頻壓轉換系統框圖

1.3 前準直器

由四個可獨立運動的鎢塊及其控制系統組成，通過鎢門張角變化來改變X射線的照射視野，以滿足CT系統線陣或面陣探測器的成像需求。外層鎢塊可水平運動，內層鎢塊可垂直運動，垂直、水平方向單向張角均不小于10°，定位精度：±0.2°。使用4個電機，分別獨立驅動4個鎢塊運動。為便于操作，鎢門控制分為近控和遠控兩種方式，近控角度顯示和啟停按鈕位于鎢門運動機構上；遠控是將鎢門的角度信號由PLC采集并發送至上位機進行顯示，啟停及角度命令由上位機發出，通過控制繼電器來實現。內部結構和實物如圖5所示。

圖5 鎢門內部結構和實物圖

2 逆變串聯諧振充電技術設計

調制器柜采用逆變串聯諧振原理進行充電，可提高充電精度、充電速度，為整機提供高精度脈沖高壓，保證劑量率穩定性。該方案取消DQ變壓器及其控制電路、調壓器及主變壓器，使整機尺寸進一步減小。主要包括三相全橋整流濾波電路、IGBT全橋逆變電路、IGBT驅動電路、充電控制與保護電路、LC串聯諧振電路、高頻升壓變壓器等部分。工作原理是將工頻380V電壓整流后，通過IGBT組成的H橋逆變電路變為高頻交流電，LC串聯諧振，然后通過高頻變壓器升壓至合適的電壓，最后整流為直流高壓對仿真線進行恒流充電。串聯諧振充電采用方式，電流斷續工作，開通時電流緩慢增加，關斷時零電流關斷，開關損耗低且干擾小。主回路原理如圖6所示。

圖6 調制器主回路原理圖

主回路使用英飛凌FF450R12ME4型IGBT。驅動電路采用2SP0115T型帶電氣接口的雙通道驅動器，它是由CONCEPT研發的高集成度SCALE-2芯片組成，具有開關損耗小，門級鉗位、關斷過壓保護、短路保護等功能，適用于IGBT的可靠驅動和安全工作[2]。充電控制的核心是TL494脈沖調制集成電路，其內部結構和外部電路如圖7所示。可產生兩路相差180°的脈沖信號驅動IGBT。脈沖頻率由f=1/RC的鋸齒波信號確定。調整死區時間電壓值可改變兩路信號間的死區時間，超過3.3V死區時間占比100%，即沒有脈沖輸出（封脈沖）。調整3腳電壓值可改變脈沖信號的寬度，每個充電周期的后期通過適當減小脈沖占空比來進行慢沖，可提高充電精度[3]。

圖7 TL494內部及外圍電路圖

諧振電流如圖8所示，包括快充和慢充兩部分，單脈沖充電時間為2.6ms左右，諧振頻率為30kHz左右，滿足加速器重復頻率在50～250Hz時的充電要求。

圖8 諧振電流及局部圖

3 PLC控制及通訊程序設計

加速器的運行控制和連鎖保護是由PLC實現的。PLC要滿足加速器在通電、待機、開機、準備好、出束、停束的運行過程中所必須滿足的連鎖要求，并按一定的流程給出控制信號，通過控制相應的繼電器輸出，啟動或停止相應設備，實現加速器的正常運行。

加速器PLC通過自由口與CT控制計算機通信，將加速器的工作狀態、運行參數、故障代碼及鎢門開合角度等信息定時發送到CT控制計算機，由CT控制計算機主界面進行顯示；加速器PLC不定時接收來自CT控制計算機的加速器操作、鎢門角度開合等控制命令。接收和發送均采用中斷的方式完成，加速器每0.5秒進入一次發送中斷，向上位機發送數據；當接收來自上位機的命令時，由于接收中斷優先級高于發送中斷[4]，PLC進入接收中斷開始接收命令，判斷接收完成則跳出中斷繼續發送數據，否則繼續接收，流程圖如圖9所示。

圖9 PLC通訊程序流程圖

4 驗證試驗設計

加速器在設計、調試完成后進行了相應的試驗驗證。

1）指標測試。包括電子束能量、最大劑量率、焦點、均勻性、不對稱性、劑量率穩定性、2小時滿功率工作可靠性等指標進行測試，結果滿足技術協議要求。

2）車載振動試驗。找到振動幅度較大的薄弱位置，對機械結構加以改進，使得薄弱位置的抗振性能得到改善，從而確保加速器經過長時間運輸過程后可以隨時穩定可靠的使用。

3）24小時低溫試驗。檢驗加速管、磁控管、閘流管等關鍵部件的可承受的溫度范圍，并檢驗使用防凍液替代蒸餾水作為循環冷卻液的可行性，確保加速器在惡劣環境溫度下可以正常使用。

5 結束語

車載工業CT系統機動性強、檢測效率高，不需固定探傷室，可機動至待測工件貯存場所，實現靠前檢測，是工業CT檢測系統由固定式向機動式轉變的重要標志。作為車載工業CT系統核心部件之一的射線源，車載加速器又決定了整個CT系統的穩定性、可靠性。該項目的研制成功，增強了工業CT應用領域的競爭實力，提升了加速器相關技術的裝備水平，填補了國內同行業應用的空白，也為加速器在更多領域的應用和市場推廣打下了良好的基礎。