张伟　张建　尹德有　高岩　孙天澳　霍亮

摘 要：在X射线管应用中，灯丝电源是保证X射线管稳定输出的重要组成部分。在X射线管使用过程中，射线管灯丝温度随时间不断升高，导致灯丝阻抗变化引起X射线管输出不稳定，本文提出了一种数控恒功率灯丝电源的设计，该设计能够提高由于灯丝阻抗变化引起的X射线管不稳定性，同时数控电源能够满足X射线管输出的调整和精度需要，并且不需要复杂的供电电源设计，同时是一种低成本的电源设计方法。

关键词：X射线管 灯丝电源 数控 恒功率

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（c）-0119-02

随着X射线管在工业检测、医学、食品安全等领域的不断应用，由于对其稳定性和检测精度、寿命等要求不断提高，相应的配套灯丝电源和高压电源也成为X射线管应用领域的重要研究方向。传统的配套电源采用工频电源，或恒压输出，或恒流输出都无法保证在X射线管应用中灯丝阻抗随温度变化而引起的射线输出的不稳定。本文介绍的数控恒功率灯丝电源的设计，克服了由于温度变化引起的灯丝阻抗变化而导致的不稳定输出。

1 灯丝电路的工作原理

灯丝电源电路组成包括灯丝供电电源、数模转换电路、控制电路、灯丝电流反馈电路、采样电路等。在X射线管正常使用过程中，随着灯丝阻抗的变化，阳极电流会出现变化，将这一电流变化转换成电压，通过A/D模数转换器采样反馈到主机中，通过主机控制算法，经过D/A数模转换器输入给控制电压，从而形成一套闭环控制系统，从而达到数控恒功率控制，使得X射线管输出稳定（见图1）。

1.1 灯丝供电电源

本文使用的是牛津（OXFORD）射线管，阳极电压范围4～30kV，最大阳极电流0.2mA，最大灯丝电流不超过1.3A，最大功率6W。依据射线管的技术指标，设计灯丝供电电源电压输出+3.3V，3A，小于1%的纹波（见图2）。

1.2 控制电路

如图3所示，控制电路由两个三极管组成，其中AIN+、AIN-为控制电压输入，用于控制Q1导通作为射线管灯丝阳极电压，R2为灯丝串联电阻，Q2用于对灯丝电压的钳位保护，F1为1.25A保险丝，图中J1-F接口为射线管阳极。

1.3 DAC数模转换电路

DAC转换电路输出主机计算后的控制电压，用于对Q1的导通电压的控制。本文采用高精度16位转换器AD5542实现。

1.4 灯丝电流反馈采样电路

如图4所示，J1-2为X射线管阴极，射线管阴极电流经过反馈电阻R11，将阳极电流转换成电压，经过一级放大器和减法电路处理，转换成A/D模数转换器的模拟电压采样范围。

1.5 ADC采样电路

本文使用8通道A/D模数转换器AD7606进行射线管反馈电压采样。

1.6 主机

在上述设计原理以及软件结构的基础上，采用Altera公司FPGA，Cyclone E系列芯片EP4CE22作为主机，将A/D采样的反馈电压通过计算换算成阳极电流，通过PID运算，设定阳极工作电流，针对反馈阳极电流与设计阳极电流之间的输入偏差做调整，输出D/A控制电压，最终使X射线管达到平衡。

2 设计验证与应用

本文将X射线管、高压电路、灯丝电源电路构成X射线发射端，用电离室探测器、前置放大器電路、电源供电电路和高压电路构成X射线接收端，其工作原理如图5所示。

如图6、图7所示，使用固定电压输出控制灯丝电流时，灯丝由于加热过程中温度升高导致阻值变化，引起射线管输出逐渐下降，在正常使用过程中，这种输出下降的现象保持时间能够达到12h以上，过长的稳定时间，无法保证产品的正常使用。本文使用的数控恒功率电源控制电路很好地保持了X射线管输出稳定性，降低了响应时间，保证了产品的正常使用。

3 结语

X射线管电源控制包括高压控制和灯丝电源控制，其中采用数控恒功率电源的射线管灯丝电源保证了X射线的稳定输出，而且设计简单，没有复杂的电源供电系统，同时能够在主机中通过软件方法加入其他影响X射线管输出的因素，例如射线管窗口温度、环境温度等变量加以修正，提高了产品的性能、精度和稳定性。

参考文献

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