Рентгеновский генератор

Союз Советских Социалистических Республик(22 Заявлено 180179 (21) 2715938/18-25с присоединением заявки йо(51)М. Кл, Н 05 6 1/32 Государстаемнмя коинтат СССР по дмаи изобрстанпя к отарытпй(54) РЕНТГЕНОВСКИЙ ГЕНЕРАТОР 2 1Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно - к рентгеновским генераторам со средствами.стабилизации анодного напряжения на рентгеновской трубке. 5К рентгеновским генераторам аппаратов, применяемых в составе замкнутых систем радиационного контро- ля, например в радиационных толщи- номерах проката, предъявляют весьма 30 высокие требования к быстродействию и точности регулирования анодного напряжения. Как правило, в системах высокой точности применяют конденсаторные аппараты, характеркзукщиеся наиболее равномерным спектром и наибольшей интенсивностью излучения.В рентгеновских генераторах с преобраэователямк частоты, как пра Е выло, используют два конденсаторных фильтра: первый - низкочастотный, служащий для подавления пульсаций выпрямленного напряжения сети, которое используется для питания пре. образователя частоты (инвертора), второй - высокочастотный, который входит в состав высоковольтного генератора, как правило, это фильтр каскадного умножителя напряжения. ЗО Если сетевой выпрямитель нерегулируемый, то между ним и инвертором находится регулятор, которай также может содержать сглаживающий фильтр, В современных рентгеновских генераторах получают распространение импульсные регуляторы напряжения,Известей рентгеновский генератор, содержащий инвертор и импульсный регулятор постоянного напряжения, которой питает инвертор, измерительный делитель анодного напряжения, соединенный с импульсным регулятором по схеме обратной связи, включающей схему сравнения и источник опорного напряжения 111 .Наиболее близким к изобретению техническим решением является рентгеновский генератор., содержащий излучатель, главную цепь, состоящую из управляемого выпрямителя, конденсаторного сглаживающего фильтра, инвертора к каскадного умножителя напряжения, схему кэмерения и управления, включающую измерительный делитель анодного напряжения, пиковый детектор, источник опорного напряжения и схему сравнения, подсоединенную через преобразователь к управляемому выпрямителю 2.Методические преимущества схемырассматриваемого генератора известны. Регулирование постоянного напряжения при помощи высокочастотной модуляции (в известном генераторе применяется двухпоэиционный (релейный) модулятор, режим работы которого соответствует частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) позволяет получить высокие динамические показатели. Но практическая реализация генераторов большой мощности связана срядом трудностей. Схемы с ЧИИ не позволязт оптимизировать работу ключевого элемента, замыкающего диода,дросселя и конденсатора сглаживазщего фильтра, так как эти элементыработазт в переменном частотном диапазоне. Кроме того, схема с ЧИНне эективиа при низких анодиыхнапряжениях. Практически схема с ЧИМне применяется иа мощности большенескольких десятков ватт.Схемам .с широтно-импульсной модуляцией (ШИК) такие недостатки не.свойственны ио присущ другой недостаток " насыщение дросселя сглаживающего фильтра импульсного регулятора при больших токах нагрузки иэза наличия постоянной составлязщейв модулируемои напряжении. Этот фактор йриводит к резкому увеличенизтока через клзчавой элемент. поэтому Мание сХеМы на большие мощноститакже ие прииенязтся или применязтся,но с"существенными аппаратурнымиусложнениями, связанными с устранением режима ласыщения дросселя.Наиболее простыми и экономичными являЬтся"регуляторы постоянногонапряжения, выполненные на основеуправляемых выпрямителей. Показате. ли таких регуляторов еще более возраслн в связи с созданием оптронныхтиристоров (Фототиристоров), которые входят в .состав выпрямителя. Поэкономичности и аппаратурной емкостиони значительно превосходят известнйе устройства с различными видамичастотной модуляции, ио по быстродействию уступают последним, так какрегулирование в управляемых выпрямителях происходит на частоте питазщей сети,В некоторых случаях введение корректирузщего звена в систему управлениягенератором позволяет повыситьбыстродействие системы упраВленияи обеспечить ошибку стабилизацииаьодйого напряжения в заданных пределах, Однако реализовать воэможнос-ти быстродействия системы управления не всегда удается из-за неполнойуправляемоститиристоров мостового- выпрямителя и его вентильных свойств,Так при некотором уровне воэмущаз,щего воздействия происходит заряд,Фильтрузщего конденсатора. до такогоуровня, что в следующий полупериод в момент прихода управляющего импуль.са тиристор не отпирается, так какнапряжение на конденсаторе превышает напряжение в сети, соответствузщее джазовому положению управляющегоимпульса. И замкнутая схемно система стабилизации оказывается параметрически разомкнутой на некоторое время. Это приводит к увелнчениз ошибкистабилизации в переходном режиме и,следовательно, общей ошибки стабилизации.Цель изобретения заключается втом, чтобы повысить точность стабилизации анодного напряжения в рентгеновском генераторе.1% Достигается это тем, что в рентгеновском генераторе, содержащемизлучатель, главнуз цепь, состоящуз из управляемого выпрямителя, конденсаторного сглаживающего фильтра,;ф инвертора и каскадного умножителянапряжения, схему измерения и управления, включающую измерительный де"литель анодного напряжения, пиковыйдетектор, источник опорного напряжения и схему сравнения, подсоединенную через преобразователь к управляемому выпрямителю, в схему измерения и управления введены измерительный резистор анодного тока, втораясхема сравнения, компаратор, экстреЗф матор и схема И, буричем выход второй схемы сравнения и измерительныйрезистор анодного тока подключенык входам компаратора, измерительныйделитель анодного напряжения - квходу экстрематора и к инверсномувходу второй схемы сравнения, к прямому входу которой подклзчен источ"ник опорного напряжения, а выходыкомпаратора и экстрематора - к вхо 4 О дам схемы И, в главнуз цепь введены включенные параллельно сглаживающему Фильтру последовательно соединенные ключ и резистор, причем ключсоединен с выходом схемы И.Преобразователь содержит корректирующую схему и модулятор импульсов с синхронизацией от сети.Компаратор состоит из устройствавйчисления времени разряда конденсатора сглаживающего фильтра, источника опорного напряжения и схемысравнения,Экстрематор состоит иэ последовательно соединенных ключа, диФфереицирузщей цепи и формователя импуль сов, а также высокочастотного генератора, выход которого соединен суправляющим входом клича.На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого рентгеновскоЯ го генератора; на фиг, 2 - временныедиаграммы,пояснязщие принцип егоработы.Рентгеновский генератор состоитиз управляемого выпрямителя 1, кондену саторного сглаживающего Фильтра 2,ключа 3, резистора 4, инвертора 5, ет скачкообразное возмущение, Прикаскадного умножителя б напряжения, открывании тиристора в момент вреиэмерительного делителя 7 анодного мени с (47+ А) /св проиэойдет заряднапряжения, излучателя 8, иэмери- конденсатора Фильтра 2 по траектотельного резистора 9 анодного тока, рии АС. В точке С происходит сравпикового детектора 10, источника 11 нение напряжения на конденсаторе иопорного напряжения (ИОН), схемы срав- напряжения в сети, напряжение на отнения 12, корректирующей схемы 13, крытом тиристоре станет равным нулю,модулятора 14 импульсов, второй схе- т.е, произойдет эапирание тиристо,мы сравнения 15, экстрематора 1 б, ра. Из точки С начинается свободныйсостоящего из ключа 17, высокочастот разряд конденсатора по траекторииного генератора 18, дифференциру- О СО (в установившемся режиме свободющей цепи 19 и формирователя импуль- ный разряд проходил по траектории20 хемы И 21 компаратора 22, ЙА). По информации об амплитуде анодсостоящего из схемы сравнения 23, . ного напряжения в точке С с у 1хема пстйства 24 вычисления времени раэ- равления основного контура в соотряда кяда конденсатора сглаживающего филь ветствии с характерным для нее бысттра и источника 25 опорного напря- родействием изменит угол управленияжения. тиристором, а именно, увеличит егоГ кт ному принципу заявлен- (А+ьй) с тем, чтобы уменьшить ампли.о структур оный генератор представляет собой туду напряжения Ош. Например, еслихконтурную систему автоматическо- щ бы разряд конденсатора происходилдвухквклюул рования анодного напряже- по траектории СГ, то тиристорния рентгеновской трубки. Первый. . чился бы в момент времени с-( Ф+А+( й) нтур образован глав- +л 4)/и), и заряд конденсатора Фильтной цепью и системой управления и ра произошел бы по траекторииизмерения, состоящей.из измеритель следующий полупериод угол управленютного делителя 7 анодного напряже- еще более увеличивается, и при крупикового детектора 10, ИОН 11, тизне разряда, соответствующей трания, пиковогсхемы сравнения 12, корректирующе- ектории СГ анодное напряжение былого звена 13, модулятора 14 импуль- бы близко к установившемуся значениюРе улирование анодного иапря- Орс. Крутизна траектории разрядажения в такой системе достигается 3 определена величиной эквивалент гно оэа счет импульсно-Фазовой модуля" сопротивления рентгеновской трубкиции угла отпирания тиристоров управ- В , т.е. при бдном и том же напряП иляемого выпрямите яямителя 1 и как след- женин - величиной анодного тока. рнапряжения пйтания инверто- величине анодного тока, определяствие, иапряра 5, изменение которого приводит к 35 ющего разряда по траектории Сизменению напряжения на обмотках личине возмущения, превышающего некоглавного трансформатора (ГТ), вхо- торую критическую величину, тиристор,дящего в состав инвертора. Пиковый, в момент времеви с(Жай) м не10 для выделения открывается, поскольку напряжение сепостоянного уровня, пропорциоиаль-. 40 ти, соответствующее этому углу отпиного амплитудному значению анодного рания, меньше напряжения на конденКорректирующее звено саторе 2. Поэтоиу, как минимум, нат па амет предназначено для придания зам- один полупериод произойдет ркнутой системе нео х дбходимых показа- рическое размыкание основного контутелей в переходном режиме. ра регулирования за счет размзканиярегулятора напряжения (выпрямителя 1),РассматРиваЯ пРоЦессы иэменеииЯ главной цепи, хотя система управленапряжения в главной цели, допус, ноя тоянно Форм ет управля иечто Форьы напряжения О сглаживаюиипульсы О .щего фильтра 2 и анодного напряжения Оц излучателя 8 совпадают с точ" уПри малых аиодных токах (болыюмностью до уровня высокочастотных й) параметрическое размыканиепульсаций, содержащихся в анодном .может произойти на несколько перинапряжении. Ио уровень этих пульса- одов, что вызывает существенную поий во много раз меньше низйочастот- грешность в отклонении анодногоци во мн гных пульсаций Например, ниэкочас- иапряжвиия от уставовтановившегося эначетотная пульсация анодного напряже- ния.ния и фильтра 2 составляет, в номи- Включение дополиолиительного контуу -т ньшить время переходнальиои режиме 10, а высокочастот-ра позволяет уменая пульсация анодиого напряжения ного процес , у Рса ст анить явление параметрического раэмыкания основногоравна 0,5.ь точность стабиКак видно иэ временной диаграммы 66 контура и повысить(Ф . 2) установившемуся значению лизации. Сущность рть аботы контура эаамплитуды анодного напряжения диге вя по ключении в переходЪвЪ,ключ аетс в де ополнительной нагрузкисоответствует угол 4, управления иом режим дв в е резистора и параллельнотиристорами. Предположим, что в ио- В . в вид рй п иведенноймент времени сщМ/м в сети возника основнойнагрузке й , приведеннок клеммам конденсатора фильтра 2.Нагрузка подключается к конденсатору 2 через ключ 3, управляеьый схемой 22 экстрематором 16. В этом случае разряд конденсатора 2 прбисходитФпо траектории СЕ, включающей участоксвободного разряда конденсатора насуммарную нагрузку к+й(траектория СЕ) и участок свободйого разряда только на нагрузку й(траектория ЕЕ),Управление компаратором 22 производят по информации об анодном то"- -"ке и-анодиом- напряжении излучателя.Если бынагрузка рентгеновского гейеРатора была линейна, то на компаратор достаточно было подаватьинформацию о величине анодного напряжения и опорное напряжеййе, уровень которого превышал бы уровеньуставки анодного напряжения (ИОН 11)на,допустимую величину возмущения.Но та.с как Нагрузка нелинеййа, топри"-различных уставках анодного то ка одна и та же величина возмущения в одних случаях может вызватьразмыкание основного контура, а ндругих нет. Более того, возможентакой режим работы, что при меньших уровнях возмущения система окажется разомкнутой, а при большихзамкнутой.Например, величина возмущающеговоздействия вызывает изменение анодного напряжения от установившегосяэкачения на величину а . Учитывая,что величина возмущений в сети непревышает 10-15, можно утверждать,что разряд конденсатора 2 на зтувеличину происходит практически полинейному закону. В этом случае время разряда конденсатора до установившегося значения, соответствующегоравноа:сф - Д -РОВР. 1И)где С - емкость конденсатора Фильтра;Эа,аО- приведенные к клеммаМ конденсатора значения анодно" го тока и изменения анодного напряжения.Назовем критической величиной возмущения такую величину, превышениекоторой прйводит"-й-временй"раъядаконденсатора Фильтра большему длительйостй половины периода питающейсети Т/2. Например, если траекторияСЕ соответствует свободному разрядуконденсатора, то критической величиной возмущения будет уровень равный траектории АС.Иэ выражения (1)"легко определить крйтйческую величину воэмущения тЭаьОд.с(й)КРКак видно из выражения.(2), кри тическая величина воэмущейия"зависит50 55 60 65 Важнейшим требованием, предъявляемым к компаратору, является то, чтобы он обеспечивал подключение дополнительной нагрузки Во только после отключения тиристора, В против ном случае подключение дополнительной нагрузки Мдов интервале"проводимости тиристора приведет к значительному возрастанию тока через тиристор, поскольку в любом режиме работы трубки величина йщвсегда значительно меньше величины йз э.Именно за счет этого и обеспечивается бЫстрый разрЯд конденсатора (траектории СЕ и СО) в переходном режиме. Кроме того, в указанном режиме возможны и автоколебания релейного контура, а также снижается КПД гечератора.Поэтому, несмотря на то, что сигнал Ор с выхода схемы сравнения 23 появляется уже при достижении критической величины ьОф, р(точка В),от величины анодного тока 3, Поэтому на компаратор целесообразно подавать не информацию о величине анодного напряжения, а информацию о времени разряда конденсатора при наличиивозмущения величиной )ъОа, Если Врс ))Т/2, то компаратор 22 через ключ3 подключает дополнительную нагрузкуй4 и изменяет время разряда.ВВычйсление времени разряда поФормуле (1) осуществляют известными средствами с последующим преобразованием цифровой информации в напряжение для его сравнения с опорным напряжением ИОН 25, пропорциональным величине Т/2, Различие схем15 сравнения 12 и 15 заключается в том,что схема 12 выделяет амплитуднуюразность (за счет пикового детектора 10), а схема 15 - разность помгновейному значению,щ Использовать информациюа,фвыхода схемы сравнения 12 принципиально невозможно, поскольку пикогый детектор 10 запоминает информацию об амплитуде, например, в точке С на половину периода, т.е, вэтом интервале О (пик. детектора)щсоозй. В этом сл 7 чйе при До,сопятсхема сравнения 23 была бы включена на половину периода, и конденсатор 2 разрядился бы за это времяЗО практически полностью по траектории СЕ (ниже точки Е).По информации о мгновенном эначеаО которая изменяется по мереразряда конденсатора, схема сравне 35 ния 23 отключится, как только величина аОа станет равна критическойвеличине (на Фиг. 2 соответствуетточке Е). Из этой точки начинаетсясвободнйй разряд конденсатора только на эквивалентное сопротивлениетрубки Впо траектории ЕГ. Информация об анодном токе подается срезистора 9.10 анодного напряжения, но ключ 3 замыкается только при наличии импульсаОд. Например, в стационарном режиме .(точка й) ключ 3 не замыкается,.поскольку отсутствует импульс Очр.Реализация изобретения поззоляет ф повысить точность стабилизации интенсивности излучения и, что особенно важно, уменьшить при этом динамическую составлякщую ошибки. Вдинамических системах радиационногоконтроля этот факторимеет очень важ-ное значение.Проведенные экспериментальные исследования на макете рентгеновскогогенератора аппарата ЬРП 140-5 под твердили преимущества предложения.Время переходного процесса до стабилизированного уровня анодного напряжения при набросе напряжения сетина 10 в одноконтурной системе сосщ тавкло 50 мс, в двухконтурной системе - 5-б мс.Формула изобретения 1. Рентгеновский генератор, содержащийизлучатель, главную цепь, 2 состо.щую из у,равляевыпртеля, конденсаторного сглаживающегоФильтра, ннвертора и каскадного умкожителя напряжения, схему измеренкя и управления, включающую нзме- ЗО рительный делитель анодного напряжения, пиковый детектор, источникопорного напряжения и схему сравнения, подсоединенную через преобразователь к управляемому выпрямите лю, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точностистабилизации анодного напряжения,в схему измерения к управления введены измерительный резистор аноднощ го тока, вторая схема сравнения, ком-паратор, экстрематор и схема И, причем выход второй; схеьею сравненияи измерительный резистор анодного тока подключены ко входам компаратора,измерительный делитель анодного на пряження - ко входу экстрематора нк инверсному входу второй схемы сравнения, к прямому входу которой под-.ключен источник опорного напряжения,а выходы компаратора и экстрематора - эо ко входам схемы И, в главную цепьвведены включенные параллельно сглаживающему Фильтру последовательносоединенные ключ и резистор, причемключ соединен с выходом схеж И.3 2. Генератор по п.1, о т л и ч аЮ щ к Я с я тем, что преобразовательсодержит корректирующую схему и моду"лятор импульсов с синхронизацией отсетя.3. Генератор ю пп. 1 н 2, о та к ч а ю щ и й с я тем, что компа-,ратор состоит из устройства вычисления времени разряда конденсаторасглаживающего фильтра, источникаопорного напряжения и схемы сравнения. 9 784032ключ 3 не срабатывает,посколькус экстрематора 16 поступает сигналзапрета (логическкй "0"). И только.после достижения максимального уровня возмущения (точка С), прн которомтиристор запирается, с экстрематора поступает сигнал Оэ (логическаяф 1 ф), разрешающий через схему И 21прохождение управляющего сигналаО схемы сравнения 23 на входключа 3. Как видно из временной дияр.аграюы сигнал О е схемы И 21 смещен во времени относительно скгнала ОзфзЭкстрематор 16, как следует кэего назначения, определяет временное положение максимума анодногонапряжения трубки. Сущность его работы заключается в определении производной анодного напряжения дО/дс,Когда анодное напряжение достигаетмаксимума, его производная изменяетзнак. Например, точке С соответствует изменение знака производной (точка ) с минуса на плюс. Момент этого перехода фиксируется формирователем импульсов 20, который формирует импульс разрешения О постоянной длительности,Функционально экстрематор представляет собой импульсное дкфференцирующее устройство, входной сигналкоторого - измеряемая часть анодного напряжения О, с делителя 7,ьюдулируется высойочастотной (100200)кГц последовательностью импудьсов при помощи ключа 17 и высокочастотного генератора 18, а затемпромодулированный импульсный сигнал дифференцируется цепочкой 19.Последовательность высокочаототныхимпульсов подается на вход Формирователя 20.На фиг. 2 пунктиром показана огибающая Оц этих импульсов. Собственно импульсы показаны только в области точеки М. Как правило, в подобныхсхемах используют усилитель-,ограничитель этих импульсов (на схеме не показан), поэтому на фиг, 2показан ограниченный уровень импульсов. Формирователь импульсов 20представляет собой последовательносоединенные триггер н одновибратор.При смене знака цроизводкой в точке М первый отрицательный импульссбросит триггер, например, в состояние фОф, в котором одновибратор нереагирует иа изменение состояниятриггера. Но прк смене зваНа произ-"водной в точкепервый положительный импульс сбросит триггер в сос,тояние ф 1 ф, которое служит управлякщим для запуска одиовкбратора,мкрующего импульс О . Аналогичносработает схема и в точке И при величине возмущения ГО, превиаающейкритическое значение. Как видно иэдиаграмм, экстрематор формирует импульс Оэ в точке каждого экстремума784032 4. Генератор по пп. 1-3, о т-.л,ич а ю щ,и и с я тем, что экстре-. матор состоит из последовательно соединенных ключа, дифференцируна 3 ей цепи и формирователя импульсов, а также высокочастотного генератора, выход которого соединен с управляюцим входом ключа. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Выложенная заявка ФРГю 2223371, кл. 21 Я 20/05, опублик.1973,2. Выложенная заявка ФРГ 9 2443709,кл. Н 05 6 1/12, опублик. 1976 (про",тотип).