一种栅控X射线管的测试系统王显静

一种栅控X射线管的测试系统王显静
发布时间：2021-09-23T08:14:19.693Z 来源：《中国科技人才》2021年第16期作者：王显静陈银杏郝海靖张永喜李敬文[导读] 目前常用的旋转式CT，不仅对滑环的要求较高，而且容易产生运动伪影，造成图像不清晰。

新一代的静态CT系统需要多支X射线管交替工作以取代原有的滑环结构，本文介绍了一种用于静态CT的热阴极栅控X射线管的测试、老练系统。

系统的阴极高压大于140kV，脉冲宽度大于1ms，重复频率最大5kHz。

系统的计算仿真和优化已在设计阶段进行，包括电气设计、结构设计、耐压设计和热设计，本文介
绍了测试系统的设计方法、测试结果和运行状态。

北京真空电子技术研究所北京 100015
摘要：目前常用的旋转式CT，不仅对滑环的要求较高，而且容易产生运动伪影，造成图像不清晰。

新一代的静态CT系统需要多支X射线管交替工作以取代原有的滑环结构，本文介绍了一种用于静态CT的热阴极栅控X射线管的测试、老练系统。

系统的阴极高压大于140kV，脉冲宽度大于1ms，重复频率最大5kHz。

系统的计算仿真和优化已在设计阶段进行，包括电气设计、结构设计、耐压设计和热设计，本文介绍了测试系统的设计方法、测试结果和运行状态。

测试实验数据验证了设计参数，基于测试结果表明，该系统在设计、制造和运行中所有的主要参数指标是完全满足要求的。

关键词：静态CT；栅控X射线管；医疗CT；高压系统 Abstract:At present, the commonly used rotary CT not only has a high requirement on the slip ring, but also is prone to produce motion artifacts, resulting in unclear image. The new generation of static CT system needs multiple X-ray tubes to work alternately to replace the original slip ring structure. This paper introduces a testing and sophisticated system of hot cathode grid controlled x-ray tubes for static CT. The cathode voltage of the system is more than 140kV, the pulse width is more than 1ms, and the maximum repetition rate is 5KHz. The simulation and optimization of the system have been carried out in the design stage, including electrical design, structural design, withstand voltage design and thermal design. This paper introduces the design method, test results and operation status of the test system. The test data verify the design parameters. Based on the test results, all the main parameters of the system in the design, manufacturing and operation are fully meet the requirements. Keywords: Static CT, Grid controlled x-ray tube, Medical CT, High voltage system
传统的X射线管由阳极（金属靶）和阴极（电子枪）组成。

阴极主要用来产生电子并将电子束聚焦，通常由钨丝烧成螺旋式，通以电流使钨丝烧热从而放出自由电子。

阳极的作用是遏制电子以发射X射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制成。

由于X射线管需要长时间连续工作，所以发热严重，寿命短，导致成像效果差。

新一代的静态CT检测系统采用多支X射线管，通过分布式的结构取代现有的旋转CT断层检测结构。

与传统方案的相比，新一代的CT系统采用分时扫描，具有成像速度快、成像质量高、辐射剂量小等特点。

同时结构复杂性和电气复杂性大大降低，但是新型的静态CT其中最重要的一部分是栅控X射线管，它的指标和稳定性会直接影响最终的成像效果，因此需要一种可靠的系统筛选出满足需求的栅控X射线管，本文方案结合具体的使用场景设计了一种用于测试X射线管性能的测试系统，包括系统设计、实验测试和运行状况分析等。

栅控X射线管的工作需要外部提供阴极高压、灯丝电压、栅控电压和调制器等基础工作环境。

本测试系统是模拟栅控X射线管的工作环境，通过把高压端和低压端进行隔离，从而提供一种更安全的栅控X射线管测试方案。

1 栅控X射线管的结构
图3 全桥驱动电路
灯丝电源采用推挽的拓扑结构，输出电压15V/10A，具有恒流输出，过流保护、短路保护、欠压保护、空载保护（防止灯丝开路损坏电子枪）等功能。

控制部分采用SG3525专用IC，SG3525是一种性能稳定、功能丰富并且通用性强的集成PWM控制专用芯片。

它性能稳定可靠而且使用方便灵活，输出驱动接口采用推拉输出方式，增大了驱动电流；芯片内部集成欠压保护功能、软启动功能、PWM锁存器功能，
图4是控制部分的主要电路。

图5 调制器单管主电路
高端控制系统采用STM32F103ZET6＋光电隔离模块组成。

STM32F103ZET6是一款由ST公司设计的嵌入式微控制器，最高72MHz工作频率，内嵌8MHz的RC振荡器，串行单线调试（SWD)和JTAG接口。

2.3远程控制系统
远程控制系统采用昆仑通态的MCGS触摸屏+光纤模块实现，可以实现100米以上的远程监控。

系统工作时，可以通过触摸屏设置阴极高压、灯丝电流和栅极调制器参数，从而手动测试栅控X射线管的各个点的工作状态。

同时，系统也可以根据存储在MCGS内部的测试工艺数据进行自动测试，通过控制每个点电源输出，并获取X射线管的工作参数，最终形成测试报告和曲线，供实验人员进行分析和处理。

3 测试结果
在测试条件下得到的栅控电子枪发射特性和设计的参数基本一致，实际测试的发射曲线在总趋势上符合不同阴极温度下发射电流和电压的函数关系。

测试中，当阴极表面温度加热到1020°C，阴极电压140kV时，阴极的发射电流达到750mA，这样的参数已经足以满足静态CT系统对束流的要求。

4 结论
本文详细介绍了栅控X射线管测试系统的设计思路和实现方法，并通过试验验证了测试系统的基本功能，为筛选栅控X射线管系统设计提供了借鉴和参考意义。

未来，将进一步改进和优化该测试系统，为静态CT扫描系统提供电流一致性好，性能更稳定的栅控X射线管。

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