CC BY
34
5. Бужилова А. П., Добровольская М. В., Медникова М. Б.
и др. Взрослый неандерталец из Киик-Кобы: анализ патологий методом микрофокусной рентгенографии // Актуальные направления антропологии: Сборник, посвящ. 80-летию акад. РАН Т. И. Алексеевой / Отв. ред. А. П. Бужилова, М. В. Добровольская, М. Б. Медникова. М.: Институт археологии РАН, 2008. С. 40-48.
6. Привес М. Г. Некоторые итоги исследования труда и физических упражнений на строение аппарата движения человека // Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. 1959. Т. 36, № 5. С. 7-18.
7. Homo sungirensis. Верхнепалеолитический человек: экологические и эволюционные аспекты исследования / Отв. ред. Т. И. Алексеева, Н. О. Бадер. М.: Научный мир, 2000. 469 p.
УДК 621.317, 681.2.08
Быстрое Ю. А., д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель кафедры электронных приборов и устройств,
Кострин Д. К., ассистент,
Перес Васкес Н. О., канд. техн. наук, инженер,
Ухов А. А., канд. техн. наук, доцент,
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)».
Производственный контроль медицинских рентгенодиагностических трубок серии БД-150
Ключевые слова: волстрон, медицинская рентгеновская трубка, микроамперметр, ток утечки. Keywords: volstron, medical X-ray tube, microampermeter, leakage current.
Рассмотрены проблемы, возникающие при контроле анодного тока во время тренировки и испытаний медицинских рентгеновских трубок БД-150. Показана возможность передачи аналогового значения измеренного анодного тока на пульт оператора с помощью волстрона. Подтверждена возможность компенсации нелинейности передаточной характеристики волстрона с применением оптической отрицательной обратной связи. Обоснована необходимость разработки микроамперметра с цифровой передачей значения анодного тока.
Введение
Современная медицина практически невозможна без использования рентгеновской аппаратуры. Рентгенодиагностика незаменима на любом этапе лечения внутренних органов человека. Между тем неправильное использование рентгеновской аппаратуры может привести к нежелательным последствиям для биологических тканей, например ввиду
превышения дозы облучения. Однако подобные проблемы могут возникнуть даже в случае исправной аппаратуры и корректных управляющих параметров, если источник излучения (рентгеновская трубка, РТ) имеет даже минимальные отклонения от паспортных параметров. Таким образом, выявление некондиционных РТ на этапе производства позволяет гарантировать безопасную эксплуатацию рентгенодиагностической аппаратуры.
Многие годы для измерения токов и напряжений в испытательных технологических установках при производстве РТ используются стрелочные измерительные приборы, однако, такой способ измерений возможен только при статических испытаниях. Как правило, измерительные приборы находятся внутри испытательной камеры, где они подвергаются воздействию сильного электромагнитного поля и рентгеновского излучения. Установка необходимого значения тока и/или его измерение сопряжены с определенными трудностями, так как оператору приходится наблюдать показания приборов на значительном удалении от них через защитное окно из свинцового стекла (рис. 1).
При испытаниях РТ контролю подлежат как токи утечки в несколько микроампер, так и ра-
Рис. 1
Система стрелочных миллиамперметров для измерения анодного тока РТ в широких пределах (ЗАО «Светлана-Рентген»)
бочие токи, доходящие до десятков миллиампер. Следовательно, необходимо устанавливать в цепи высокого напряжения несколько измерительных приборов с разными диапазонами измерений, каждый из которых подключается к измерительной цепи с помощью реле, изолированного на полное напряжение.
Проблема дополнительно усложняется, если производятся испытания импульсных РТ. У них длительность импульсов тока может изменяться от сотых долей до единиц секунд. Даже самые современные стрелочные амперметры не позволяют произвести необходимые измерения. Между тем производство импульсных РТ неуклонно растет. Неоспоримы преимущества импульсного режима для радиационной безопасности персонала, метрологических возможностей медицинской рентгенодиагностики и просвечивающей рентгенографии.
С учетом ситуации, сложившейся в производстве рентгеновских аппаратов, стала актуальной задача создания новых приборов для измерений постоянного и импульсного тока в цепях высокого напряжения. При этом необходимо искать решение, исходя из того, что современные технологии требуют получения информации в цифровом виде. Это открывает широкие возможности для обработки и документирования результатов измерений и создает более благоприятные условия для работы оператора.
Разработка оборудования для контроля тока рентгеновских трубок
Ток в высоковольтной цепи можно проконтролировать, измеряя падение напряжения на шунте, включенном непосредственно в цепь высокого напряжения, в дальнейшем осуществляется передача сигнала, пропорционального току, на пульт
оператора. Преобразование падения напряжения на шунте в сигнал может осуществляться с применением обычных аналоговых и цифровых электронных схем, питающихся от автономного источника питания и находящихся под потенциалом высоковольтной цепи.
Можно выделить три различных канала передачи данных, которые позволяют обеспечить надежную электрическую изоляцию при напряжении рентгеновской установки в сотни киловольт: радиоканал, прямой оптический канал, оптоволоконную линию связи. Передача данных по радиоканалу предоставляет ряд значительных преимуществ, однако в условиях испытательного цеха рентгеновского завода, когда работает высоковольтная рентгеновская установка, неизбежен интенсивный шум практически во всем диапазоне радиоволн, в результате возникают серьезные технические проблемы для обеспечения надежного радиоканала.
Связь между двумя блоками амперметра можно осуществлять по прямому оптическому каналу, например в инфракрасном диапазоне. Однако специальный бокс, в котором находится рентгеновская установка, имеет лишь небольшие окна из свинцового стекла, что существенно усложняет решение задачи данным способом.
Рассмотрим оптоволоконную линию в качестве средства связи для передачи данных от высоковольтного блока к пульту оператора. Оптоволоконный кабель можно легко вывести наружу из высоковольтного бокса, в котором находится рентгеновская установка. Обычно достаточно кабеля длиной около 10 м, тогда затухание в оптоволоконной линии связи будет очень малым [1]: если принять коэффициент потерь равным 10 дБ/ км, то интенсивность светового потока на выходе линии будет всего на 1,2 % меньше, чем на входе. Кроме того, сигнал, распространяющийся по оптоволокну, не подвержен электромагнитным помехам, что немаловажно при эксплуатации прибора в непосредственной близости от рентгеновских установок.
Самым простым преобразователем тока в оптический сигнал с последующим обратным преобразованием оптического сигнала в ток или напряжение является волстрон — прибор, в котором излучатель и фотоприемник неразъемно связаны друг с другом с помощью волоконнооптического кабеля [2]. Простейший волстрон состоит из оптопары «светоизлу-чающий диод (СИД) — фотодиод (ФД)», разделяемой оптическим волокном, и обладает значительной нелинейностью передаточной характеристики. Одним из наиболее эффективных средств линеаризации передаточной характеристики волстрона является введение отрицательной обратной связи, действующей в цепи согласующих устройств.
Для создания термостабильного волстрона требуется найти такие СИД, энергетические характеристики которых минимально зависят от температуры. После выбора СИД требуется согласовать его
биотехносфера
№ 4(28)72013
2
Лучевая диагностика, лучевая терапия
к, % 100
80-
60-
40-
20-
400
\ 1.....\ 1
Ш ' 1п' V м __________"__________1 н ч ч ч ч \
1 1 2 N Л ч
/1 / я г Л у \ ч \ \ \ _______________
1- / \ / \ / \ / \ -- [! Ч V \ »- ^ „
500
600
700
800
900 ,
X, нм
Рис. 2
Относительные спектральные характеристики компонентов волстрона: 1 — фотодиод; 2 — оптоволокно; 3 — светодиод
0
спектр излучения со спектром чувствительности фотоприемника. Фотоприемник является вторым и главным компонентом оптической системы. Третий компонент, оптоволоконная линия передачи
, ипит
С3
УБ3
ивых
Рис. 3
Линейный преобразователь «напряжение жение с оптической развязкой»:
напря-
резистор; С2 — фильтр сигнала; УТ1 — выходной полевой транзистор; Я2 — резистор цепи обратной связи; ивх — входное напряжение; ПЛ1 — операционный усилитель, задающий мощность излучения светодиода; УП1 — светодиод; УБ2 — фотодиод цепи контроля мощности светодиода; иА2 — операционный усилитель цепи контроля мощности светодиода; С1 — фильтр сигнала; Я3 — резистор цепи оптической обратной связи; С3 — фильтр сигнала; Я4 — резистор цепи обратной связи; ЛЛ3 — операционный усилитель приемной цепи; УВ3 — приемный фотодиод; ивых — выходное напряжение
(включая оптические разъемы), должен обеспечивать передачу сигнала с минимальными потерями и обладать высокой стабильностью параметров. На рис. 2 приведены относительные спектральные характеристики К пропускания оптоволокна SV8EGW, интенсивности излучения СИД НВ10В-433DGSA и чувствительности ФД BPW21, выбранных в качестве компонентов для создания волстро-на, в зависимости от длины волны X.
После подбора оптических элементов можно приступать непосредственно к решению схемотехнической задачи создания линейного преобразователя электрического напряжения в пропорциональный оптический сигнал [3]. Известно, что питание СИД с выхода усилителя, охваченного обратной связью по оптическому каналу через ФД, работающий в режиме источника тока, позволяет преобразовывать входное напряжение в пропорциональный поток излучения СИД с погрешностью в доли процента и сохранить его температурную стабильность, при условии что оптические составляющие преобразователя согласованы. Данный принцип использован в приведенной схеме преобразователя напряжени-енапряжение с оптической развязкой [4] (рис. 3).
Сначала входное напряжение ивх преобразуется в ток СИД УЮ1. Использованный в схеме преобразователя тока маломощный операционный усилитель (ОУ) имеет недостаточный выходной ток для непосредственного управления СИД VD1. Для усиления тока дополнительно применен полевой транзистор VT1. Обратная связь на ОУ DA1 подается через резистор ИЗ от ОУ DA2, который усиливает сигнал с ФД VD2.
Таким образом, входное напряжение линейно преобразуется в световой поток, генерируемый
СИД VD1. Часть излучения VD1 по оптоволокну поступает на приемный ФД VD3. Поскольку фотоэлектрический преобразователь на DA3 обладает высокой линейностью преобразования не менее чем в 4-5 декадах, выходное напряжение ^вых линейно зависит от входного напряжения, пропорционального измеряемому току [5]. Напряжение с выхода VD3 передается через еще один усилитель на микроконтроллер, где обрабатывается и показывается цифровой результат измерения.
Хотя линейность волстронного преобразователя полностью удовлетворяет потребности ЗАО «Светлана-Рентген», его динамический диапазон не превышает трех декад. При испытании некоторых РТ необходимо контролировать значения тока от единиц микроампер до десятков миллиампер. Таким образом, шкала измерения микроамперметра должна находиться не менее чем 5 декадах измерения тока.
Измерение токов в единицы микроампер требует применения прецизионного ОУ с автоматической коррекцией нуля и напряжением смещения не более единиц микровольт, который должен быть установлен на входе преобразователя. Задача передачи сигналов, пропорциональных току от измерительного шунта к входу устройства преобразования и обработки информации в широком динамическом диапазоне от 0,5 до 50 000 мкА, требует размещения под высоким напряжением устройства преобразования тока в цифровой код.
Для преобразования падения напряжения на шунте в цепи тока в цифровой код и передачи его по определенному протоколу к пульту оператора необходимо разместить в высоковольтном блоке аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микроконтроллер (МК) (рис. 4). Преимущества измерителей тока с такими высоковольтными блоками очевидны:
• использование многоразрядных АЦП с программируемым внутренним коэффициентом усиления позволяет производить измерения в очень широком динамическом диапазоне — до 5 порядков;
• наличие МК делает возможным передачу данных по любому протоколу, позволяет производить расчет и посылку контрольной суммы данных, что практически исключает возможность незамеченной ошибки при передаче.
К существенным недостаткам отнесены:
• повышенное энергопотребление: помимо питания МК и АЦП на передачу даже нулевых данных необходимо затрачивать энергию, при питании схемы от аккумуляторов это существенно сократит время работы;
• при отсутствии заземления мощные электромагнитные помехи во время работы рентгеновской установки могут негативно повлиять на точность преобразования АЦП и на работу МК;
• существует вероятность полной потери связи с преобразовательным устройством при облучении высокоинтенсивным рентгеновским излучением.
йш
Схема защиты
АЦП
МК
Схема передачи сигнала
Схема приема сигнала МК
Рис. 4
Структурная схема цифрового высоковольтного микроамперметра:
Микросхемы сверхвысокой степени интеграции имеют достаточно значительную чувствительность к воздействию рентгеновского излучения, и по этой причине для данного устройства необходимо применение защитного корпуса, снижающего радиационное воздействие на измерительную схему до безопасного уровня.
Преобразователь тока должен работать в условиях, где в зависимости от типа РТ максимальная энергия квантов не превышает 320 кэВ. Защита может представлять собой экран из железа и свинца, являющийся одновременно корпусом прибора. Собственно корпус представляет собой металлическую оболочку из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,5 мм, в которой размещены элементы питания и свинцовый бокс, в последнем непосредственно расположена печатная плата с микросхемами. Бокс выполнен из свинцовых пластин толщиной 5,0 мм. Требуемая толщина пластин получена по результатам расчета по разработанной в СПбГЭТУ методике [6].
Рис. 5
Измерительные блоки цифровых микроамперметров в испытательной камере (ЗАО «<Светлана-Рентген»)
биотехносфера
№ 4(28)/2013
I
I — измеряемый ток; Нш — измерительный шунт
На рис. 5 показаны измерительные блоки двух цифровых микроамперметров размещенные в испытательной камере вблизи РТ.
С помощью разработанного прибора оператор может фиксировать изменение токов утечки и определять, сколько разрядов в РТ возникает на определенных этапах работы. Данная информация позволяет сделать вывод о том, следует ли отправить РТ на повторное откачивание или нет. В конечном счете применение разработанного прибора позволяет улучшить качество самих изделий. По окончании работы в зависимости от результатов измерения тока утечки и числа пробоев можно классифицировать РТ по категориям качества и сделать прогноз возможного срока службы.
Заключение
Решения, предложенные в данной работе, применены при изготовлении в ЗАО «Светлана-Рентген» экспериментальных образцов электронных микроамперметров двух видов для участков тренировки и испытания медицинских рентгеновских трубок БД-150, которые уже несколько лет успешно эксплуатируются в цеховых условиях.
Разработанное оборудование способно измерять импульсный и постоянный анодный ток в цепях, находящихся под высоким напряжением, в широком динамическом диапазоне, а также ток утечки РТ
с подсчетом числа электрических разрядов и выводом информации на пульт оператора в цифровом виде. В результате удалось повысить качество и надежность медицинской рентгенодиагностической аппаратуры, использующей данные РТ.
| Литература
4.
5.
Кострин Д. К., Ухов А. А. Влияние изгибов оптоволокна спектрометра на результаты колориметрических измерений // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 1. С. 9-12. Гребнев А. К., Гридин В. Н., Дмитриев В. П. Оптоэлектрон-ные элементы и устройства. М.: Радио и связь, 1998. 336 с. Быстров Ю. А., Колгин Е. А., Перес Васкес Н. О. и др. Высоковольтные измерительные приборы для контроля электрических параметров рентгеновских трубок // Петербургский журнал электроники, 2008. № 2-3. С. 109-115. Кострин Д. К., Ухов А. А. Датчики в электронных устройствах. СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 240 с. Перес Васкес Н. О. Исследование факторов, влияющих на точность преобразования электрических импульсов в пропорциональный оптический сигнал // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2008. № 1. С. 76-81.
Лукьянченко Е. М., Грязнов А. Ю. Моделирование спектра рентгеновского излучения в энергодисперсионном рентге-носпектральном анализе // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2003. № 1. С. 10-14.
