Оборудование для контроля анодного тока при высоковольтной тренировке в производстве рентгеновских приборов

Актуальность исследования.

Открытые в конце XIX века Вильямом Конрадом Рентгеном невидимые глазом X — лучи, названные в России рентгеновскими лучами, нашли за свою более чем столетнюю историю применение в медицине, в технической дефектоскопии, в структурном и элементном анализе веществ, в горнодобывающей промышленности, в сельском хозяйстве, в досмотровой аппаратуре, в криминалистике и в ряде других отраслей.

Каждое из перечисленных применений предъявляет свои специфические требования к источнику рентгеновского излучениярентгеновской трубке (РТ), что, в свою очередь, привело к появлению широкой номенклатуры промышленно-выпускаемых РТ. Это трубки непрерывного действия различной мощности, работающие в стационарной и переносной аппаратуре с ускоряющим напряжением от 100 до 300 кВ, импульсные РТ с ускоряющим напряжением 150 и 300 кВ, трубки с различными размерами фокусного пятна, двухфокусные трубки, РТ с узкой или круговой диаграммой направленности излучения.

Единственным в России промышленным предприятием, выпускающим рентгеновские трубки, является петербургское ЗАО «Светлана — Рентген». Данное предприятие обеспечивает потребности в РТ не только в России и странах СНГ, но и экспортирует свои приборы в европейские и азиатские страны. Предприятие имеет международный сертификат на систему менеджмента качества в соответствии с международным стандартом IS09001, который ежегодно подтверждается международной аудиторской проверкой. В условиях жесткой конкурентной борьбы с зарубежными производителями РТ на предприятии остро встал вопрос повышения качества выпускаемой продукции, что напрямую связано с необходимостью обновления технологической базы и улучшения метрологического обеспечения технологического процесса.

Ключевой технологической операцией, определяющей качество готовых приборов, является высоковольтная тренировка. Для выпуска качественных приборов и прогнозирования из долговечности чрезвычайно важным на этане тренировки является знание точного значения тока утечки РТ при ненагретом катоде, числа электрических разрядов, происходящих в РТ при постепенном увеличении анодного напряжения, амплитудного значения анодного тока при различных напряжениях накала РТ в широком интервале импульсных и пульсирующих ускоряющих напряжений.

Актуальность выполненной работы состоит в том, что в производстве рентгеновских приборов назрела острая необходимость перехода от ранее применяемых стрелочных измерительных приборов к новому, более точному информатизированному оборудованию, способному измерять импульсный и постоянный анодный ток в широком динамическом диапазоне, а также ток утечки РТ с подсчетом числа электрических разрядов и выводом информации в цифровом виде.

Задача осложняется тем, что цепь тока находится внутри испытательной установки под потенциалом до 250 кВ в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и мощного рентгеновского излучения, а также при наличии повторяющихся электрических разрядов внутри РТ.

Цель работы и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка электрически безопасного, радиационно-стойкого, точного и удобного для промышленной эксплуатации метода измерения тока в анодной цепи РТ с передачей его значений из цепи высокого напряжения на пульт оператора с отображением информации в цифровом виде и создание на этой основе информатизированного измерительного оборудования для промышленных установок высоковольтной тренировки рентгеновских трубок.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. На основании изучения технологии тренировки рентгеновских приборов выработать требования к измерительным приборам, контролирующим ток в высоковольтных цепях промышленных установок тренировки и испытаний рентгеновских трубок.

2. Теоретически и экспериментально обосновать метод преобразования электрического сигнала, получаемого в высоковольтной цепи, в эквивалентный сигнал, принимаемый на стороне низкого напряжения, исследовать его точность и динамический диапазон измерений.

3. Обосновать выбор схемотехнических решений, минимально подверженных негативному воздействию рентгеновского излучения и разработать меры дополнительной защиты измерительных преобразователей от воздействия ионизирующего излучения.

4. Разработать алгоритмы обработки сигналов, принимаемых из высоковольтной цепи, и создать микропроцессорное устройство, реализующее разработанные алгоритмы, обеспечивающее измерения и отображение амплитуды, длительности протекания тока в высоковольтной цепи, размах колебаний тока и число электрических разрядов в рентгеновской трубке за время тренировки.

5. Изготовить экспериментальные образцы измерительных приборов и провести их длительные испытания в промышленных условиях для получения информации об устойчивости работы приборов при воздействии рентгеновского излучения со средней энергией квантов до 200 кэВ.

Методы исследований и использованная аппаратура.

При решении поставленных задач применялись следующие основные методы исследований:

• анализ и обобщение литературных данных по физике явлений, происходящих при высоковольтной тренировке РТ, по методам измерений тока в высоковольтных цепях и по негативному воздействию ионизирующих излучений на электронные компоненты;

• аналитические и статистические методы обработки сигналов, компьютерное моделирование характеристик электронных схем;

• экспериментальные исследования с применением цифровых осциллографов, генераторов сигналов специальной формы, эталонных измерительных приборов, источников и датчиков оптического излучения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При совпадении максимума спектральной характеристики излучения светодиода волстрона с пологим участком спектральной характеристики чувствительности фотодиодов волстрона и равенстве температурных коэффициентов токовой чувствительности фотодиодов достигается погрешность измерений тока менее ±1% во всем динамическом диапазоне измерений кроме начального участка, составляющего не более 5% полной шкалы.

2. Максимальный динамический диапазон тока, измеряемого при помощи высоковольтного линейного волстрона со светоизлующим диодом на основе AlInGaP, составляет 80% от предельного динамического диапазона изменений тока светоизлучающего диода. При использовании сверх-ярких светодиодов максимальный динамический диапазон измерений приближается к 500.

3. Разработанный импульсный миллиамперметр, использующий принцип линейного волстрона и аналоговую элементную базу, работая в среднем 1000 часов в год в условиях воздействия рентгеновского излучения со средней энергией квантов до 200 кэВ, сохраняет линейную передаточную характеристику с накапливающейся систематической погрешностью измерений 1% в год.

4. В схеме с электрическим преобразованием анодного тока рентгеновских трубок в эквивалентный оптический сигнал увеличение динамического диапазона измерений до 50 000 и выше обеспечивается применением аналого-цифровых преобразователей с микропроцессорным управлением при условии защиты цифровых схем от рентгеновского излучения свинцовыми боксами с толщиной стенок не менее 5 мм.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика измерений тока в цепи с потенциалом относительно «земли» до 250 кВ на основе применения высоковольтного линейного волстрона, получены критерии, определяющие динамический диапазон и погрешность измерений, найдены численные значения нарастающей систематической погрешности прибора, обусловленной деградацией элементов по мере воздействия рентгеновского излучения.

2. Обоснован расчетом и подтвержден экспериментально факт работы микросхем с высокой степенью интеграции не менее, чем в течение 1000 часов под воздействием жесткого рентгеновского излучения со средней энергией квантов 200 кэВ при помещении электронных элементов в бокс из свинца с толщиной стенок не менее 5 мм, ослабляющий мощность рентгеновского излучения более чем в 105 — 10браз.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов определяется:

— удовлетворительным согласием теоретических оценок, результатов моделирования и экспериментальных данных;

— непротиворечивостью полученной в работе информации и выводов, сделанных на ее основе, с результатами других исследователейхорошей воспроизводимостью экспериментальных данных при многократном снятии экспериментальных точек.

Значимость полученных результатов для теории и практики j Разработана и использована в НИОКР, с последующим внедрением в промышленную эксплуатацию, методика измерений тока в цепи высокого напряжения с передачей по оптоволоконной линии связи аналоговых оптических сигналов, пропорциональных значениям измеряемых токов. Сформулированы принципы выбора оптоэлектронных элементов высоковольтного волстрона и компонентов электрической схемы, работающих под воздействием рентгеновского излучения. Разработанный прибор может применяться не только для измерений тока в цепи высокого напряжения, но и для передачи сигналов с датчиков других физических величин.

Обоснована расчетом и подтверждена экспериментально возможность продолжительной (свыше 1000 часов) работы микроэлектронных КМОП приборов высокой степени интеграции в условиях жесткого рентгеновского излучения со средней энергией квантов до 200 кэВ при помещении электронных элементов в корпус из стали и свинца с толщиной стенок 0,5 мм и 5,0 — 6,0 мм, соответственно.

Реализация и внедрение результатов исследований.

1. В рамках Договора на передачу научно-технической продукции № 6619 / ЭПУ — 248 от 15.04.2006 г. были изготовлены и в 2007 г. внедрены на технологической операции тренировки импульсных рентгеновских трубок в ЗАО «Светлана — рентген» 2 импульсных амперметра с оптической аналоговой передачей сигналов, пропорциональных току, по оптоволоконной линии из цепи с потенциалом относительно земли до 200 кВ.

2. В рамках Договора на передачу научно-технической продукции № 6671 / ЭПУ — 253 от 05.02.2007 г. были изготовлены и в 2008 г. внедрены на технологической операции тренировки рентгеновских трубок непрерывного излучения в ЗАО «Светлана — рентген» 2 микроамперметра с цифровым оптическим каналом передачи данных и линейной шкалой преобразования тока в 5 декадах от 1 мкА до 50 мА, имеющие счетчики количества разрядов в тренируемой РТ, находящейся под потенциалом относительно земли до 160 кВ.

Апробация работы.

Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на следующих научно-технических конференциях: — Научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий», 2003 г., Санкт-Петербург, СПбГЭТУ (ЛЭТИ);

61 -я, 62-я и 64-я Научно-технические конференции, посвященные Дню радио, 2006, 2007, 2009гг., Санкт-Петербург, СПбГЭТУ (ЛЭТИ);

60-я и 62-я Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, 2007 и 2009 гг., СПбГЭТУ (ЛЭТИ).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, из них 4 статьи в научно-технических журналах, в том числе 1 статья, входящая в Перечень ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК, 3 статьи в других изданиях, 4 доклада на российских научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из 5 глав, введения и заключения. Она содержит 166 страниц машинописного текста, 98 рисунков и 10 таблиц.

Список литературы

насчитывает 82 наименования, включая ссылки на ресурсы интернет.

Выводы.

1. В результате проведенной разработки и исследований создан микроамперметр для установок высоковольтной тренировки РТ с динамическим диапазоном измерений в 5 декадах, начиная от 1 мкА и имеющий счетчик числа разрядов в РТ.

2. По результатам двухлетней эксплуатации высоковольтных микроамперметров с цифровым преобразователем тока можно утверждать, что защитный бокс, ослабляющий мощность ионизирующего излучения более чем в 105 — 10браз, что соответствует толщине стенок свинцового бокса не менее 5−6 мм, обеспечивает бесперебойную работу цифровых КМОП-микросхем в условиях воздействия рентгеновского излучения со средней энергией квантов до 200 кэВ.

3. Благодаря возможности измерять ток утечки с погрешностью не хуже 0,5 мкА и дискретностью 0,1 мкА и существованию счетчика числа разрядов в РТ появилась возможность оценки качества рентгеновских трубок и прогнозирования их срока службы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным итогом диссертационной работы явилось решение актуальной научно-практической задачи разработки и создания информатизированного оборудования, измеряющего импульсный и постоянный анодный ток в цепях, находящихся под высоким напряжением, в широком динамическом диапазоне, а также ток утечки рентгеновских трубок с подсчетом числа электрических разрядов и выводом информации на пульт оператора в цифровом виде.

В результате, используя решения, предложенные в данной диссертации, в СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в рамках хоздоговоров на передачу научно-технической продукции были сконструированы и изготовлены два вида экспериментальных образцов электронных микрои миллиамперметров для участков тренировки рентгеновских трубок, которые уже несколько лет успешно эксплуатируются в цеховых условиях ЗАО «Светлана — Рентген».

Более детально диссертационная работа имеет следующие результаты:

1. Обоснована и экспериментально доказана возможность построения микрои миллиамперметров на принципе линейного волстрона, измеряющих импульсный и постоянный ток в цепи высокого напряжения при потенциале измерительной цепи относительно земли до 250 кВ.

2. Экспериментально установлено соотношение для расчета динамического диапазона измерений тока при помощи волстрона со светодиодами на основе AlInGaP исходя из известных значений максимально-допустимого и «дежурного» тока СИД.

3. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено длительной эксплуатацией в заводских условиях, что несмотря на работу передатчика волстрона в условиях воздействия рентгеновского облучения с энергией квантов до 200 кэВ, характеристика прибора, выполненного на аналоговых компонентах и не имеющего специальной радиационной защиты, остается линейной во всем динамическом диапазоне, но с нарастанием систематического отклонения результата измерений в конечной точке шкалы преобразования в среднем на 1% в год в результате медленной деградации элементов схемы.

4. Установлено, что температурный дрейф и радиационное влияние на напряжение смещения операционного усилителя в передатчике волстрона обязывает не считать «дежурный» ток передатчика неизменным и требует строить алгоритм обработки сигнала, пропорционального измеряемому току, с применением уровня «плавающего» нуля.

5. Необходимость в высоковольтных микроамперметрах с линейной шкалой и динамическим диапазоном 50 000 (от 1,0 мкА до 50 мА) потребовала размещения в тренировочном стенде прецизионного сигма-дельта АЦП и микроконтроллера. Для обеспечения устойчивой и продолжительной работы цифровых микросхем в условиях рентгеновского облучения был рассчитан и изготовлен защитный бокс, ослабляющий мощность рентгеновского излучения со средней энергией квантов до 200 кэВ более чем в 105 раз и позволивший иметь к настоящему времени общую наработку преобразователя тока под воздействием излучения свыше 1000 часов.

6. В результате внедрения в технологический процесс тренировки цифрового микроамперметра с линейной шкалой измерений от 1 мкА до 50 мА удалось измерить ток утечки рентгеновских трубок с дискретностью отсчета 0,1 мкА и производить подсчет электрических разрядов при высоковольтной тренировке рентгеновских трубок. Число разрядов во время тренировки и точное значение тока утечки после тренировки дали технологам дополнительные сведения для оценки качества рентгеновских трубок и прогнозирования их срока службы.