佟云福，趙文軍，王維明，于 江，譚 寧，馬柱超

高效多功能高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)的研制與應(yīng)用

佟云福，趙文軍，王維明，于 江，譚 寧，馬柱超

目的：研制一種高效多功能高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)，用以解決X線設(shè)備的專業(yè)維修技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)各種待測(cè)X線球管曝光試驗(yàn)及檢測(cè)、維修、校準(zhǔn)。方法：根據(jù)X線機(jī)的工作原理、維修實(shí)踐和專業(yè)維修特點(diǎn)，設(shè)計(jì)集X線球管檢測(cè)、高壓發(fā)生器檢測(cè)、絕緣油耐壓試驗(yàn)與焦點(diǎn)校準(zhǔn)裝置等于一體的綜合檢測(cè)設(shè)備，基本結(jié)構(gòu)包括電源電路、高壓調(diào)節(jié)電路、高壓控制電路、保護(hù)電路、燈絲穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)電路、旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極啟動(dòng)電路（低速和高速）、電動(dòng)控制器電路、測(cè)量顯示電路等。結(jié)果：該高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試功能多、性能可靠、功耗低、設(shè)備安全穩(wěn)定，可為檢測(cè)、維修提供依據(jù)。結(jié)論：該高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)可滿足多型號(hào)X線設(shè)備的高壓部分試驗(yàn)與維修需求，方便快捷地查明故障原因及故障部位，大大地提高了檢測(cè)和維修的效率。

高壓試驗(yàn)臺(tái)；X線；專業(yè)維修

0 引言

X線球管和高壓發(fā)生器是X線機(jī)、計(jì)算機(jī)X線攝影（computed radiography，CR）機(jī)、數(shù)字化X線攝影（digital radiography，DR）機(jī)、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）機(jī)的重要組成部分，屬于消耗性和易損配件，價(jià)格比較昂貴，維修技術(shù)復(fù)雜，要求檢測(cè)維修的條件和環(huán)境非常高。因此，高壓部分一旦出現(xiàn)故障，沒(méi)有專用試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備是無(wú)法判斷和解決的。這在平時(shí)會(huì)影響醫(yī)院整體經(jīng)濟(jì)效益，在戰(zhàn)時(shí)會(huì)影響傷病員的救治，使部隊(duì)非戰(zhàn)斗減員，影響能打仗、打勝仗的總要求。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有現(xiàn)成的專業(yè)檢測(cè)設(shè)備可供使用，滿足不了國(guó)內(nèi)外各廠商、多型號(hào)X線設(shè)備維修的專業(yè)需求。根據(jù)X線機(jī)的工作原理、維修實(shí)踐和專業(yè)維修特點(diǎn)，經(jīng)探索研究，研制出高效多功能高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)作為檢測(cè)設(shè)備。其特點(diǎn)是：測(cè)試功能多、性能可靠，體積小、功率大、操作簡(jiǎn)單，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)維修，既適用于平時(shí)，也適用于戰(zhàn)時(shí)，在設(shè)備計(jì)量檢測(cè)、檢修以及教學(xué)示教過(guò)程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 基本結(jié)構(gòu)

高效多功能高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)是集X線球管檢測(cè)、高壓發(fā)生器檢測(cè)、絕緣油耐壓試驗(yàn)與焦點(diǎn)校準(zhǔn)裝置等于一體的綜合檢測(cè)設(shè)備。如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)包括電源電路、高壓調(diào)節(jié)電路、高壓控制電路、保護(hù)電路、燈絲穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)電路、旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極啟動(dòng)電路（低速和高速）、電動(dòng)控制器電路、測(cè)量顯示電路等，都集中在控制臺(tái)內(nèi)部，即主機(jī)。高壓發(fā)生器為自制變壓器，變壓比為190 V∶100 kV，功率為5 kW。絕緣油耐壓試驗(yàn)裝置為自制，按國(guó)家油壓耐壓試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制作。焦點(diǎn)校準(zhǔn)裝置亦為自制，稱之為準(zhǔn)直器。

圖1 高效多功能高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)工作流程

2 功能設(shè)計(jì)

控制器控制高壓發(fā)生器輸出高壓的時(shí)刻（s），可控制高壓發(fā)生器輸出高壓的上升與降低（kV）、燈絲電流（A）和管電流（mA）的大小。高壓發(fā)生器是產(chǎn)生X線的能源來(lái)源，一方面提供X線球管所需的高壓電場(chǎng)，另一方面供給X線球管以燈絲加熱電流[1]。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極啟動(dòng)電路控制旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)刻，測(cè)試旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極的轉(zhuǎn)速是否正常。過(guò)載保護(hù)裝置對(duì)過(guò)壓、過(guò)流超負(fù)荷起到保護(hù)作用，從而保護(hù)被測(cè)X線球管和其他附屬配件的安全，同時(shí)也對(duì)人身安全起到保護(hù)作用。高壓初級(jí)控制為低壓控制，即0～250 V。調(diào)壓器的功率為5 kW，區(qū)別于X線機(jī)自耦變壓器（45～120 kV）電動(dòng)調(diào)節(jié)。高壓發(fā)生器輸出直流高壓0～150 kV。燈絲穩(wěn)壓器為磁飽合穩(wěn)壓器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)壓效率高、輸出功率大、工作可靠、不怕過(guò)載等優(yōu)點(diǎn)。另外，根據(jù)各國(guó)內(nèi)外廠商所使用的電源標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)上，增加了交流和直流可調(diào)電源，針對(duì)低壓部分的維修，設(shè)計(jì)可輸出多路穩(wěn)定直流電源。顯示和照明部分全部由發(fā)光二極管組成。

3 工作原理

X線球管的作用是通過(guò)加在X線球管陽(yáng)陰極之間的高壓，首先產(chǎn)生電子，再給電子賦予極高的速度，使它撞擊金屬原子以激發(fā)X線。根據(jù)此原理，X線球管需要的是直流高壓，因而需有高壓整流裝置[2]，使電子加速，高壓發(fā)生裝置提供這個(gè)高壓。在高壓發(fā)生器中加一套整流裝置，用半導(dǎo)體硅整流組成橋式整流，將交流高壓變?yōu)橹绷鞲邏海匾獣r(shí)加高壓電容濾波，使波形趨于平坦、平穩(wěn)，再供X線球管使用。加于X線球管兩端的高電壓陽(yáng)極供給正電，陰極供給負(fù)電，調(diào)節(jié)范圍廣、輸出穩(wěn)定，且設(shè)置有安全保護(hù)電路。

4 重點(diǎn)解決問(wèn)題

高效多功能高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)的研制需重點(diǎn)解決的問(wèn)題包括：（1）對(duì)X線機(jī)、CR機(jī)、DR機(jī)、CT機(jī)的X線球管進(jìn)行高低壓試驗(yàn)與檢測(cè)，并能夠?qū)嵤線球管更換、檢修，球管真空度檢測(cè)及焦點(diǎn)校準(zhǔn)。（2）高壓發(fā)生器檢修及高壓絕緣油耐壓試驗(yàn)。（3）判定高壓電纜高壓擊穿位置，進(jìn)行維修或更換。（4）球管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速測(cè)試，判定旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極軸承磨損狀況。（5）設(shè)備的部分低壓試驗(yàn)。（6）能滿足各型號(hào)X線球管檢測(cè)與維修需要。

5 功能測(cè)試與試驗(yàn)

5.1 X線球管外觀的檢查

玻璃壁不應(yīng)有小于0.1 mm的氣泡，且決不容許在放射窗口附近。

5.2 燈絲檢查

主要檢測(cè)燈絲發(fā)光性能與該管的燈絲發(fā)光特性曲線。燈絲通電試驗(yàn)按特性曲線調(diào)試，具體的操作方法是將X線球管燈絲與電路連接，橫坐標(biāo)為燈絲電流，縱坐標(biāo)為燈絲電壓，2條曲線為一定的燈絲電壓對(duì)應(yīng)一定的燈絲電流。

燈絲發(fā)射特性曲線如圖2所示，以XD51-20.40/ 125球管為例，當(dāng)焦點(diǎn)是2 mm×2 mm，燈絲電流為4.5 A時(shí)，燈絲電壓8.2 V[3]。注意：在檢查測(cè)試中一定要逐漸地提高燈絲電流或電壓，決不能一下調(diào)到該X線球管燈絲規(guī)格的最大值。同時(shí)在調(diào)至X線球管規(guī)格的最大值時(shí)，要盡可能縮短觀察的時(shí)間，在檢查中如發(fā)現(xiàn)燈絲電壓已達(dá)到最大值，但電流卻很小，說(shuō)明燈絲內(nèi)部有接觸不良之處；如燈絲電壓很低而電流已經(jīng)達(dá)到很大值，此時(shí)應(yīng)停止繼續(xù)提高電壓，看其電流是否慢慢下降，如果不再下降，則說(shuō)明X線球管真空度不良。

圖2 燈絲發(fā)射特性曲線

5.3 X線球管的真空度檢測(cè)與檢驗(yàn)

X線球管內(nèi)氣體壓力必須維持在自發(fā)電離氣壓下，才能使電子在由陰極飛向陽(yáng)極的過(guò)程中不受阻礙。否則會(huì)造成管內(nèi)氣體放電，X線球管將不能正常工作。一般X線球管的真空度為-709.1～-607.8 kPa。X線球管陽(yáng)極靶面為純鎢，在2 700℃時(shí)鎢顆粒達(dá)到1 μm，在3 000℃時(shí)約為1.5 μm，在4 727℃時(shí)（鎢的沸點(diǎn)）其蒸發(fā)壓力可達(dá)101.3 kPa，所以X線球管使用時(shí)要保持焦點(diǎn)面的溫度在2 600℃以下，只要不超載使用就不至于蒸發(fā)，破壞其真空度，這是檢驗(yàn)X線球管質(zhì)量極其重要的環(huán)節(jié)。質(zhì)量良好的X線球管安裝在機(jī)器上或置于高壓試驗(yàn)中，管內(nèi)不應(yīng)有氣體電離亮點(diǎn)（即管內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生藍(lán)色輝光），按其真空度不良的程度分為：（1）輕度真空不良：將X線球管裝在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行高壓試驗(yàn)，X線球管燈絲不亮，將高壓加到X線球管的陰極和陽(yáng)極的兩端進(jìn)行冷高壓試驗(yàn)[4]。當(dāng)管電壓提高至該管最高電壓的40%時(shí)，管子的兩端有藍(lán)色的輝光呈環(huán)形，輝光的區(qū)域?qū)㈦S管電壓增加而擴(kuò)大，作透視是可以的，但作普通攝影時(shí)影響攝影質(zhì)量，在其他X線設(shè)備上將無(wú)法使用。（2）嚴(yán)重真空度不良：在較低的試驗(yàn)高壓下，整個(gè)X線球管玻璃內(nèi)充滿輝光，初級(jí)電流增大，試驗(yàn)臺(tái)過(guò)載保護(hù)，此時(shí)X線球管完全失效[5]。（3）冷高壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電壓達(dá)到該X線球管最高電壓的50%～60%時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)有幾次閃光現(xiàn)象，這是由于X線球管長(zhǎng)時(shí)間不使用金屬氣體逸出，一般是允許的。（4）X線球管在冷高壓試驗(yàn)中，沒(méi)有出現(xiàn)任何發(fā)光現(xiàn)象，但是在負(fù)載高壓下，往往在陽(yáng)極端出現(xiàn)熒光。當(dāng)遇到這種情況時(shí)，可作如下試驗(yàn)：將管電流固定在2 mA，將管電壓調(diào)到30 kV，這時(shí)觀察管內(nèi)熒光的亮度，然后再將管電壓調(diào)到該管最高值的95%，再來(lái)觀察管內(nèi)的熒光亮度，顯然比30 kV時(shí)熒光亮度要暗的多。這種現(xiàn)象并不是真空度不良，而是X線球管的陽(yáng)極為防止反射電子裝置不良，反射電子打到玻璃壁上所致。玻璃上產(chǎn)生熒光的顏色取決于玻璃的材料，如鈣質(zhì)玻璃為綠色，含錳質(zhì)玻璃為紫色，含硼質(zhì)玻璃為藍(lán)色，也有淺黃色[6]。

5.4 高壓絕緣油的試驗(yàn)

（1）變壓器油的主要功能是冷卻和絕緣，因此，變壓器油必須純凈，不起其他化學(xué)作用，黏度低、絕緣強(qiáng)度高、著火點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、揮發(fā)性小、比熱大。

（2）變壓器油中含有水分，就會(huì)大大降低絕緣性能。在油中含有0.03%水分時(shí)，油的絕緣能力就會(huì)降低25%左右。

試驗(yàn)方法：如圖3所示，取一試油杯，杯中有2個(gè)銅質(zhì)電極，極間距離2.5 mm。試驗(yàn)前將試油杯用乙醚四氯化碳沖洗潔凈，然后將測(cè)試油慢慢地倒入試油杯中，靜止10 min使之不產(chǎn)生氣泡，接入高效多功能高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)的高壓輸出端進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓慢慢升高，當(dāng)極間發(fā)生電弧時(shí)就是油的耐壓值。試驗(yàn)臺(tái)中裝有自動(dòng)過(guò)載開(kāi)關(guān)，電路中有較大擊穿電流通過(guò)，使其過(guò)載開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳開(kāi)，切斷電源電路。試驗(yàn)重復(fù)5次，每次擊穿后應(yīng)停止5 min，以平均數(shù)作為待測(cè)油的耐壓強(qiáng)度。如果在試驗(yàn)中油的耐壓逐次提高，則表明油內(nèi)含有水分；如果在擊穿試驗(yàn)中油的耐壓逐次降低，則表明油內(nèi)沒(méi)有水分，這種耐壓降低現(xiàn)象是由油被擊穿時(shí)炭化或油內(nèi)雜質(zhì)所致。

圖3 耐壓試驗(yàn)裝置平面圖（單位：mm）

（3）用于組合機(jī)頭X線球管、CT球管的油的耐壓平均數(shù)要高于60 kV，用于普通X線球管和高壓發(fā)生器的油耐壓高于50 kV，用于高頻高壓變壓器的油耐壓要高于60 kV，且在真空注油情況下進(jìn)行。對(duì)于不合格的變壓器油都應(yīng)該通過(guò)高壓加熱真空濾油機(jī)去除水分和雜質(zhì)。

5.5 高壓電纜故障部位測(cè)試判斷

高壓電纜是高壓發(fā)生器和X線球管的連線，用它來(lái)傳輸X線球管管電壓（高壓）和X線球管燈絲的加熱電壓（低壓）。高壓電纜擊穿多發(fā)生在電纜插頭的根部，也有的在電纜中部擊穿，可能由以下原因造成：

（1）電纜本身質(zhì)量問(wèn)題。電纜絕緣層含有氣泡，氣泡與絕緣橡膠的介電常數(shù)差別較大（空氣的介電常數(shù)為1，而橡膠的介電常數(shù)為2.95）。高壓在介質(zhì)上分布不均勻，使大部分外加電壓集中在介電常數(shù)的氣泡上，則電流也隨之而增加[7]。當(dāng)電壓增至一定程度后，電流達(dá)到飽和狀態(tài)，在超過(guò)限定電壓后則電流突然增加，即為空氣游離點(diǎn)；在空氣離子化后，則介質(zhì)絕緣強(qiáng)度受到損傷以致?lián)舸?/p>

（2）變壓電纜逐漸老化，其主要原因是紫外線照射、氧化、受熱、機(jī)械強(qiáng)度、彈性、深淺不同出現(xiàn)裂痕，喪失一定的絕緣能力。

5.6 球管焦點(diǎn)的測(cè)試

球管焦點(diǎn)的測(cè)試是X線球管安裝、維修、調(diào)試的關(guān)鍵，關(guān)系到X線輸出的強(qiáng)度和計(jì)量的準(zhǔn)確性，直接影響顯示圖像和膠片圖像的質(zhì)量。將被測(cè)球管管芯取出，清除管芯及管套積碳，用乙醚或95%的酒精擦洗干凈，然后用變壓器油清洗，組裝好球管，用準(zhǔn)直器對(duì)球管焦點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)[8-9]。

準(zhǔn)直器的機(jī)械規(guī)格尺寸如圖4所示。準(zhǔn)直器置于球管窗口中心位置，中心針孔直徑為0.5 mm，連接于高壓試驗(yàn)臺(tái)。高壓加至25～28 kV，管電流2～3 mA，在不注油情況下邊調(diào)整邊加高壓，調(diào)整球管軸向和橫向位置，使球管中心X線通過(guò)準(zhǔn)直器針孔徑直射向熒光屏同心圓中心，直徑5 mm范圍內(nèi)，這樣校準(zhǔn)的X線球管安裝到設(shè)備上，焦點(diǎn)中心都是準(zhǔn)直的，其輻射場(chǎng)強(qiáng)、均勻，且散射線少、成像質(zhì)量高。

6 結(jié)語(yǔ)

高效多功能高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)的研制與應(yīng)用，解決了醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)診斷X線機(jī)、CT機(jī)、CR機(jī)、DR機(jī)高壓部分，即X線球管和高壓發(fā)生器檢測(cè)與維修的關(guān)鍵技術(shù)，為設(shè)備檢測(cè)和計(jì)量提供了良好的依據(jù)。另外，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了多種測(cè)試功能，為設(shè)備的其他部分維修提供了便利。同時(shí)也為維修工程技術(shù)人員提供了設(shè)備正常運(yùn)行的技術(shù)支持，節(jié)約了大量的維修經(jīng)費(fèi)，產(chǎn)生了附加經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但也存在一些問(wèn)題：對(duì)于高頻高壓發(fā)生器還不能直接檢測(cè)，還需要利用工頻鐵芯檢測(cè)高頻高壓發(fā)生器的高壓線圈，需通過(guò)中間轉(zhuǎn)換的過(guò)程。另外，高效多功能高壓綜合試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)化、數(shù)字化程度以及設(shè)備的測(cè)量精確度還需要進(jìn)一步提升，確保在以后的應(yīng)用工作中發(fā)揮其有效性和實(shí)效性。

圖4 準(zhǔn)直器（單位：mm）

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（收稿：2014-09-13 修回：2014-12-14）

3 使用注意事項(xiàng)

（1）本照明系統(tǒng)發(fā)光強(qiáng)度較高，請(qǐng)勿用肉眼近距離直視光源；

（2）請(qǐng)勿在短時(shí)間內(nèi)頻繁開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，防止對(duì)單片機(jī)及LED芯片造成損壞；

（3）長(zhǎng)期不使用時(shí)應(yīng)斷開(kāi)電源；

（4）確保電源可靠接地。

4 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)采用多顆特制的RGB-LED混光合成白光的方法，以AT89S51型單片機(jī)為核心處理器，通過(guò)改變PWM信號(hào)脈寬大小控制N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)R、G、B 3色LED光源的光強(qiáng)度數(shù)字化調(diào)控。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)發(fā)光效率高、功耗低、照明效果好，較好地解決了傳統(tǒng)光源存在的不足。

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（收稿：2014-09-06 修回：2015-04-06）

Development and application of high-efficiency multifunctional high-voltage integrated test table

TONG Yun-fu,ZHAO Wen-jun,WANG Wei-ming,YU Jiang,TAN Ning,MA Zhu-chao
(Institute of Drug and Instrument Control,Department of Joint Logistics of Shenyang Military Area Command,Shenyang 110026,China)

ObjectiveTo develop a high-efficiency multifunctional high-voltage integrated test table to facilitate the exposure experiment,detection,maintenance and calibration of the X-ray tube.MethodsThe test table had the functions of X-ray tube detection,high voltage generator test,insulation oil withstanding test and focal point calibration,and was composed of the power cuicuit,high voltage regulation circuit,high voltage control circuit,protective circuit,filament voltage stablizing and control circuit,low-and high-speed rotating anoed starting circuit,electromotive controller circuit,measuring and display circuit and etc.ResultsThe test table had multi functions,high reliability,low power consumption and high stability.ConclusionThe table can be used for the test and maintenance of the high-voltage components of multi types of X-ray equipment,and facilitates the determination of the fault causes and sites.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：35-38]

high-voltage test table;X-ray;professional maintenance

R318；R197.39

A

1003-8868（2015）08-0035-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.035

佟云福（1960—），男，主任，高級(jí)工程師，主要從事醫(yī)療衛(wèi)生裝備檢測(cè)與維修方面的研究工作。

110026沈陽(yáng)，沈陽(yáng)軍區(qū)聯(lián)勤部藥品儀器檢驗(yàn)所（佟云福，趙文軍，王維明，于 江，譚 寧，馬柱超）