工業(yè)CT用駐波電子直線加速器測試系統(tǒng)的研制

工業(yè)計算機斷層成像簡稱工業(yè)CT(ICT)，是一種依據(jù)外部投影數(shù)據(jù)重建物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的無損檢測技術(shù)。工業(yè)CT主要用于工業(yè)產(chǎn)品的無損檢測和探傷，根據(jù)被檢工件的材料及尺寸選擇不同能量的X射線。ICT技術(shù)能緊密、準(zhǔn)確地再現(xiàn)物體內(nèi)部的三維立體結(jié)構(gòu)，能定量地提供物體內(nèi)部的物理、力學(xué)特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的變化及水平、異型結(jié)構(gòu)的形狀及精確尺寸、物體內(nèi)部的雜質(zhì)及分布等。隨著加速器技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已拓展到工業(yè)探傷、工業(yè)CT、集裝箱監(jiān)測、輻照、醫(yī)療等，因此對加速器的運行參數(shù)及穩(wěn)定性等的要求也越來越高[1]。
    根據(jù)重建CT圖像的基本過程，對一臺工業(yè)CT設(shè)備的基本要求為：能夠測量X射線穿透被檢物體以后射線的強度，能夠完成X射線機-探測器系統(tǒng)與被檢測物體之間的掃描運動，從而獲得重建CT圖像所需的完整數(shù)據(jù)；獲得的數(shù)據(jù)通過一定的算法重建出物體的斷面圖像。從掃描到重建圖像都由計算機控制和實現(xiàn)，這樣，一個工業(yè)CT系統(tǒng)應(yīng)包括：射線源、輻射探測器和準(zhǔn)直器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像重建以及控制系統(tǒng)[2]。CT系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

    工業(yè)CT常用的射線源是X射線機和直線加速器，可見直線加速器在工業(yè)CT中的重要性。為便于運行人員的測試、操作與維修，將CT系統(tǒng)的五個組成部分分開測試。各部分均滿足指標(biāo)后再進(jìn)行整體測試，以達(dá)到用戶需求的測試。這種方式現(xiàn)已成為一種新的測試加速器的方法。本測試系統(tǒng)就是為測試加速器各項指標(biāo)而設(shè)計的，具有一定的實用價值。
1 系統(tǒng)總體方案
    測試系統(tǒng)能夠?qū)⒓铀倨魍ㄟ^傳輸媒介傳送過來的狀態(tài)信息正確地通過約定方式顯示出來，同時又能夠通過對底層器件上相關(guān)狀態(tài)的修改和設(shè)置將控制信息傳送至上層器件進(jìn)行顯示，以此獲得加速器運行狀態(tài)。它是操作人員了解加速器性能并進(jìn)行遠(yuǎn)程測試的橋梁。
    駐波電子直線加速器與測試系統(tǒng)均使用航空插頭，連接電纜兩端使用插針形航空插頭進(jìn)行電氣連接。測試系統(tǒng)由上位機和控制器兩部分組成：上位機由計算機構(gòu)成（可與CT機采集計算機共用），其主要功能是提供一個人機交互界面，實現(xiàn)與控制器的通信及加速器狀態(tài)的顯示；控制器是一個嵌入式系統(tǒng)，由不同模塊構(gòu)成，完成與上位機通信。同時，操作人員可通過控制器上的按鍵控制加速器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對加速器部分動作的直接控制，有效減免了加速器故障所帶來的損失，方便了對加速器的維護(hù)。
    駐波電子直線加速器和測試系統(tǒng)間的連接結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    控制器直接對加速器的“急停”、“電源”、“開機”等相關(guān)性能進(jìn)行控制，以此控制加速器的出束和停束；加速器也將“出束狀態(tài)”和“返回測試”兩個控制信號值返回給控制器，控制器處理后，送給上位機，以便操作人員直接了解加速器的性能。當(dāng)上位機界面上的“同步信號”值為1時，上位機發(fā)出命令給控制器，控制器處理后，控制加速器發(fā)出頻率為50 Hz~250 Hz的方波，在方波高電平中的幾微秒時間內(nèi)，加速器出束，操作者就可以在加速器出束的幾微秒時間內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再送入控制系統(tǒng)，進(jìn)行圖像重建，以此判斷被檢測物體是否有裂痕。另外，上位機對加速器的真空、水流、溫控、高預(yù)熱、低預(yù)熱等相關(guān)性能也進(jìn)行監(jiān)測，同時對加速器出束的劑量值進(jìn)行實時繪制和事后重繪?？刂破饕部蓡为殞铀倨鞯?ldquo;使能控制”、“斷束控制”等控制信號進(jìn)行控制及在液晶屏上顯示。
2 上位機
    人機交互界面是上位機的主要組成部分，為操作者提供直觀、方便的操作環(huán)境，采用可視化編程語言Visual C++作為開發(fā)工具。上位機串口與CT控制計算機通信，將加速器的工作狀態(tài)、運行參數(shù)及故障代碼等信息發(fā)送到CT控制計算機，由CT控制計算機主界面進(jìn)行顯示。同時，上位機界面還完成劑量率時間曲線的實時繪制與事后重繪、加速器工作模式的監(jiān)控與設(shè)置的功能。
    操作界面主要由狀態(tài)顯示區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)、控制信號區(qū)和繪圖區(qū)四部分組成。狀態(tài)顯示區(qū)主要有18個顯示狀態(tài)，在系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)的工作狀態(tài)顯示在狀態(tài)區(qū)的相應(yīng)位置。參數(shù)顯示區(qū)主要反映加速器的觸發(fā)頻率值、劑量值以及出束時間?？刂菩盘枀^(qū)給出測試系統(tǒng)到加速器的控制信號值，其中“使能控制”控制加速器是否出束；“同步信號”控制加速器是否發(fā)出方波脈沖；“能量選擇”對加速器進(jìn)行6Mev和9Mev兩種能量的選擇；“出束狀態(tài)”和“返回測試”是測試系統(tǒng)控制器從加速器讀回的控制信號值，反映加速器是否正常工作。繪圖區(qū)則反映出束過程中劑量率的變化趨勢和走向。如圖3所示。

    上位機不能直接對加速器施加控制信號，需要將控制信號值傳入控制器，通過控制器進(jìn)行相應(yīng)處理后，再對加速器進(jìn)行控制。本測試系統(tǒng)采用RS-232進(jìn)行通信（長距離通信可改用RS-422協(xié)議）。
3 控制器
    加速器的急停、電源、開機等功能直接通過航空插頭接在控制器上實現(xiàn)，通過控制器上的相關(guān)按鈕即可控制加速器的低預(yù)熱過程、高預(yù)熱過程、是否出束、是否截斷加速器電源等功能。另外，加速器的“使能控制”、“同步信號”等時序控制需要由控制器經(jīng)計算處理后對加速器進(jìn)行控制。
3.1 控制器硬件設(shè)計
    根據(jù)測試系統(tǒng)設(shè)計的需要，控制器應(yīng)設(shè)計與上位機通信的接口、參數(shù)模式及數(shù)值輸入接口、顯示接口?？紤]到抗干擾設(shè)計的需要，確定控制器硬件電路由以下5個模塊構(gòu)成：通信模塊、顯示模塊、控制模塊、光隔離模塊及按鍵處理模塊。下面介紹控制模塊和光隔離模塊的設(shè)計。
     (1)控制模塊：基于對單片機性能與價格以及控制柜系統(tǒng)對于單片機要求的考慮，選用AT89C52芯片。設(shè)計優(yōu)點：單片機價格便宜，所需功能都能實現(xiàn)，性價比高。設(shè)計缺點：單片機為串行處理，不能很好地滿足對執(zhí)行效率要求較高的系統(tǒng)。
    (2)光隔離模塊：控制側(cè)接口電源采用獨立5 V電源，控制柜和加速器之間的信號采用速度為1Mb/s的光耦合差分器件6N136進(jìn)行連接；采用5 V的26LS32器件完成差分信號形式的輸入/輸出。如圖4所示。

3.2 控制器軟件設(shè)計
    采用C語言進(jìn)行控制器軟件程序的編寫，它移植性好，在擴充系統(tǒng)時可以很快移植運行于UNIX操作系統(tǒng)。主要由主程序模塊、LCD顯示模塊、串口模塊、按鍵處理模塊及波形發(fā)生模塊組成。
    主程序控制系統(tǒng)主要功能，單片機各部分的功能都在相應(yīng)子程序中實現(xiàn)。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性以及不影響控制器其他部分程序的運行，串口以及波形發(fā)生均采用中斷方式實現(xiàn)。
3.3 頻率值誤差分析及校正
    本系統(tǒng)用定時器0實現(xiàn)方波的定時時間。由于使用的單片機晶振是11.059 2 MHz，根據(jù)定時器0計數(shù)參數(shù)的計算公式：initial_value=t/MC。其中t為欲定時時間，t=T/2=1/(2×freq)；MC為89C52的機器周期，即MC=12/11.059 2，故initial_value=t/MC=460 800/freq。由此得出定時器0的計數(shù)初值：
    TH0=(65536-initial_value)/256
    TL0=(65536-initial_value)%256
    由于單片機晶振為11.059 2 MHz，故實際的頻率值與理論值存在誤差。
    加速器對于頻率值的要求比較高，在輸入頻率值50 Hz~250 Hz變化的范圍內(nèi)，要求在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、250 Hz的頻率值時，誤差范圍在0.5%以內(nèi)，其余頻率值時，誤差范圍在2%以內(nèi)。為滿足上述要求，當(dāng)頻率值是10的倍數(shù)時，根據(jù)讀取的頻率值，通過不斷糾正，直接給出initial_value的值，而不是通過公式算出的initial_value值。其他范圍內(nèi)的值，通過臨近范圍內(nèi)特殊頻率值的initial_value值乘上頻率值給出M的粗略值。其中，M的值要小于理論值460 800。
    此方法計算出來的頻率值精度較高，能較好地滿足加速器對于頻率值精度要求高的設(shè)計要求。
    本工業(yè)CT用駐波電子直線加速器測試系統(tǒng)具有模塊化的特點，可根據(jù)實用需求進(jìn)行性能擴展；實現(xiàn)了分項系統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)控的操作。由于采用了光隔離模塊，使控制柜能夠在工業(yè)環(huán)境中正常運行，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，系統(tǒng)中通過對頻率誤差進(jìn)行補償設(shè)計，滿足了加速器正常工作的需求。系統(tǒng)已試用于9MeV駐波電子直線加速器工業(yè)CT機中，運行情況穩(wěn)定可靠。
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