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1 MV X光机系统可靠性实验研究

马成刚 李洪涛 邓明海 曹宁翔 莫腾富 王晓 张志强

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1 MV X光机系统可靠性实验研究

    作者简介: 马成刚(1977—),男,高级工程师,主要研究方向为脉冲功率技术及应用研究;macg2@21cn.com.
    通讯作者: 邓明海, dmh@caep.cn
  • 中图分类号: TL65;TM89

Experimental research on reliability of 1 MV X-ray system for radiography

    Corresponding author: Deng Minghai, dmh@caep.cn
  • CLC number: TL65;TM89

  • 摘要: 参考“天蝎-Ι”原型机,重新设计了1 MV X光机系统,根据技术指标可靠性要求,对Marx发生器、场畸变开关、脉冲传输线、脉冲形成线及二极管等进行了可靠性设计。针对新设计的1 MV X光机系统,对其可靠性进行了实验研究,包含1 MV X光机系统的时间抖动和出光剂量稳定性等,根据调试实验结果制定1 MV X光机系统操作规程,按照规程对1 MV X光机系统进行了可靠性考核,连续工作81发次,最大时间抖动为146 ns,剂量为0.75~1.40 R @1 m,满足总体技术指标要求,可靠度达到98%。
  • 图 1  1 MV X光机主机系统示意图

    Fig. 1  Schematic illustration of the 1 MV X-ray system

    图 2  1 MV X光机主机系统实物图

    Fig. 2  Photo of the 1 MV X-ray system

    图 3  开关导通时延统计图

    Fig. 3  Experimental results of switch jitter

    图 4  开关自击穿电压统计图

    Fig. 4  Experimental results of switch self-breakdown voltage

    图 5  真空室绝缘隔板沿面闪络图片

    Fig. 5  Photo of the flashover on insulator

    图 6  系统出光延时时间分布图

    Fig. 6  Time jitter of the 1 MV X-ray system

    图 7  系统输出剂量分布图

    Fig. 7  Dose at 1 m right in front of the 1 MV X-ray system

    表 1  设计参数表

    Table 1  Design parameters

    geometrical parameterselectrical parameters
    Marx generator dimensions:~2970 mm×1690 mm×1000 mm;
    switch gap:23 mm±0.2 mm
    9 stage; capacitor:100 kV/0.4 μF; charge voltage:
    ±58 kV; number of capacitor:18; k≈0.6
    pulse forming line inner diameter of the outer conductor:614 mm; outer diameter of the inner conductor:292 mm; L≈1 m equivalent capacitor:6 nF; impedance:5 Ω; k≈0.6
    oil switch switch gap≈26 mm /
    pulse transmission line inner diameter of the outer conductor:614 mm; outer diameter of the inner conductor:76 mm; L≈1.34 m equivalent capacitor:2.9 nF; impedance:14 Ω; k≈0.6
    rod-pinch diode diameter of the graphite cathode hole:12 mm; thickness:3 mm; diameter of the tungsten anode rod:1.5 mm; outer dimension~11 mm design impedance:40 Ω
    oil transmission line inner diameter of the outer conductor:320 mm; outer diameter of the inner conductor:102 mm; L≈2 m impedance:45 Ω; k≈0.6
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    表 2  可靠性措施表

    Table 2  Measurements of the reliability

    \failure modeaction
    hardware designoil transmission line,pulse transforming line and pulse transmission line electric breakdownconservative electrical stress design, k≈0.6
    Marx generation electrical breakdownconservative Marx generation electrical stress design
    Marx generation trigger reliabilitypulse transformer trigger mode,output voltage up to double capacitor charge voltage,rise time less than 70 ns
    diode insulator and structure coherencerobust electrode design and vacuum system design,assistant system
    procedural designinspector before testspecific parameters of oil,water,vacuum and diode;special check table
    operation in testspecial operation order and time
    operation after testspecific test recorder and analysis,find hidden failure
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    表 3  1 MV X光机系统与Cygnus工作情况对比表

    Table 3  Performance contrast of the 1 MV X-ray system and Cygnus systems

    working shotsfailure shots
    Cygnus11642
    Cygnus21714
    1 MV X-ray system2410
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-23
  • 录用日期:  2019-10-30
  • 网络出版日期:  2019-11-28

1 MV X光机系统可靠性实验研究

    通讯作者: 邓明海, dmh@caep.cn
    作者简介: 马成刚(1977—),男,高级工程师,主要研究方向为脉冲功率技术及应用研究;macg2@21cn.com
  • 中国工程物理研究院 流体物理研究所,脉冲功率科学与技术重点实验室,四川 绵阳 621900

摘要: 参考“天蝎-Ι”原型机,重新设计了1 MV X光机系统,根据技术指标可靠性要求,对Marx发生器、场畸变开关、脉冲传输线、脉冲形成线及二极管等进行了可靠性设计。针对新设计的1 MV X光机系统,对其可靠性进行了实验研究,包含1 MV X光机系统的时间抖动和出光剂量稳定性等,根据调试实验结果制定1 MV X光机系统操作规程,按照规程对1 MV X光机系统进行了可靠性考核,连续工作81发次,最大时间抖动为146 ns,剂量为0.75~1.40 R @1 m,满足总体技术指标要求,可靠度达到98%。

English Abstract

  • 自从1895年德国科学家伦琴发现X射线以来,X射线照相诊断技术就得到了蓬勃的发展。为满足流体动力学实验对闪光X射线照相的需求,中国工程物理研究院流体物理研究所相继研制了150 kV,300 kV,450 kV,1 MV等中低能闪光照相系统[1-3],其中2013年研制成功的“天蝎-Ι”1 MV X光机系统包含三套互成一定角度布置的X射线照相系统,能够拍摄同一客体不同时刻的三幅图像,形成了准动态闪光照相能力。国内其他单位如西北核技术研究所也研制了输出电压2 MV的RPD型X射线源[4]。但随着流体动力学实验对闪光照相需求的提高,对装置可靠性方面提出了更高的要求。美国双轴闪光照相装置Cygnus可靠性达到98%,达到了较高水平[5-6]。目前“天蝎-Ι”1 MV X射线照相系统的可靠性还存在一定的问题,因此研究人员在“天蝎-Ι”原型机的基础上重新设计了一套1 MV X光机系统,对其工作可靠性进行了实验研究。本文简要介绍了相关可靠性设计工作,通过实验考核了1 MV X光机系统的工作可靠性。

    • 1 MV X光机系统主要包括充电控制系统、主机系统和触发控制系统(延时同步机、高压脉冲发生器)、时间间隔测量系统(PIN探头、示波器)以及辅助系统等组成。其中1 MV X光机主机系统如图1所示,主要由Marx发生器、油介质连接线、水介质脉冲形成线、自击穿油开关、水介质脉冲传输线、rod-pinch二极管及参数诊断系统等组成。

      图  1  1 MV X光机主机系统示意图

      Figure 1.  Schematic illustration of the 1 MV X-ray system

      1 MV X光机系统的基本工作原理为:首先由Marx发生器通过油介质连接线将水介质脉冲形成线充电至1 MV左右,然后油开关击穿,输出电压脉冲经水介质脉冲传输线到真空二极管上,二极管中阴极场致发射产生的电子束流在阴阳极间加速后轰击阳极靶,通过轫致辐射产生X射线。

      1 MV X光机系统主机实物图如图2所示。

      图  2  1 MV X光机主机系统实物图

      Figure 2.  Photo of the 1 MV X-ray system

      1 MV X光机的脉冲形成线和脉冲传输线都为单同轴线,这种设计结构简单、可靠,采用最佳阻抗变换原则[7-8],合理设计两段形成线阻抗,可以在二极管负载上得到超过1 MV的高压脉冲信号。

      1 MV X光机中Marx发生器、水介质脉冲形成线、水介质脉冲传输线、油介质连接线、主开关和rod-pinch二极管的主要设计参数如表1所示。

      表 1  设计参数表

      Table 1.  Design parameters

      geometrical parameterselectrical parameters
      Marx generator dimensions:~2970 mm×1690 mm×1000 mm;
      switch gap:23 mm±0.2 mm
      9 stage; capacitor:100 kV/0.4 μF; charge voltage:
      ±58 kV; number of capacitor:18; k≈0.6
      pulse forming line inner diameter of the outer conductor:614 mm; outer diameter of the inner conductor:292 mm; L≈1 m equivalent capacitor:6 nF; impedance:5 Ω; k≈0.6
      oil switch switch gap≈26 mm /
      pulse transmission line inner diameter of the outer conductor:614 mm; outer diameter of the inner conductor:76 mm; L≈1.34 m equivalent capacitor:2.9 nF; impedance:14 Ω; k≈0.6
      rod-pinch diode diameter of the graphite cathode hole:12 mm; thickness:3 mm; diameter of the tungsten anode rod:1.5 mm; outer dimension~11 mm design impedance:40 Ω
      oil transmission line inner diameter of the outer conductor:320 mm; outer diameter of the inner conductor:102 mm; L≈2 m impedance:45 Ω; k≈0.6
    • 图1表1中可以看出,1 MV X光机的油介质连接线、脉冲形成线和传输线通过合理设计保证其可靠性,一般不会出现绝缘问题,影响整体可靠性的主要为Marx发生器、主开关和二极管。一是Marx发生器能否正常触发工作,不存在触发不动作、自击穿、误触发及绝缘问题;二是主开关工作可靠,不存在提前导通或滞后导通,且不存在绝缘击穿;三是二极管正常出光,剂量达到要求,并且真空区隔板不出现沿面闪络或绝缘击穿问题。

      Cygnus装置的可靠性分为两个方面:可靠性和重复性[6],总体可靠度达98%。可靠性指系统能够可靠地将电脉冲产生并传输到二极管,重复性指在可靠工作的前提下,产生的X射线能够对客体进行闪光照相,可由输出剂量稳定性反映。

      根据可靠性实验的成败型实验模型[9],当采用80%的置信度时,要达到98%的可靠度置信下限,至少要进行80发次的实验无失误。当采用90%的置信度时,要达到98%的可靠度置信下限,至少要进行114发次的实验无失误。

      参考Cygnus装置并根据80%~90%置信度下实验最小发次,提出了1 MV X光机系统的可靠性综合指标,并给出了1 MV X光机可靠性指标:系统能够在规定时间范围内可靠工作,出光抖动极值不超过200 ns,输出剂量不小于0.60 rad@1 m,最大输出剂量不小于1.00 rad@1 m,焦斑直径不超过1.5 mm,总体可靠度不小于98%。

    • 根据前文的可靠性分析,在1 MV X光机系统的硬件设计、操作规程上都采取了措施,以保证系统的可靠稳定运行,具体可靠性措施如表2所示。

      表 2  可靠性措施表

      Table 2.  Measurements of the reliability

      \failure modeaction
      hardware designoil transmission line,pulse transforming line and pulse transmission line electric breakdownconservative electrical stress design, k≈0.6
      Marx generation electrical breakdownconservative Marx generation electrical stress design
      Marx generation trigger reliabilitypulse transformer trigger mode,output voltage up to double capacitor charge voltage,rise time less than 70 ns
      diode insulator and structure coherencerobust electrode design and vacuum system design,assistant system
      procedural designinspector before testspecific parameters of oil,water,vacuum and diode;special check table
      operation in testspecial operation order and time
      operation after testspecific test recorder and analysis,find hidden failure
    • 根据前面制定的可靠性措施,在设计和操作上都采取措施保证系统的可靠性。对“天蝎-Ι”1 MV X射线照相系统进行改进时,对Marx发生器开关和二极管真空室绝缘隔板进行了改进,因此把这两部分作为整个系统的关键部件进行可靠性考核。

      Marx发生器开关的可靠性直接影响了整个系统的工作可靠性,另外由于把原有开关的绝缘气体由N2和SF6混合气体改为干燥空气并适当加大开关间隙[10],降低开关的工作电压系数,因此专门制定了考核办法对其工作稳定性进行了考核。

      Marx发生器开关经过老炼后,在1 MV X光机上对其进行了性能测试,共放电测试了1050次,开关导通时延数据以10次放电测试为一组,每组分别选取最大值和最小值进行了统计,共统计了210个数据,如图3所示。开关导通时延的最大值为268.2 ns,最小值为242.6 ns,算术平均值为252.9 ns,抖动(绝对值)为25.6 ns,与1 MV X光机中原使用的开关性能基本相同,1050次放电测试中Marx开关的导通时延分散性没有明显的变化,说明Marx发生器开关经过1000多次放电后导通时延性能未出现明显的下降。

      图  3  开关导通时延统计图

      Figure 3.  Experimental results of switch jitter

      实验次数累计达到50次,在同样条件下进行一次开关自击穿实验,共进行了21次开关自击穿实验,统计结果见图4,最大值为91.4 kV,最小值为86.6 kV,平均值约为88.9 kV,最大偏差不超过3%,可见1050次放电测试中Marx发生器开关的自击穿电压没有明显的变化,说明Marx发生器开关经过1000多次放电后绝缘性能未出现明显的下降。

      图  4  开关自击穿电压统计图

      Figure 4.  Experimental results of switch self-breakdown voltage

      实际使用中,Marx发生器开关的工作次数远达不到1000次(目前工作约400次,年度出光约200次,短期内出光次数不超过1000次),Marx发生器开关仍在其稳定工作范围内,可保证其稳定可靠工作。

      “天蝎-Ι”1 MV X射线照相系统的真空室绝缘隔板曾发生绝缘击穿及沿面闪络,为避免类似问题再次发生,对真空室绝缘隔板进行了改进,增大沿面绝缘距离和隔板厚度,因此对真空室绝缘隔板的可靠性进行了考核。通过实验,每隔10发对绝缘隔板表面进行清洁处理,经过400多发次的实验未出现绝缘隔板沿面击穿现象,但是在改进之前绝缘隔板常出现绝缘隔板沿面闪络,位于绝缘隔板的中下部,如图5所示。

      图  5  真空室绝缘隔板沿面闪络图片

      Figure 5.  Photo of the flashover on insulator

      根据图5分析,沿面闪络主要是在工作多次后二极管粉尘污染绝缘隔板表面导致沿面绝缘强度降低所致。虽然设计了屏蔽罩阻挡爆炸粉尘或颗粒直接轰击绝缘隔板,但仍然无法阻挡爆炸粉尘在二极管区域的沉积,这也是沿面闪络多发生在绝缘隔板中下部的原因。实验发现,工作13次后拆开二极管区域,大多发现绝缘隔板有沿面闪络痕迹,但是输出剂量并没有明显降低,通过清洁绝缘隔板表面,按照13发次间隔进行,每块绝缘隔板工作39发次后输出剂量才稍有降低,因此为保证绝缘隔板的工作可靠性,制定真空室绝缘隔板的操作规程:新绝缘隔板工作10次进行表面清洁,工作20次更换新的绝缘隔板。

    • 按照操作规程对1 MV X光机系统工作可靠性进行了整体考核,总计进行81发次实验,不同发次的出光延时时间分布如图6所示。可以看出,总计81发次,最大出光延时时间为2.470 μs,最小出光延时时间为2.324 μs,出光延时最大抖动为146 ns。

      图  6  系统出光延时时间分布图

      Figure 6.  Time jitter of the 1 MV X-ray system

      1 MV X光机出光点正前方1 m处的输出剂量分布情况如图7所示。可以看出,出光点正前方1 m处的剂量一般不小于1.00 R,最低输出剂量为0.75 R@1 m,最高输出剂量为1.40 R@1 m。

      图  7  系统输出剂量分布图

      Figure 7.  Dose at 1 m right in front of the 1 MV X-ray system

      在这81发次的可靠性考核中,1 MV X光机无自激、不动作和误触发现象,系统工作稳定可靠。在本次可靠性实验考核之前,研究人员对1 MV X光机系统的可靠性进行了内部考核,总计工作125发次,最大时间抖动为161 ns,满足前文的可靠性指标要求,125发次全部工作正常。另外又进行了35发次的照相实验,全部工作正常。这样1 MV X光机目前已稳定工作241发次,表3所示为1 MV X光机系统与Cygnus装置2007年工作可靠性数据对比[6]

      表 3  1 MV X光机系统与Cygnus工作情况对比表

      Table 3.  Performance contrast of the 1 MV X-ray system and Cygnus systems

      working shotsfailure shots
      Cygnus11642
      Cygnus21714
      1 MV X-ray system2410
    • 通过从硬件设计和操作规程上加强1 MV X光机系统的可靠性,对关键部件进行可靠性考核,1 MV X光机系统按照规程考核81发次,最大时间抖动146 ns,全部可靠工作。目前1 MV X光机已稳定工作241发次,最大时间抖动为161 ns,剂量为0.75~1.40 rad@1 m,全部发次都稳定可靠,可靠度达到98%。目前1 MV X光机输出剂量还不是很稳定,最大偏差超过40%,另外真空室绝缘隔板工作次数较少,建议在下一步工作中提高系统输出剂量稳定性并提高真空室绝缘隔板工作寿命。

参考文献 (10)

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