Design and experimental research of four-channel spherically bent crystal imaging system
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摘要:
基于动态X射线荧光成像技术对高集光效率、单色化成像诊断设备的需求，提出了一种四通道球面弯晶成像系统设计。采用“圆锥体”空间排布方式，解决了多个通道耦合问题。通过调整弯晶姿态，实现了像点的合理分布。针对4.51 keV能点，采用Ge(400)球面弯晶作为成像元件，给出了四通道弯晶成像系统的光学初始结构参数。在实验中利用Ti靶X射线光管，对单个通道进行了网格背光成像，获得的二维图像放大倍数为7.8倍，空间分辨率达到15 μm，初步验证了系统的成像性能。四通道弯晶成像系统与分幅相机结合，能有效解决动态X射线荧光成像技术信号弱、图像信噪比低的技术难点。
Abstract:Since dynamic X-ray fluorescence imaging technology requires diagnostic equipment which has high throughput and narrow spectral width, we present the design of four-channel spherically bent crystal imaging system. The system adopts a cone spatial configuration to solve the problem of multiple channel coupling. With the size limit of framing camera taken into account, the images are reasonably planned by adjusting the position of bent crystal. We utilize Ge 400 crystal as the imaging component at 4.51 keV and then propose optical initial structural parameters of system. Grid backlit images of single channel are obtained by using X-ray tube in the laboratory. The magnification is 7.8, and the spatial resolution is 15 μm. The results preliminarily verify the performance of system. The four-channel system combined with the framing camera can effectively solve the technical difficulties such as weak signal and low signal to noise ratio in dynamic fluorescence imaging.
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随脉冲功率技术向高重复频率、长寿命等方向发展，对储能元件和开关元件的稳定性能要求越来越高[1-10]。储能元件，尤其是既要储能又要瞬间高功率释能的元件，自身需要兼顾高电压、大电流和低电感，其稳定性能检测往往具有特殊性；以陶瓷脉冲电容器为例，单体耐压往往在百kV级，实验中为降低直流充电的绝缘压力，经常采用脉冲充电的方式，针对性开展百kV级快速充放电的重复频率测试意义重大。同样，对于开关元件，尤其是基于新型电极材料的气体开关，开展专门的重复频率长时间测试可为实际应用提供有力支撑。因此，本文提出并建立一种固态化瞬态强场测试平台，用于支撑储能元件和开关元件在瞬态强场条件下的稳定性能检测。目前，主要利用平台针对脉冲电容器开展了初步测试。关于脉冲电容器的测试已有较多文献报道，典型的测试是在较长时间尺度内恒电流充电不断提高电压至电容器损坏[11]；或者在一定充放电条件下测试其使用寿命，文献[12]报道了在百ms时间内充放电的重复频率测试研究，文献[13]报道了一种适合测试单个陶瓷电容的百kV实验装置。本文研制的固态化瞬态强场测试平台，利用晶闸管组件作为初级单元控制开关，利用磁开关进行两级脉冲压缩，充分发挥固态化开关无电极烧蚀的技术特点，从而获得较长的运行时间和使用寿命；适用于在百kV，μs时间尺度下对小批量脉冲电容器进行测试，相比于个体独立测试有利于电容元件的性能对比和批量筛选。
1. 系统设计与电路模拟
1.1 系统设计
系统采用初级半导体开关和后级磁脉冲压缩相结合的两级功率压缩方式进行脉冲压缩，再通过高功率磁开关快速放电，从而实现μs时间尺度的快速充放电。固态化瞬态强场测试平台系统框图如图1所示，主要包括高压充电单元、初级单元、闭环磁芯脉冲变压器、磁脉冲压缩网络、复位单元和测试腔体。
功率压缩过程开始于初级单元，使用晶闸管组件将初级单元的能量转换给脉冲变压器，变压器输出脉冲经单级磁压缩网络再次功率压缩后，进一步为测试腔体内的电容样品快速充电，最后，测试腔中的电容样品经磁开关对负载放电。
1.2 电路模拟
利用PSpice软件建立了测试平台电路仿真模型如图2所示，虚线框内为测试腔体。其中：C0为初级单元的储能电容；PSS1为初级单元的晶闸管组件，初级单元产生的脉冲经闭环磁芯变压器XF进行升压，为后级磁压缩网络的电容器C1充电；MS1为磁脉冲压缩网络的磁开关，用于完成进一步功率压缩；Test Cell包括了待测的脉冲电容器网络和用于放电的磁开关MS2；RL是负载等效电阻；电路模型中可饱和电感与可饱和变压器的制作借鉴了子电路建模方法的用户自定义元件[14]；Ir1，Ir2和Ir3是3个直流电源，分别用于复位变压器TF和磁开关MS1-MS2；Lr1-Lr3是复位绕组；Ci1-Ci3和Li1-Li6分别是隔离电容和隔离电感，均用于保护直流电源。
图 2 固态化瞬态强场测试平台的电路示意图Figure 2. Schematic of the solid-state transient intense field test platform各元件的参数设置如表1所示，初级电容C0=2 μF，额定电压为20 kV，次级电容C1=40 nF，额定电压为200 kV，脉冲变压器XF原边漏感约12.7 μH，变比为1∶5；由C0，C1和TF的参数配置可以看出，C1能够获得TF变比以上的充电电压；第一级压缩的磁开关MS1伏秒积为384 mV·s，测试腔内的磁开关MS2伏秒积为32 mV·s，负载阻值为4.7 Ω。
表 1 测试平台电气参数Table 1. Electrical parameters of the test platformvoltage/kV current/mA repetition rate/Hz test cell capacitance (typical)/nF test cell voltage (maximum)/kV core reset current/A 0～20 500 0～10 40 100 2 当初级电容充电11 kV时，得到模拟结果如图3所示。测试电容为40 nF情况下，快速充电电压约54 kV，充电时间约1 μs；测试电容为4 nF情况下，快速充电电压约104 kV。实际应用中，可通过调整待测电容值和负载电阻，使测试装置具有较宽的工作范围。通过以上电路模拟得到了测试平台中各元件的电参数，用于进一步指导测试平台的建设。
图 3 在电容负载情况下测试平台的电路模拟结果Figure 3. Typical simulation results of the transient intense field test platform with different capacitors2. 实验研究
2.1 平台建立
根据系统设计框图和电路模拟结果建立了实验装置（技术参数见表1），系统结构示意如图4（a）所示。实现了一体化设计，连接市电即可进行本地和远程操控运行，使用方便。其中，控制单元、复位单元和充电单元工作于空气介质，初级单元、脉冲变压器、磁脉冲压缩和磁开关工作于变压器油介质，负载电阻是水电阻形式，测试腔体为密闭空间，可密封小于1个相对气压的绝缘气体。测试平台实物如图4（b）所示，体积约1 m3，便于整体移动。
图 4 固态化瞬态强场测试平台Figure 4. Structure of the solid-state transient intense field test platform充电单元的充电电压0～20 kV，充电电流500 mA；初级单元的晶闸管组件采用6个管子串联，每支管子的额定电压4.2 kV，额定电流30 kA；脉冲变压器采用跑道型闭环磁芯实现紧凑结构，在提升初级电压的同时保持较高的能量转换效率；磁脉冲压缩网络中磁开关的绕组为15匝双线并绕结构[15]，磁芯为铁基非晶磁环，具体参数如表2所示。
表 2 铁基非晶磁芯技术指标Table 2. Specifications of the Fe-based amorphous corecore
materialouter
diameter/mminner
diameter/mmheight/mm thickness/μm width/mm Bs/T Br/T insulation per layer/
Vstacking
factor2605SA-1 406 274 20 25 20 ～1.56 ≥1.4 120 ～0.82 为实现稳定测试，平台自身的可靠性非常重要，主要体现在电特性和热特性等方面。所建平台采用晶闸管开关和磁开关相结合的固态化脉冲调制方式，以及储能元件降额使用方式，能够有效解决电特性稳定问题；通过实验测试摸索系统的热特性，从而为确定重复频率长时间运行模式提供支撑。系统在10 Hz重复频率运行1 h情况下，负载方面对测试基本没有影响，因为水电阻的体积约100 L，自身不进行循环且绝热情况下温升约10 ℃；开关方面，由于开关过程中最高等效工作频率约MHz，磁开关发热较少，在油介质中能够实现热平衡。分析认为，限制系统连续运行时间的主要环节可能是晶闸管组件，并且其内部实际温度难以准确监测，在晶闸管结温和壳温未达到热平衡的情况下，功率器件表面温度也不是恒定的[16]。
因此，有针对性地开展了缩比条件下的晶闸管温升实验测试，一种自然空气冷却型的测试器件如图5所示，在通流kA、脉冲底宽10 μs情况下，单管连续工作3.5 h，局部最高温度达到44.9 ℃，温升为26.6 ℃，经分析对应内部PN结温升高约50 ℃，该结果为初步测试结果，可为测试平台重复频率运行提供了一定参考，但更为准确的结果需要专门研究。在测试平台中，晶闸管工作的脉宽和通流条件与前面测试相近，产品手册中说明该型晶闸管安全结温为125 ℃，所以，针对10 Hz重复频率运行1 h的情况，并在油浸环境中使用，能够满足安全使用要求。
2.2 实验测试
利用该平台，针对多种脉冲电容器进行了小批量测试，如图6（a）所示，能够实现相同批次器件的寿命对比和不同批次器件的筛选选型。针对总容值为40 nF的陶瓷电容器，在测试电容器没有损坏情况下，获得的一组典型实验结果如图6（b）所示，测量了电容器的充电电压，以重叠模式显示，电压幅值约50 kV，重复频率10 Hz，运行85 min，稳定可靠性良好，为进一步开展相关测试和器件应用奠定了基础。
图 6 固态化强场测试平台典型测试结果Figure 6. Typical results of the solid-state transient intense field test platform3. 结 论
基于晶闸管组件、闭环磁芯脉冲变压器和磁脉冲压缩等关键技术，研制了1台固态化瞬态强场测试平台。利用该平台，针对多种脉冲电容器进行了小批量测试，针对总容值为40 nF的陶瓷电容器，获得一组典型实验结果：测试电压50 kV，脉冲宽度1 μs，重复频率10 Hz，运行时间85 min（对应51 000个脉冲）。
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图 2 四通道球面弯晶成像系统示意图
Figure 2. Schematic diagram of four-channel spherically bent crystal imaging system
图 4 背光成像系统和自发光成像系统的区别
Figure 4. Comparison between the backlighter system and self-emission imager
表 1 四通道球面弯晶成像系统参数
Table 1. Parameters of four-channel spherically bent crystal imaging system
E/ keV crystal 2d/nm θ/(°) L/mm β/(°) R/mm p/mm qm/mm 4.51 Ge(400) 0.282 8 76.4 10 30 250 141 878 qs/mm q/mm M Δd/mm α1/(°) α2/(°) α3/(°) α4/(°) 1463 1102 7.8 10 -0.29 0.29 -0.87 0.87 
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