工业CT用驻波电子直线加速器测试系统的研制

工业计算机断层成像简称工业CT(ICT)，是一种依据外部投影数据重建物体内部结构图像的无损检测技术。工业CT主要用于工业产品的无损检测和探伤，根据被检工件的材料及尺寸选择不同能量的X射线。ICT技术能紧密、准确地再现物体内部的三维立体结构，能定量地提供物体内部的物理、力学特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化及水平、异型结构的形状及精确尺寸、物体内部的杂质及分布等。随着加速器技术的发展，其应用领域已拓展到工业探伤、工业CT、集装箱监测、辐照、医疗等，因此对加速器的运行参数及稳定性等的要求也越来越高[1]。
    根据重建CT图像的基本过程，对一台工业CT设备的基本要求为：能够测量X射线穿透被检物体以后射线的强度，能够完成X射线机-探测器系统与被检测物体之间的扫描运动，从而获得重建CT图像所需的完整数据；获得的数据通过一定的算法重建出物体的断面图像。从扫描到重建图像都由计算机控制和实现，这样，一个工业CT系统应包括：射线源、辐射探测器和准直器、数据采集系统、图像重建以及控制系统[2]。CT系统组成示意图如图1所示。

    工业CT常用的射线源是X射线机和直线加速器，可见直线加速器在工业CT中的重要性。为便于运行人员的测试、操作与维修，将CT系统的五个组成部分分开测试。各部分均满足指标后再进行整体测试，以达到用户需求的测试。这种方式现已成为一种新的测试加速器的方法。本测试系统就是为测试加速器各项指标而设计的，具有一定的实用价值。
1 系统总体方案
    测试系统能够将加速器通过传输媒介传送过来的状态信息正确地通过约定方式显示出来，同时又能够通过对底层器件上相关状态的修改和设置将控制信息传送至上层器件进行显示，以此获得加速器运行状态。它是操作人员了解加速器性能并进行远程测试的桥梁。
    驻波电子直线加速器与测试系统均使用航空插头，连接电缆两端使用插针形航空插头进行电气连接。测试系统由上位机和控制器两部分组成：上位机由计算机构成（可与CT机采集计算机共用），其主要功能是提供一个人机交互界面，实现与控制器的通信及加速器状态的显示；控制器是一个嵌入式系统，由不同模块构成，完成与上位机通信。同时，操作人员可通过控制器上的按键控制加速器的工作状态，实现对加速器部分动作的直接控制，有效减免了加速器故障所带来的损失，方便了对加速器的维护。
    驻波电子直线加速器和测试系统间的连接结构图如图2所示。

    控制器直接对加速器的“急停”、“电源”、“开机”等相关性能进行控制，以此控制加速器的出束和停束；加速器也将“出束状态”和“返回测试”两个控制信号值返回给控制器，控制器处理后，送给上位机，以便操作人员直接了解加速器的性能。当上位机界面上的“同步信号”值为1时，上位机发出命令给控制器，控制器处理后，控制加速器发出频率为50 Hz~250 Hz的方波，在方波高电平中的几微秒时间内，加速器出束，操作者就可以在加速器出束的几微秒时间内对数据进行采集，再送入控制系统，进行图像重建，以此判断被检测物体是否有裂痕。另外，上位机对加速器的真空、水流、温控、高预热、低预热等相关性能也进行监测，同时对加速器出束的剂量值进行实时绘制和事后重绘。控制器也可单独对加速器的“使能控制”、“断束控制”等控制信号进行控制及在液晶屏上显示。
2 上位机
    人机交互界面是上位机的主要组成部分，为操作者提供直观、方便的操作环境，采用可视化编程语言Visual C++作为开发工具。上位机串口与CT控制计算机通信，将加速器的工作状态、运行参数及故障代码等信息发送到CT控制计算机，由CT控制计算机主界面进行显示。同时，上位机界面还完成剂量率时间曲线的实时绘制与事后重绘、加速器工作模式的监控与设置的功能。
    操作界面主要由状态显示区、参数显示区、控制信号区和绘图区四部分组成。状态显示区主要有18个显示状态，在系统运行时，系统的工作状态显示在状态区的相应位置。参数显示区主要反映加速器的触发频率值、剂量值以及出束时间。控制信号区给出测试系统到加速器的控制信号值，其中“使能控制”控制加速器是否出束；“同步信号”控制加速器是否发出方波脉冲；“能量选择”对加速器进行6Mev和9Mev两种能量的选择；“出束状态”和“返回测试”是测试系统控制器从加速器读回的控制信号值，反映加速器是否正常工作。绘图区则反映出束过程中剂量率的变化趋势和走向。如图3所示。

    上位机不能直接对加速器施加控制信号，需要将控制信号值传入控制器，通过控制器进行相应处理后，再对加速器进行控制。本测试系统采用RS-232进行通信（长距离通信可改用RS-422协议）。
3 控制器
    加速器的急停、电源、开机等功能直接通过航空插头接在控制器上实现，通过控制器上的相关按钮即可控制加速器的低预热过程、高预热过程、是否出束、是否截断加速器电源等功能。另外，加速器的“使能控制”、“同步信号”等时序控制需要由控制器经计算处理后对加速器进行控制。
3.1 控制器硬件设计
    根据测试系统设计的需要，控制器应设计与上位机通信的接口、参数模式及数值输入接口、显示接口。考虑到抗干扰设计的需要，确定控制器硬件电路由以下5个模块构成：通信模块、显示模块、控制模块、光隔离模块及按键处理模块。下面介绍控制模块和光隔离模块的设计。
     (1)控制模块：基于对单片机性能与价格以及控制柜系统对于单片机要求的考虑，选用AT89C52芯片。设计优点：单片机价格便宜，所需功能都能实现，性价比高。设计缺点：单片机为串行处理，不能很好地满足对执行效率要求较高的系统。
    (2)光隔离模块：控制侧接口电源采用独立5 V电源，控制柜和加速器之间的信号采用速度为1Mb/s的光耦合差分器件6N136进行连接；采用5 V的26LS32器件完成差分信号形式的输入/输出。如图4所示。

3.2 控制器软件设计
    采用C语言进行控制器软件程序的编写，它移植性好，在扩充系统时可以很快移植运行于UNIX操作系统。主要由主程序模块、LCD显示模块、串口模块、按键处理模块及波形发生模块组成。
    主程序控制系统主要功能，单片机各部分的功能都在相应子程序中实现。为保证数据传输的实时性以及不影响控制器其他部分程序的运行，串口以及波形发生均采用中断方式实现。
3.3 频率值误差分析及校正
    本系统用定时器0实现方波的定时时间。由于使用的单片机晶振是11.059 2 MHz，根据定时器0计数参数的计算公式：initial_value=t/MC。其中t为欲定时时间，t=T/2=1/(2×freq)；MC为89C52的机器周期，即MC=12/11.059 2，故initial_value=t/MC=460 800/freq。由此得出定时器0的计数初值：
    TH0=(65536-initial_value)/256
    TL0=(65536-initial_value)%256
    由于单片机晶振为11.059 2 MHz，故实际的频率值与理论值存在误差。
    加速器对于频率值的要求比较高，在输入频率值50 Hz~250 Hz变化的范围内，要求在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、250 Hz的频率值时，误差范围在0.5%以内，其余频率值时，误差范围在2%以内。为满足上述要求，当频率值是10的倍数时，根据读取的频率值，通过不断纠正，直接给出initial_value的值，而不是通过公式算出的initial_value值。其他范围内的值，通过临近范围内特殊频率值的initial_value值乘上频率值给出M的粗略值。其中，M的值要小于理论值460 800。
    此方法计算出来的频率值精度较高，能较好地满足加速器对于频率值精度要求高的设计要求。
    本工业CT用驻波电子直线加速器测试系统具有模块化的特点，可根据实用需求进行性能扩展；实现了分项系统的质量监控的操作。由于采用了光隔离模块，使控制柜能够在工业环境中正常运行，增强了系统的稳定性。另外，系统中通过对频率误差进行补偿设计，满足了加速器正常工作的需求。系统已试用于9MeV驻波电子直线加速器工业CT机中，运行情况稳定可靠。
参考文献
[1] 曾自强，张立峰.10Mev辐照电子直线加速器控制系统[J]. 原子能科学技术，2005，39(2)：114-117.
[2] 张朝宗，郭志平.工业CT技术和原理[M].北京：科学出版社，2009.
[3] 陈雪星，刘宏邦.基于89C52单片机的多功能数据采集器[J].核电子学与探测技术，2008，28(5)：1045-1047.
[4] 郑莉，董渊，张瑞丰.C++语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005.
[5] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京：航空航天大学出版社，1990：407-
408.
[6] 吕卫星，高振江.电子直线加速器计算机控制系统的研制[J].原子能科学技术，2002，36(2)：97-99.