CN104782232B - X射线束控制系统及其控制方法以及包括该x射线束控制系统的便携式光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种X射线束控制系统包括具有调制电路(16)的反馈控制环路电路(12)。该反馈控制环路电路生成控制信号。X射线管(18)具有由管电流与灯丝温度构成的非线性的灯丝响应曲线。补偿电路(14)接收该控制信号并根据与该灯丝响应曲线相匹配的补偿函数修改该控制信号。该调制电路接收该经修改的控制信号并生成驱动信号。该X射线管在其灯丝处接收该驱动信号，并输出具有对该控制信号的线性响应的管电流信号。该反馈控制环路电路接收该管电流信号。

Description

X射线束控制系统及其控制方法以及包括该X射线束控制系统 的便携式光谱仪

技术领域

本公开涉及用于微型X射线源的通过固件实现动态可调节的灯丝控制，尤其涉及X射线束控制系统、其控制方法，以及包括该X射线束控制系统的便携式光谱仪。

背景技术

微型X射线管已被广泛应用于便携式设备，以进行非破坏性分析、材料表征、成像和医疗应用。所得系统的仪表便携性和现场使用性质要求它们能够在一定操作参数范围内迅速和一致地做出测量。这种类型的操作的关键方面之一在于X射线管尽快开始生成稳定的输出管电流的能力。

迄今为止，微型X射线管主要利用模拟电路来控制X射线管的灯丝。控制系统的基本问题在于，传递函数增益随所请求的管电流的增加而急剧增加。最高开环增益发生在X射线管的最大容许操作管电流处。如要使用模拟控制电路实现稳定的操作，需要设定总增益以确保在该最大增益处的稳定性。对最大电流增益的最优化可在以最大管电流运行时实现快速的接通和稳定时间，且尽量最小化管电流的超射(overshoot)。

模拟电路实现方式的问题在于，当请求较低管电流时，增益比最大电流操作时的增益低得多，这引起过长的接通和稳定时间。接通和稳定时间的这些增加可导致不正确的测量或者增加获得正确结果的测定时间。

发明内容

X射线束控制系统包括具有调制电路的反馈控制环路电路。该反馈控制环路电路生成控制信号。X射线管有由管电流与灯丝温度构成的非线性的灯丝响应曲线。补偿电路接收该控制信号并根据与该灯丝响应曲线相匹配的补偿函数修改该控制信号。调制电路接收该经修改的控制信号并生成驱动信号。X射线管在其灯丝处接收该驱动信号，并输出具有对该控制信号的线性响应的管电流信号。该反馈控制环路电路接收该管电流信号。

附图说明

图1是现有技术微型X射线管中管电流控制的基本示意图。

图2是图1中X射线管控制系统的管电流与原始PWM占空比的曲线图。

图3是由驱动PWM电流与原始PWM占空比构成的曲线图。

图4是用来显示用于控制微型X射线管的反传递函数补偿的基本示意图。

图5A-C是制造、操作和维护灯丝控制系统的基本框图。

具体实施方式

图1是与现有技术微型X射线管中管电流控制相对应的功能框图。控制电路2向脉宽调制(PWM)电路4提供输出。PWM电路4为X射线管6生成灯丝驱动信号。X射线管6的输出是对控制电路2的输入。

图2是现有技术X射线管控制系统的由管电流与原始PWM电压构成的曲线图。这是X射线管的占空比与输出的典型曲线图。管电流是占空比的非线性函数。由于是非线性关系，大多数PWM占空比都不生成任何电流。当非线性响应被引入到控制电路中，反馈环路的稳定性出现问题，例如上升时间更长、超射较大、以及稳定时间更长。这些问题导致X射线管的接通时间较慢。

图3是由驱动PWM与原始PWM电压构成的曲线图。这是X射线管控制系统的占空比与输出的线性化。在将要进一步描述的本发明的实施例中，管电流的线性部分被作为输入提供给控制电路。这可以通过缩短时间、最小化超射并缩短稳定时间来提高反馈环路的稳定性。

在固件受控系统中处理功率可供使用的情况下，可生成补偿函数，该补偿函数将会把X射线束的管电流的响应线性化成灯丝驱动信号。

由于每一X射线管具有独特的灯丝响应曲线，因此要生成准确补偿函数(例如反传递函数)的最好方法是测量管电流就位时的响应并为每一装置生成独特曲线。

灯丝驱动信号是调制信号，例如脉宽调制方波(PWM)，该信号被施加在灯丝上、对驱动脉宽调制进行平均以产生灯丝加热功率。由于是非线性关系，大多数PWM占空比都不生成任何电流。理想地，人们希望PWM占空比与管电流之间呈现线性关系。对于预定PWM电压，这可以通过在调制信号的每一步骤测量管电流的响应来完成。反传递函数被生成并存储。可替代地，反传递函数的值可被存储为查找表。查找表的值被施加到控制信号并成为灯丝驱动信号。当灯丝驱动信号被施加时，X射线管的管电流的响应现在是线性响应。可为多个PWM电压生成查找表。

该测量可在制造X射线管时或使用后予以执行并且被存储在非易失性存储器内的装置上。在操作期间，固件使用该线性化表在接通和稳定时间恒定的情况下控制管电流环路，而无论所请求的电流如何。

此外，可周期性地重新运行该测量来解释X射线管的灯丝响应曲线的变化。随时间推移比较查找表可为X射线管灯丝的相对健康给出指示并用于预测性维护。

每一X射线管具有由管电流与灯丝温度构成的独特的非线性的灯丝响应曲线。管电流是阴极和阳极之间的电子流。管电流以毫安为单位进行测量，并通过调节施加在阴极的低压、加热电流进行控制。灯丝的温度越高，离开阴极并行进到阳极的电子数目越大。控制器的毫安或电流设置调节灯丝温度，该灯丝温度与X射线输出的强度有关。不同灯丝电流时的管电流(如PWM占空比所测量的)被适当地测量，并且为每一装置生成独特的曲线或传递函数。匹配该独特灯丝响应曲线的补偿传递函数(例如反传递函数)被生成。该函数用于改变灯丝驱动信号，这样使得所得到的X射线管电流是对控制信号的线性响应。

图4示出了用来显示用于控制微型X射线管的反传递函数补偿的X射线系统10的基本示意图。控制反馈电路12接收所期望的设置并生成控制信号。补偿电路14接收该控制信号和模式设置并输出指示输入信号的经修改的控制信号。调制电路16(例如脉宽调制(PWM)电路或模拟控制信号)接收该经修改的控制信号并将其作为灯丝驱动信号施加到X射线管18上。反馈电阻器28位于X射线管18的输出和放大器20的负输入之间。

控制反馈电路是闭环控制系统。一个适当的反馈控制电路12是比例积分微分(PID)控制器。PID控制器12计算“误差”值，作为所测量的过程变量和所期望的设定点之间的差异。控制器12通过调节过程控制输入来试图最小化误差。

PID控制器计算涉及三个独立的恒定参数，并且相应地有时被称为三项控制：比例、积分和微分值，用p、I、D表示。启发性地，这些值可在时间上进行解释：P取决于当前误差，I取决于过去误差的累积，以及D是对将来误差的预测，基于电流变化率。这三个动作的加权和用于经由控制元件(例如提供给X射线管18的功率)来调整该过程。

当反馈控制电路12是PID控制器时，它包括具有正输入和负输入的放大器20。正输入接收所期望的设置。串联连接的电容器24和电阻器26位于放大器20的负输入和输出之间。放大器20的输出向反传递函数表14提供控制信号。在反馈控制电路12内，调制电路从补偿电路14接收经修改的控制信号并将其施加到X射线管18上。此外，控制器22与放大器20、补偿电路14、调制电路16、和X射线管18进行双向通信。

在一个实施例中，补偿电路14可以是反传递函数表，例如具有补偿函数的存储值的存储器。在另一个实施例中，补偿电路14包括用于存储补偿函数(例如反传递函数)的控制器。该控制信号然后被反传递函数动态地(例如实时地)修改。

在另一个实施例中，可根据操作条件选择多个反传递函数和一个模式设置。这些操作条件可包括但不限于高电流灯丝、精度电流灯丝、灯丝健康、操作时间、湿度、环境温度、及所期望的PWM电压。

为了说明，高电流灯丝和精度电流灯丝的模式设置以允许将反传递函数表的特定部分用于对较小电流范围的更高精度控制，或者相反地对较大电流范围的较低精度控制。可以设想大操作电流范围具有高电流灯丝模式以及仅仅一部分操作范围具有精度电流灯丝模式，但允许具有同样数量表条目的更高精度的初始化。

图5A-C是与制造、操作和维护灯丝控制系统相对应的过程流程图。

图5A是与制造灯丝控制系统相对应的过程流程图110。在步骤112中，管和控制电路进行配合。在步骤114中，通过创建脉宽调制(PMW)信号与电流的曲线来运行灯丝校准。为了说明，这可以通过在经调制信号的每一步骤测量管电流的响应来完成。在步骤116中，与灯丝校准相对应的补偿函数被确定。补偿函数被作为PWM与电流的表存储在非易失性存储器中。当补偿函数被施加到控制信号上时，X射线管的输出将具有线性响应。

在操作期间，X射线管输出是非线性响应，因为从热离子发射器所发射的电流是温度的指数函数。温度与灯丝驱动功率的四次方成比例。补偿这一类型的快速变化函数在模拟域非常困难。理想地，可在X射线管的整个操作范围内建立管电流与灯丝驱动信号之间的线性响应。这将允许在管电流的整个操作范围内实现具有最小超射的类似接通和稳定时间。

在操作期间，如图5B中将要描述的，控制信号被补偿传递函数装置故意失真，这样使得在其再次被X射线管失真之后，PID控制器的输入将会是线性信号。

图5B是与操作灯丝控制系统相对应的过程流程图120。在步骤122中，操作电流被请求。在步骤124中，在PWM信号与电流的表中查找电流以找出相对应的PWM值。在步骤126中，相对应的PWM值作为最佳接通值被施加。在步骤128中，反馈环路保持与PWM值相对应的电流。

图5C是与维护或监控期间灯丝控制系统相对应的过程流程图130。在步骤132中，在所期望的进度运行灯丝校准过程。在步骤134中，将所生成的曲线与之前的灯丝校准进行比较。在步骤136中，进行有关灯丝健康的确定。

在一个实施例中，为了说明，控制器在不同的时间获取X射线管的第一和第二曲线(如上文所描述的)，并推导出灯丝响应曲线。控制器的比较器接收和比较第一灯丝响应曲线和第二灯丝响应曲线。比较器的输出是灯丝健康指数。控制器可以在接收来自用户的请求之后或在预定的操作间隔获取X射线管的第一和第二灯丝响应曲线。

虽然上文已就灯丝温度作了描述，但本发明的任何实施例可替代地被施加到X射线管的任何非线性参数上。

图6是用来说明准直快门300的手持式分析仪的管嘴(snout)202的特写图。准直快门300包括管308。X射线管302生成指向准直快门300一侧(背面)的X射线束304。如箭头306所示，准直快门300可在至少两个位置之间横向地或旋转地移动。在图6所示的位置，管308在X射线管控制系统302和窗口310之间与X射线束304对准，这样使得X射线束可穿过管308，经由窗口310离开管嘴202并撞击样品(未示出)。管308的端部(初级X射线从这里离开)限定了远端出口开口311。来自样品的荧光X射线312进入窗口310并撞击探测器314(如虚线所示)。窗口310可用X射线透明材料的薄片(例如聚酰亚胺膜)盖住，以防止灰尘或其他污染物从窗口310进入管嘴202。适当的聚酰亚胺薄膜是来自杜邦公司(I.I.du Pont de Nemoursand Company)的商标卡普顿(Kapton)。

Claims (28)

1.一种X射线束控制系统，包括：

反馈控制环路电路，该反馈控制环路电路包括调制电路，所述反馈控制环路电路用于生成控制信号；

X射线管，该X射线管具有由管电流与灯丝温度构成的非线性的灯丝响应曲线；以及

补偿电路，该补偿电路接收该控制信号、根据与该灯丝响应曲线相匹配的补偿函数修改该控制信号；

其中：

该调制电路接收经该补偿函数修改的控制信号并生成驱动信号；

该X射线管在其灯丝处接收该驱动信号，并输出具有对该控制信号的线性响应的管电流信号；以及

该反馈控制环路电路接收该管电流信号。

2.如权利要求1中所述的X射线束控制系统，其中该反馈控制环路电路是PID控制环路电路。

3.如权利要求1中所述的X射线束控制系统，其中该调制电路是脉宽调制电路。

4.如权利要求1中所述的X射线束控制系统，其中该补偿函数是与该灯丝响应曲线相匹配的反传递函数。

5.如权利要求1中所述的X射线束控制系统，其中：

该补偿电路包括控制器，该控制器测量该X射线管的该灯丝响应曲线并推导出该补偿函数；以及

该控制器根据该补偿函数生成该经修改的控制信号。

6.如权利要求5中所述的X射线束控制系统，该控制器包括在查找表中存储该补偿函数的多个值的存储器。

7.如权利要求1中所述的X射线束控制系统，进一步包括选自群组的模式设置，该群组包括高电流灯丝和精度电流灯丝。

8.如权利要求5中所述的X射线束控制系统，其中：

该控制器在不同的时间获取该X射线管的第一和第二灯丝响应曲线；

该控制器进一步包括比较器，该比较器接收和比较该第一灯丝响应曲线和该第二灯丝响应曲线，并生成灯丝健康指标。

9.如权利要求8中所述的X射线束控制系统，其中：

该调制电路向该X射线管施加一系列占空比信号；以及

该控制器存储该第一和该第二灯丝响应曲线。

10.如权利要求8中所述的X射线束控制系统，其中该控制器获取该X射线管的第一和第二灯丝响应曲线是由用户启动的。

11.如权利要求8中所述的X射线束控制系统，其中该控制器获取第一和第二电流灯丝响应曲线以预定的操作间隔发生。

12.一种用于分析样品的组成的便携式光谱仪，该便携式光谱仪包括：

手持式壳体，

电路，该电路包括：

反馈控制环路电路，该反馈控制环路电路包括调制电路,所述反馈控制环路电路用于生成控制信号，

X射线管，该X射线管具有由管电流和灯丝温度构成的非线性的灯丝响应曲线，产生穿透性辐照束来照亮该样品的至少一部分上的点，由此从该样品产生响应信号，以及

补偿电路，该补偿电路接收该控制信号、根据与该灯丝响应曲线相匹配的补偿函数修改该控制信号，

其中：

该调制电路接收经该补偿函数修改的控制信号并生成驱动信号，该X射线管在其灯丝处接收该驱动信号，并输出具有对该控制信号的线性响应的管电流信号；以及

该反馈控制环路电路接收该管电流信号；

探测器，该探测器用于接收该响应信号并产生输出信号；以及

光谱分析仪，该光谱分析仪接收和分析该输出信号。

13.如权利要求12所述的便携式光谱仪，进一步包括选自群组的模式设置，该群组包括高电流灯丝和精度电流灯丝。

14.如权利要求12中所述的便携式光谱仪，其中该补偿函数是与该非线性响应相匹配的反传递函数。

15.如权利要求12中所述的便携式光谱仪，其中：

该补偿电路包括控制器，该控制器测量该X射线管的该灯丝响应曲线并推导出该补偿函数；以及

该控制器根据该补偿函数生成该经修改的控制信号。

16.如权利要求15中所述的便携式光谱仪，该控制器包括在查找表中存储该补偿传递函数的多个值的存储器。

17.如权利要求12所述的便携式光谱仪，进一步包括选自群组的参数的模式设置，该群组包括高电流灯丝和精度电流灯丝；

其中对于每一模式设置，存在匹配该灯丝响应曲线与该参数的补偿函数。

18.如权利要求12中所述的便携式光谱仪，进一步包括：

该控制器在不同的时间获取该X射线管的第一和第二灯丝响应曲线；

该控制系统进一步包括比较器，该比较器接收和比较该第一灯丝响应曲线和该第二灯丝响应曲线，并生成灯丝健康指标。

19.如权利要求18中所述的便携式光谱仪，其中：

该调制电路向该X射线管施加一系列占空比信号；以及

该控制器存储该第一和该第二灯丝响应曲线。

20.如权利要求18中所述的便携式光谱仪，其中该控制器获取该X射线管的第一和第二灯丝响应曲线是由用户启动的。

21.如权利要求18中所述的便携式光谱仪，其中该控制器获取第一和第二电流灯丝响应曲线以预定的操作间隔发生。

22.一种用于控制X射线束控制系统的方法，该方法包括：

由反馈控制环路生成控制信号；

对于X射线管，获取由管电流与灯丝温度构成的非线性的灯丝响应曲线；以及

根据与该灯丝响应曲线相匹配的补偿函数修改该控制信号；

响应于经该补偿函数修改的控制信号生成驱动信号；

在该X射线管的灯丝处接收该驱动信号；

该X射线管输出具有对该控制信号的线性响应的管电流；以及

该反馈控制环路接收该管电流信号。

23.如权利要求22中所述的用于控制X射线束控制系统的方法，其中该补偿函数是与该灯丝响应曲线相匹配的反传递函数。

24.如权利要求22中所述的用于控制X射线束控制系统的方法，其中获取由管电流与灯丝温度构成的灯丝响应曲线包括：

测量该X射线管的该灯丝响应曲线；以及

推导出该补偿函数。

25.如权利要求22中所述的用于控制X射线束控制系统的方法，包括在查找表中存储该补偿函数的多个值。

26.如权利要求22中所述的用于控制X射线束控制系统的方法，进一步包括：

在不同的时间获取该X射线管的第一和第二灯丝响应曲线；

比较该第一灯丝响应曲线和该第二灯丝响应曲线；以及

生成灯丝健康指标。

27.如权利要求26中所述的用于控制X射线束控制系统的方法，其中在不同的时间获取第一和第二灯丝响应曲线包括：

向该X射线管施加一系列占空比信号；以及

存储该第一和该第二灯丝响应曲线以及与该第一和该第二灯丝响应曲线相匹配的多个补偿函数。

28.一种实施计算机可读指令程序的非瞬态计算机可读存储介质，该程序可由处理器执行，以进行多个操作来控制X射线束控制系统，这些操作包括：

该X射线束控制系统的反馈控制环路生成控制信号；

对于该X射线束控制系统的X射线管，获取由管电流与灯丝温度构成的非线性的灯丝响应曲线；以及

根据与该灯丝响应曲线相匹配的补偿函数修改该控制信号；

响应于经该补偿函数修改的控制信号生成驱动信号；

在该X射线管的灯丝处接收该驱动信号；

该X射线管输出具有对该控制信号的线性响应的管电流；以及

由该反馈控制环路接收该管电流信号。