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(jì)算機(jī)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(yùn)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(tái)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(qiáng)度，能夠完成X射線機(jī)-探測器系統(tǒng)與被檢測物體之間的掃描運(yùn)動(dòng)，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(jì)算機(jī)控制和實(shí)現(xiàn)，這樣，一個(gè)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(jī)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(yùn)行人員的測試、操作與維修，將CT系統(tǒng)的五個(gè)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(xiàng)指標(biāo)而設(shè)計(jì)的，具有一定的實(shí)用價(jià)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(shí)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(yùn)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(jī)和控制器兩部分組成：上位機(jī)由計(jì)算機(jī)構(gòu)成（可與CT機(jī)采集計(jì)算機(jī)共用），其主要功能是提供一個(gè)人機(jī)交互界面，實(shí)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(gè)嵌入式系統(tǒng)，由不同模塊構(gòu)成，完成與上位機(jī)通信。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)對加速器部分動(dòng)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(jī)”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(gè)控制信號(hào)值返回給控制器，控制器處理后，送給上位機(jī)，以便操作人員直接了解加速器的性能。當(dāng)上位機(jī)界面上的“同步信號(hào)”值為1時(shí)，上位機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)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(shí)對加速器出束的劑量值進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制和事后重繪。控制器也可單獨(dú)對加速器的“使能控制”、“斷束控制”等控制信號(hào)進(jìn)行控制及在液晶屏上顯示。
2 上位機(jī)
人機(jī)交互界面是上位機(jī)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(jī)串口與CT控制計(jì)算機(jī)通信，將加速器的工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及故障代碼等信息發(fā)送到CT控制計(jì)算機(jī)，由CT控制計(jì)算機(jī)主界面進(jìn)行顯示。同時(shí)，上位機(jī)界面還完成劑量率時(shí)間曲線的實(shí)時(shí)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(hào)區(qū)和繪圖區(qū)四部分組成。狀態(tài)顯示區(qū)主要有18個(gè)顯示狀態(tài)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(shí)間?？刂菩盘?hào)區(qū)給出測試系統(tǒng)到加速器的控制信號(hào)值，其中“使能控制”控制加速器是否出束；“同步信號(hào)”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(hào)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。