ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА АНОДА И НАПРЯЖЕНИЯ НА АНОДЕ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ
DEVICE FOR MEASURING ANODE CURRENT AND VOLTAGE ACROSS ANODE OF X-RAY TUBE

Заявленное изобретение относится к области рентгенотехники, а именно к портативным рентгеновским генераторам, применяющимся при рентгенофлюоресцентном анализе, преимущественно - к проблеме измерения и стабилизации тока анода и напряжения на аноде рентгеновских излучателей (рентгеновских трубок, далее - РТ) с заземленным катодом, в переносных рентгенофлюоресцентных спектрометрах.
Известны устройства (Авт.св. СССР №784032, H05G 1/ 32; Авт.св. СССР №711708, H05G 1/32), предназначенные для питания РТ, имеющие в своем составе измерители тока анода и напряжения на аноде. В качестве датчика анодного тока трубки используется токоизмерительный резистор. Резистор является преобразователем тока анода в сигнал напряжения, который служит для измерения и/или является сигналом обратной связи для стабилизации тока анода. В качестве измерителя напряжения на аноде используется измерительный делитель напряжения.
Известны устройства (Авт.св. СССР №1221767, H05G 1/34; Авт.св. СССР №514456, Н 05G 1/34), предназначенные для питания РТ, имеющие в своем составе измерители тока анода. В качестве датчика анодного тока трубки используется токоизмерительный резистор, который включен в разрыв цепи между общим проводом и одним из выводов высоковольтного источника питания.
Известно устройство (Авт.св. СССР №1141595, H05G 1/32), содержащее измеритель тока анода и напряжения на аноде рентгеновской трубки, который необходим для вырабатывания сигналов обратной связи анодного тока и напряжения на аноде с целью измерения и стабилизации этих параметров у рентгеновской трубки с заземленным катодом в составе рентгеновского аппарата. Фиг.1 демонстрирует измеритель тока анода и напряжения на аноде, который содержит источник высокого напряжения 1, представляющий собой высоковольтный умножитель напряжения, рентгеновскую трубку 2, датчик анодного тока 3 и делитель напряжения 4. Ток анода рентгеновской трубки 2 измеряется датчиком анодного тока 3, представляющим собой токоизмерительный резистор, который включен в разрыв цепи между общим проводом и минусовым выводом источник высокого напряжения 1. Такое включение позволяет формировать сигнал обратной связи на резисторе относительно общего провода, который пропорционален току анода. Делитель напряжения 4 предназначен для измерения напряжения на аноде. Он представляет собой высоковольтный резистивный делитель, вырабатывающий сигнал обратной связи относительно общего провода, пропорциональный напряжению на аноде РТ. Приведенный измеритель тока анода и напряжения на аноде рентгеновской трубки выбран в качестве прототипа.
Прототип имеет недостаток, заключающийся в том, что сигналы, соответствующие току анода и напряжению на аноде имеют различную полярность относительно общего провода. Этот недостаток приводит к необходимости предусматривать дополнительные электрические цепи (двуполярный источник питания измерительных и стабилизирующих узлов, дополнительный источник питания, инвертор сигнала тока анода и т.п.).
Заявляемое изобретение позволяет упростить схему измерения и стабилизации тока анода РТ, а также значительно расширить диапазон стабилизированных рабочих токов анода РТ без существенного усложнения (даже с упрощением) схемотехнических решений.
Поставленная задача решается следующим образом.
Измеритель тока анода и напряжения на аноде рентгеновской трубки, содержащий рентгеновскую трубку с заземленным катодом, источник высокого напряжения, плюсовой вывод которого подключен к аноду рентгеновской трубки, датчик анодного тока, вход которого подключен к минусовому выводу источника высокого напряжения, и делитель напряжения, подключенный параллельно источнику высокого напряжения, отличающийся тем, что датчик анодного тока выполнен в виде преобразователя тока в напряжение на операционном усилителе с резистором в цепи отрицательной обратной связи, к входу которого подключен минусовой вывод источника высокого напряжения.
Разработан измеритель тока анода и напряжения на аноде рентгеновской трубки (фиг.2), содержащий источник высокого напряжения 1, рентгеновскую трубку 2, датчик анодного тока 3 и делитель напряжения 4.
a
Устройство работает следующим образом. Источник высокого напряжения 1 вырабатывает высокое напряжение, необходимое для питания анода рентгеновской трубки 2. Минусовой вывод источника высокого напряжения 1 подключен к входу датчика анодного тока 3. Датчик анодного тока 3, предназначенный для формирования сигнала, пропорционального току анода, представляет собой преобразователь тока в напряжение, выполненный на операционном усилителе (ОУ) с резистором R в цепи отрицательной обратной связи. Особенностью такой схемы является значение потенциала на инвертирующем входе ОУ, который равен потенциалу общего провода, при условии, что ОУ находится в линейном режиме работы (так называемый «виртуальный ноль»). Таким образом, минусовой вывод источника высокого напряжения 1 подключен к нулевому потенциалу через «виртуальный ноль», и на плюсовом выводе источника высокого напряжения 1 формируется положительное высокое напряжение относительно общего провода, которое подается на анод РТ 2. Анодный ток является вытекающим с входа датчика анодного тока 3 на минусовой вывод источника высокого напряжения 1. Следовательно, на выходе схемы преобразователя тока в напряжение формируется положительное напряжение U=R·I, которое и является сигналом обратной связи, пропорциональным току анода. Делитель напряжения 4 предназначен для измерения напряжения на аноде РТ, который вырабатывает положительное напряжение сигнала относительно общего провода, и этот сигнал пропорционален напряжению на аноде. Для исключения протекания тока делителя через контур протекания тока анода нижний вывод делителя 4 подключен к точке «виртуального нуля». Такое включение устраняет погрешность измерения тока анода, вследствие протекания тока делителя через резистор обратной связи R. В результате получаем как сигнал анодного тока, так и сигнал напряжения на аноде одинаковой полярности. В данном случае - положительной относительно общего провода. Проведенные испытания показали уверенное измерение и стабилизацию тока анода в пределах 5 микроампер - 5 миллиампер (цифры ограничены только способностью РТ и ОУ - в конкретном случае - AD820).
Заявляемый измеритель тока анода и напряжения на аноде рентгеновской трубки имеет следующие преимущества:
- не требует двуполярных или дополнительных источников питания; и
- дополнительных преобразователей напряжений для цепей измерения и стабилизации, или инверторов сигналов, что существенно упрощает и удешевляет схему рентгеновских генераторов, содержащих такой измеритель;
- позволяет использовать для питания рентгеновских генераторов, содержащих заявляемый измеритель, однополярный источник питания (батарею или аккумулятор).
Перечисленные преимущества особенно важны для переносной рентгеновской аппаратуры.