Конденсаторные батареи с плоскими верхушками для неразрушающего контроля с использованием многоэнергетического импульсного рентгеновского излучения

Конденсаторные батареи с плоскими верхушками для неразрушающего контроля с использованием многоэнергетического импульсного рентгеновского излучения

Резюме

Многоэнергетический рентгеновский контроль разделяет материалы путем деления двух кадров, полученных при разных напряжениях на рентгеновской трубке. Метод предполагает, что каждый кадр создается при известном, постоянном напряжении. В импульсном источнике это напряжение возникает из-за разряда конденсатора, поэтому каждый вольт пульсации превращается в разброс энергии конечной точки тормозного излучения, а извлеченный атомный номер размывается. В этой статье приводятся арифметические вычисления для преобразования пульсаций в спектр, уравнения для фильтра с плоской вершиной и номинальные значения емкости конденсаторов, при которых пульсации не превышают 1%.

1. Введение

Многоэнергетическая рентгеновская визуализация предполагает получение двух или более снимков при разных напряжениях на рентгеновской трубке и их деление. Логарифмическое отношение сокращает член, описывающий плотность, поэтому оставшаяся часть соответствует эффективному атомному номеру Z. Этот метод используется для проверки безопасности, таможенного досмотра, проверки пищевых продуктов на наличие загрязнений и комплексного неразрушающего контроля.

Метод основан на одном предположении. Каждая экспозиция должна производиться при известном и стабильном напряжении на трубке. Импульсный источник получает это напряжение за счет разряда конденсатора, и любые пульсации в разряде напрямую отражаются в разбросе энергии конечной точки тормозного излучения.

Чувствительность высокая. Энергия тормозного излучения следует за мгновенным напряжением трубки, поэтому пульсация в 1% приводит к разбросу конечной точки около 1%. При 120 кВ высокоэнергетическое окно охватывает диапазон от 118.8 кэВ до 121.2 кэВ, коэффициент ослабления разбросан на ±4%, а вычисленное значение Z смещается на ±0.6 единиц.

Исследовательские программы CEA во Франции и LUT-университета в Финляндии количественно определили это требование. Полезное плато импульса должно удерживать пульсации ниже 1%, при этом высококачественные системы стремятся к показателю 0.5%. Фильтрующий блок, обеспечивающий это плато, располагается непосредственно поперек трубки, а блоки пленочных конденсаторов соответствуют требованиям по уровню пульсаций, но не по объему, характерному для портативного прибора.

2. Основной механизм

2.1 Как пульсации расширяют энергетический спектр

Энергия фотона в конечной точке равна заряду электрона, умноженному на мгновенное напряжение на трубке. Следовательно, колебание напряжения на плато точно попадает на энергию в конечной точке:

ΔE / E = ΔV / V

где ΔE — разброс энергии в конечной точке, E — номинальная энергия в конечной точке, ΔV — пульсация плато, а V — заданное напряжение на лампе. Отношение линейное, поэтому пульсация в 1% при 120 кВ сдвигает эффективное окно более чем на 1 кВ.

Контрасты ослабления являются крутыми функциями энергии. Для стальной пластины толщиной 10 мм отношение массового ослабления μ(60 кэВ)/μ(120 кэВ) составляет около 3.2 на номинальных концах. Пульсация в 1% искажает вычисленное отношение на ±4%, что соответствует ±0.6 единицам Z, чего достаточно, чтобы спутать чугун со сталью на сортировочной линии. Пульсация в 0.5% уменьшает это искажение вдвое.

2.2 Модель с плоской верхней частью и провисанием

В период плато напряжение на лампе отклоняется от заданного значения на три составляющие: падение напряжения при разряде, падение напряжения на резисторе и пик индуктивного фронта.

ΔV_plateau = I_peak · t_pulse / C + I_peak · ESR

где I_peak — импульсный ток, t_pulse — длительность плато, C — емкость блока, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление блока и его соединений.

ΔV_edge = ESL · (dI/dt)

где ESL — индуктивность блока и контура, а dI/dt — наклон кривой тока при включении. Сумма этих двух членов должна оставаться в пределах допустимого уровня пульсаций.

Возьмем источник напряжения 20 кВ с током 200 А, плато длительностью 300 нс и допустимым напряжением 200 В. Блок конденсаторов емкостью 400 нФ с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) 10 мОм и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) 30 нГн обеспечивает падение напряжения на 150 В плюс 2 В, или 0.76%. Пиковое значение на фронте тока при скорости разряда 4 × 10⁹ А/с достигает 120 В. Пленочный блок конденсаторов той же емкости с ESR 200 мОм и ESL 100 нГн добавляет падение напряжения на входе на 40 В и пиковое значение на фронте тока 400 В.

2.3 Емкость для заданного целевого значения пульсаций

Параметр "просадка" определяет минимальную емкость для выбранного допустимого уровня пульсаций:

C_min = I_peak · t_pulse / (r · V_set)

где r — допустимая пульсация в долях, V_set — заданное напряжение на лампе, а C_min — минимальная емкость блока. Для плато 200 А, 300 нс при 20 кВ и r = 1% блоку требуется 300 нФ. Увеличение r до 2% уменьшает емкость блока вдвое, поэтому сначала устанавливается целевая величина пульсации.

2.4 Нагрев, вызванный частотой повторения кадров, и дрейф от кадра к кадру

Каждый импульс вносит в блок I_rms² · ESR, а среднеквадратичное значение тока зависит от коэффициента заполнения:

I_rms = I_peak · √(t_pulse · f_rep)

где f_rep — частота повторения. При пиковом токе 2 кА, импульсах длительностью 1 мкс и частоте 30 Гц среднеквадратичное значение тока I_rms составляет около 11 А.

Рассеяние следует из ЭПР:

P = I_rms² · ESR

где P — средняя мощность на единицу. Одиннадцать ампер на 10 мОм дают 1.2 Вт в керамическом модуле и 24 Вт в пленочном модуле с сопротивлением 200 мОм. Эти 24 Вт нагревают герметичный модуль до тех пор, пока не произойдет дрейф емкости, поэтому последовательные кадры обрабатываются с разными спектрами. Керамика с низкими потерями удерживает повышение температуры ниже 10 °C, а емкость — в пределах ±0.5% в диапазоне от −25 °C до +85 °C.

Рис. 1 — Пленочный аккумулятор дважды превышает допустимое напряжение в 200 В, демонстрируя пиковое значение в 400 В и платообразное падение напряжения в 190 В, которое удерживает керамический аккумулятор.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Объем фотобанков превышает возможности портативного прибора.

Для портативного двухэнергетического сканера требуется блок питания на 100 нФ / 20 кВ. Пленочная версия занимает более 500 см³ и весит около 1 кг, что больше, чем остальная электроника портативного устройства. Команды, работающие над прототипом, обнаружили, что пленочный конденсатор Банк, а не трубка или детектор, превращает портативную конструкцию в тележку. Аналогичный по характеристикам керамический корпус занимает менее 100 см³.

Проблемный момент 2: СОЭ смещает плато

Пленочные измерители этого класса демонстрируют эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) от 100 мОм до 300 мОм. При импульсе 200 А падение напряжения на входе достигает 20–60 В, при этом плато наклоняется, а не смещается. Сравнительные испытания показали, что точность определения плоской вершины спектра у источника с пленочным фильтром примерно в 3 раза хуже, чем у эталонного источника с керамическим фильтром, и эта потеря проявляется в снижении различимости материалов на изображении.

Проблема 3: Нагрев, вызванный изменением частоты повторения импульсов, сдвигает спектр между кадрами.

При частоте от 10 до 50 Гц нагрев I_rms² · ESR в пленочных блоках повышает температуру ядра на десятки градусов. Емкость пленки изменяется с температурой, поэтому пара кадров, полученных с интервалом в несколько минут, обрабатывается с использованием двух разных эффективных спектров. В результате на Z-карте наблюдается полосчатость, которую трудно откалибровать в полевых условиях.

Проблема 4: Краевые импульсы ESL-сигнала создают высокоэнергетический фотонный всплеск.

Пленка с плотностью 100 нГн создает краевой импульс в несколько сотен вольт. В этот момент ток в трубке достигает максимума, поэтому импульс генерирует фотоны с энергией выше заданной. Этот импульс загрязняет расчет отношения в течение первых десятков наносекунд каждой экспозиции, именно в это время происходит разрешение мелких деталей.

Проблемный момент 5: Разброс допустимых отклонений нарушает согласование каналов.

Системы с несколькими трубками или энергетическими каналами усугубляют проблему. Допуск на пленку ±10% позволяет одному каналу демонстрировать пульсации на уровне 0.9%, в то время как соседний канал работает с пульсациями на уровне 1.4%. Тестирование одного канала не выявляет это несоответствие, и оно проявляется позже в виде ухудшения дискриминации по оси Z в процессе эксплуатации.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик класса I с коэффициентом диэлектрической проницаемости ниже 0.1%.

Выбирайте N4700 В качестве диэлектрика для батареи используется титанат стронция. Коэффициент диссипации менее 0.1% позволяет сохранить небольшую долю ЭПР в спаде плато при импульсных токах до килоампер.

Проверьте эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) на рабочей частоте разрядной петли. Допустимым критерием приемлемости является предел в 30 мОм на частоте 100 кГц, а у небольших устройств он составляет менее 10 мОм. Укажите емкость, согласованную с точностью до ±1% внутри блока, чтобы пульсации во всех каналах были одинаковыми.

Стратегия 2: Уменьшить индуктивность контура с помощью ламинированной шины.

Подключите блок через ламинированную шину, расположив обратную плоскость непосредственно под плоскостью высокого напряжения. Такая геометрия позволяет удерживать индуктивность контура ниже 30 нГн. Размещайте блок на расстоянии не более 50 мм от проходного элемента лампы, поскольку каждый сантиметр провода добавляет около 10 нГн и соответствующий импульс на фронте сигнала.

Стратегия 3: Сбалансируйте последовательные цепи с помощью выравнивающих резисторов.

При напряжении выше 50 кВ блоки следует соединять последовательно и устанавливать. градуировочные резисторы Для выравнивания распределения напряжения в установившемся режиме необходимо распределить напряжение по каждому блоку. Рассчитывайте параметры сети с учетом наихудшего сценария разброса тока утечки при повышенной температуре. Затем проверьте работу без частичных разрядов с уровнем тока ниже 5 пКл при напряжении, в 1.1 раза превышающем номинальное, поскольку выравнивающие резисторы не устраняют внутренние частичные разряды.

Стратегия 4: Разместите разрядный контур коаксиально.

Расположите контур в виде проходного кабеля для ламп, блока, переключателя и заземляющего вывода, при этом корпуса конденсаторов должны быть концентричны оси контура. Коаксиальная конструкция компенсирует внешнюю связь с полем и поддерживает эффективную эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) близкой к собственному значению емкости конденсатора. Расположите выводы триггера и управления затвором подальше от силового контура, чтобы избежать ложного срабатывания на фронте переходного процесса.

Стратегия 5: Соблюдение температурных и допусковых зазоров для обеспечения стабильности конструкции рамы.

Заказывайте блоки питания в виде согласованных комплектов с допуском ±1% от одной производственной партии. Используйте блоки с эпоксидной заливкой и медными выводами для рассеивания тепла и убедитесь, что повышение температуры не превышает 10 °C при импульсных последовательностях частотой 30 Гц. Повторно проверьте пульсации при расчетном последовательном сопротивлении (ESR) в конце срока службы, чтобы гарантировать показатель в 1% на протяжении всего срока эксплуатации.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G).	10 кВ постоянного тока.	Высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с.
Емкость.	4700 пФ ±20% (472М).	1 МГц, 1 В среднеквадратичного значения.
ЭПР на частоте 1 МГц.	ниже 50 мОм.	-
Индуктивность контура (хорда E40).	ниже 8 нГн.	Расстояние между клеммами 40 мм.
Сопротивление изоляции.	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока.	25 °C, 60% относительной влажности.
Диапазон температур.	от −40 °С до +125 °С.	Серия IEC 60068-2.
Возможность импульсного изменения DV/DT.	выше 50 кВ/мкс.	при номинальном напряжении.

5. Панели HVC N4700 для многоэнергетических импульсных источников

Пульсации остаются в пределах целевой области, когда батарея сохраняет свою емкость и потери на частоте разряда. Компания HVC производит керамические блоки класса I N4700 для обоих типов устройств на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ. Каждый блок проходит проверку на частичный разряд перед отгрузкой.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент диссипации ниже 0.1%. На высоких частотах коэффициент диссипации остается ниже 0.1%, поэтому тепловыделение ЭПР невелико, а плато остается плоским при импульсах в килоамперах.
• Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭСС). Приборы поддерживают ЭСС ниже 30 мОм на частоте 100 кГц, что на порядок ниже, чем у пленочных фильтров этого класса.
• ESL ниже 30 нГн. HVCT8G Серия дверных ручек и серия дисковых элементов HVCT9G устраняют краевой пик, который добавляет высокоэнергетические фотоны в начале импульса.
• Емкость согласована с точностью ±1%. Банки отбираются из одной партии, поэтому каждый энергетический канал испытывает одинаковые пульсации и имеет одинаковый эффективный спектр.
• Частичная разрядность ниже 5 пКл при напряжении, в 1.1 раза превышающем номинальное. Экранирование ограничивает деградацию диэлектрика в течение длительной кампании по проверке.
• Координированные пассивные компоненты. резисторы выборки HVRGXP, HVR-BSP трубчатые толстопленочные демпфирующие элементы и быстровосстанавливающиеся диоды Может быть заказан вместе с блоком для делителя, демпфирующего элемента и выпрямительного каскада.

Компоненты HVC также соответствуют электрическим параметрам Vishay Компоненты HVCC, радиально-выводные кабели KEMET, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV позволяют повторно закупать комплектующие для квалифицированной конструкции без повторной проверки электрооборудования.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в подборе размеров плоских фильтров, анализе пульсаций и ESL, градуировке последовательного соединения и компоновке модулей с ламинированными шинами.

Укажите напряжение на лампе, пиковый ток, ширину плато, частоту повторения и объем корпуса. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист подбора конденсаторов с номерами деталей, данными ESR на частоте разряда и комплектом для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему пульсации имеют большее значение при многоэнергетической визуализации, чем при одноэнергетической?

Поскольку различение материалов основано на соотношении между двумя кадрами. На одноэнергетическом рентгеновском снимке изображение становится ярче или темнее только при изменении напряжения на трубке. В двухэнергетической паре сравниваются два снимка, поэтому любое различие в эффективных спектрах двух кадров воспринимается как различие в материалах. Пульсация изменяет эффективный спектр, и 1% пульсации сдвигает извлеченный атомный номер примерно на ±0.6 единиц.

В2: Какая емкость необходима для целевого устройства с пульсациями в 1%?

Используйте формулу C_min = I_peak · t_pulse / (r · V_set). Для плато 200 А, длительностью 300 нс при 20 кВ и r = 1% это дает 300 нФ. ESR закрывает оставшуюся часть допустимого значения: при 10 мОм падение напряжения IR добавляет 2 В, а при 200 мОм — 40 В. Пленочные батареи проходят проверку на просадку напряжения, но не проходят проверку на практический объем и нагрев.

В3: Можно ли достичь целевого показателя распространения волн с помощью фотопленки?

Да, только из-за пульсаций. Остальная часть диаграммы направленности создает проблемы. Пленочный блок на 100 нФ / 20 кВ занимает более 500 см³ и весит около 1 кг, его ЭПР достигает 100–300 мОм, а ЭЗП составляет около 100 нГн. Каждое из этих значений смещает плато от плоского состояния, а большой объем исключает возможность использования портативного прибора.

В4: Как контролировать внезапные скачки сигнала ESL?

Используйте неиндуктивную конструкцию конденсаторов, располагайте конденсаторную батарею в пределах 50 мм от проходного элемента лампы и подавайте ток по ламинированной шине, плоскость которой находится непосредственно под плоскостью высокого напряжения. Индуктивность контура ниже 30 нГн позволяет поддерживать пиковое напряжение на уровне около 120 В с наклоном 4 × 10⁹ А/с.

В5: Какое повышение температуры допустимо в герметичном модуле?

Температура ниже 10 °C при номинальной частоте повторения. Этот показатель позволяет керамическому конденсатору класса I оставаться в пределах допустимого диапазона емкости, что обеспечивает повторяемость от кадра к кадру. Пленочный конденсатор сопротивлением 200 мОм рассеивает 24 Вт на единицу при 11 А среднеквадратичного значения, и это тепло приводит как к большему увеличению, так и к большему дрейфу емкости.

В6: Нужно ли подбирать одинаковые конденсаторы для каждого канала?

Да. Допуск ±10% допускает пульсации в одном канале на уровне 0.9%, а в другом — на уровне 1.4%, и это несоответствие незаметно при одноканальном тестировании. Заказывайте блоки, подобранные с допуском ±1%, из одной производственной партии и записывайте измеренное значение каждого блока перед сборкой.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Ук-Джин Ли и Сын-Ки Соль, Стабилизация напряжения звена постоянного тока для инвертора с уменьшенным количеством конденсаторов в звене постоянного токаIEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 1, стр. 404-414, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2013.2268733
8. В моём высоковольтном источнике питания происходит искрение: как мне определить причину проблемы?Spellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-25, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-25 .
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. IEC 60664-1:2020+AMD1:2025 CSV, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения – Часть 1: Принципы, требования и испытания, Изд. 3.1. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2025.
11. Вопросы применения многослойных керамических конденсаторов BME высокого напряжения.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS International 2012), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.pdf .
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com