一種電子槍束流控制系統的防護裝置及方法與流程

本發明實施例涉及保護電路技術，尤其涉及一種電子槍束流控制系統的防護裝置及方法。

背景技術：

電子槍是一種工作在真空狀態下，通過高壓對電子進行加速引出的裝置。在放療系統中，電子槍在正常工作時，陰極電流的大小反映了電子槍的電子激發能力，是放療中衡量劑量的一個關鍵性指標。同時電子槍在使用過程中，由于真空度變差，會偶發出現打火現象。打火時陰極電壓與正極瞬間的放電，陰極電壓供電一般都是在幾十KV，正極為PE，打火時產生的陰極電流(達到100A以上)和電壓波動就會極大，容易引起電子槍束流控制系統的損壞。

現有技術中，專利號為“CN103248242A”的專利公開了醫用電子直線加速器用柵控電子槍數字電源，包括交流輸入模塊、功率變化模塊、高壓輸出模塊和綜合信號處理系統。但該專利中沒有公開針對打火保護的技術方案，不能對電子槍控制系統進行保護，一旦發生打火，很容易打壞控制系統中的器件，存在安全隱患。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種電子槍束流控制系統的防護裝置及方法，以實現對電子槍束流控制系統進行打火防護，提高控制系統安全性。

第一方面，本發明實施例提供了一種電子槍束流控制系統的防護裝置，包括：

電流采樣模塊，分別與電子槍陰極和負高壓電源輸出模塊相連，用于對電子槍陰極電流進行采樣以獲得采樣電流；

報警模塊，與電流采樣模塊相連，用于根據所述采樣電流判斷當前電路是否發生打火，并在發生打火時輸出報警信號；

負高壓電源輸出模塊，與報警模塊相連，用于接收到報警信號時切斷高壓輸出。

第二方面，本發明實施例還提供了一種電子槍束流控制系統的防護方法，包括：

對電子槍陰極電流進行采樣以獲得采樣電流；

根據所述采樣電流判斷當前電路是否發生打火，并在發生打火時輸出報警信號；

當負高壓電源輸出模塊接收到報警信號時切斷高壓輸出。

本發明實施例通過電流采樣模塊對電子槍陰極電流進行采樣以獲得采樣電流，并由報警模塊根據所述采樣電流判斷當前電路是否發生打火，并在發生打火時輸出報警信號，負高壓電源輸出模塊接收到報警信號時切斷高壓輸出，如此對電子槍束流控制系統進行打火防護，提高控制系統安全性。

附圖說明

圖1為本發明實施例一提供的一種電子槍束流控制系統的防護裝置的結構示意圖；

圖2為本發明實施例二提供的一種電子槍束流控制系統的防護裝置的結構示意圖；

圖3為本發明實施例三提供的一種電子槍束流控制系統的防護裝置的結構示意圖；

圖4為本發明實施例四提供的一種電子槍束流控制系統的防護方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部結構。

實施例一

圖1為本發明實施例一提供的一種電子槍束流控制系統的防護裝置的結構示意圖，本實施例可適用于對電子槍束流控制系統進行保護的情況，該裝置可以通過硬件和/或軟件的方式實現。

參考圖1，本實施例提供的電子槍束流控制系統的防護裝置具體包括：電流采樣模塊1，分別與電子槍陰極和負高壓電源輸出模塊3相連，用于對電子槍陰極電流進行采樣以獲得采樣電流；報警模塊2，與電流采樣模塊1相連，用于根據所述采樣電流判斷當前電路是否發生打火，并在發生打火時輸出報警信號；負高壓電源輸出模塊3，與報警模塊2相連，用于接收到報警信號時切斷高壓輸出。

電子槍一般包括燈絲、陰極和柵極和陽極。其中，燈絲通電后能將電能轉變為熱能并對陰極進行加熱，使陰極表面產生較高溫度，從而創造一個使陰極發射電子的外部條件；陰極接負高壓，呈圓筒狀，燈絲裝在圓筒內部，燈絲通電時，陰極受熱后發射大量電子；柵極套在陰極外面，為金屬圓筒，頂端開有小孔，可以讓電子束通過，柵極有脈沖的時候才有陰極電流，通過改變柵極電流的大小可以控制陰極電流的大小；陽極主要用于建立一個強電場，使電子束以較快的速度進入加速管進行第二次加速。

其中，電子槍束流控制系統主要完成對電子槍陰極、柵極、燈絲的供電和供電電壓/電流的監控。

其中，打火時，陰極電壓與正極之間瞬間放電，陰極電流會波動極大，通過對陰極電流進行采樣并與預設電流安全閾值進行比對，可判斷當前電路中是否發生了打火現象，并在發生打火時發出報警信號，以迅速切斷高壓輸出，保護電子槍束流控制系統中的元器件不被打壞。

實施例二

圖2為本發明實施例二提供的一種電子槍束流控制系統的防護裝置的結構示意圖，本實施例在上述實施例的基礎上，優選是對電流采樣模塊1和報警模塊2進一步優化，參考圖2，具體包括如下：

優選的，所述電流采樣模塊1包括采樣電阻11、差分運算放大器12以及第一TVS管13(Transient Voltage Suppressor，瞬變電壓抑制二極管)；所述采樣電阻11一端連接電子槍陰極，另一端連接負高壓電源輸出模塊3；所述差分運算放大器12的兩個輸入端與采樣電阻11兩端相連，輸出端與報警模塊2相連；所述第一TVS管13的兩端與差分運算放大器12的兩個輸入端相連。

由于打火時瞬間的電流非常大，采樣電阻11需要滿足打火時的瞬時功率。因此在選擇采樣電阻11時，通常需要滿足：和P_R為需要滿足的瞬時功率，I_瞬間電流為打火時的陰極電流，R為采樣電阻11阻值，Q_R為需要滿足的熱量，t_打火時間為打火時間。綜合來說采樣電阻11的值選取不宜太大，選取的值一般在1Ω內。打火時間根據實際電路參數(如選取的差分運算放大器12的類型)決定，采樣電流采集的越快，報警信號傳輸的越快，負高壓電源輸出模塊3接收到高壓使能信號越快，如此可及時切斷高壓輸出來限制打火時間，一般可以限制打火時間在us級別。

其中，差分運算放大器12的反相輸入端和同相輸入端接在采樣電阻11兩端，用于將采樣電阻11兩端電壓進行放大采樣。差分運放器件對于電流采樣來說是較為理想的器件，能滿足較高的輸入共模電壓，保證打火時采樣電阻11通過大電流而產生高共模電壓但不會損壞器件。為了保證采樣的實時性，使得報警信號能盡快的傳遞傳送給下一級，可使用高速的差分器件，以滿足us級別的實時采樣。

其中，TVS管是一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力，當發生打火時，TVS管的兩端經受瞬間的高能量沖擊，它能以極高的速度(最高達1*10^-12秒)把兩端間的阻抗值由高阻抗變為低阻抗，以吸收一個瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個預定的數值上，從而保護后面的電路元件不受瞬態高壓尖峰脈沖的沖擊。

優選的，所述報警模塊2包括比較器21和狀態鎖存器22，比較器21與電流采樣模塊1相連，用于當采樣電流大于預設電流閾值時判斷當前電路發生打火，并輸出報警信號；狀態鎖存器22與比較器21相連，用于接收到報警信號時鎖定報警狀態，并將報警信號上報給負高壓電源輸出模塊3。

其中，比較器21是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路，兩路輸入為模擬信號，輸出端為數字信號，根據比較結果，可在正常時輸出低電平，打火時輸出高電平，即報警信號。

其中，狀態鎖存器22是一種對脈沖電平敏感的存儲單元電路，它可以把信號暫存以維持某種電平狀態。發生打火時，狀態鎖存器22將狀態進行硬件鎖定，如果沒有人為主動操作，可一直保持打火報警狀態。

在上述技術方案的基礎上，優選是進一步增加了第一濾波模塊4，第一濾波模塊4分別與電流采樣模塊1和報警模塊2相連，設置有第一截止頻率。

其中，第一濾波模塊4優選采用低通濾波器，第一截止頻率的設定值可以根據實際需要來設定，由于該第一濾波模塊4設置在打火防護電路中，故第一截止頻率的設定值既要保證已經發生打火，又要濾出高頻毛刺和/或中低頻干擾，防止引起誤報警。

在上述技術方案的基礎上，優選是進一步增加了緩沖模塊5和監控模塊6，所述緩沖模塊5，一端與報警模塊2相連，另一端分別與監控模塊6和負高壓電源輸出模塊3相連，用于緩沖報警信號并將所述報警信號上報給監控模塊6和負高壓電源輸出模塊3；所述監控模塊6，用于存儲報警信號并發出報警通知。

其中，緩沖模塊5優選使用buffer緩沖器芯片，主要用來將外設送來的數據進行電平轉換，以便發給監控模塊6或負高壓電源輸出模塊3，還用于將監控模塊6發送來的數據進行電平轉換，以便發給狀態鎖存器22或者其他設備。

其中，監控模塊6可以是具有處理能力的CPU，主要起監控作用，當CPU接收到報警信號時，可將該報警信號告知上層顯示界面，通知操作人員發生了打火，在技術人員去排查問題后，如確認沒有問題，可通過上層應用下發解除打火鎖定的命令至CPU，CPU將該命令經緩沖器轉發至狀態寄存器，狀態寄存器解除打火鎖定狀態，高壓輸出恢復。

其中，電子槍陰極接負高壓，一般為負幾千伏至負幾十千伏，由此可將電子槍束流控制系統的防護裝置劃分成高壓控制區和低壓控制區，與陰極相連的電流采樣模塊1、第一濾波模塊4和報警模塊2位于高壓控制區，緩沖模塊5和監控模塊6位于低壓控制區。為了防止高壓控制區和低壓控制區之間產生漏電甚至擊穿，可通過光纖將報警信號從狀態鎖存器22送入緩沖模塊5，通過控制光纖長度，可保證低壓控制區和高壓控制區之間的絕緣強度。

本實施例中，打火防護的工作原理如下：位于高壓控制區的采樣電阻11將陰極電流轉換成電壓信號，電壓信號通過差分運放放大后經過第一濾波模塊4的低通濾波器進行濾波后濾出高頻毛刺，再經比較器21進行判斷是否產生報警信號，如產生報警信號，則將報警信號輸入到狀態鎖存器22進行狀態鎖定，然后通過光纖將報警信號傳送到低壓控制區，最后在打火狀態時切斷高壓輸出，并同時將報警信號上報給CPU。

實施例三

圖3為本發明實施例三提供的一種電子槍束流控制系統的防護裝置的結構示意圖，本實施例在上述實施例的基礎上，優選是進一步增加了模數數模轉換模塊7，參考圖3，具體包括如下：

模數數模轉換模塊7分別與電流采樣模塊1和緩沖模塊5相連，用于將電流采樣模塊1輸出的模擬采樣電流信號轉換成數字采樣電流信號，并發送至緩沖模塊5；所述緩沖模塊5還用于緩沖數字采樣電流信號，并將所述數字采樣電流信號上報給監控模塊6進行監控。如此實現了對采樣電流的復用來實現對陰極電流的監控，而無需再使用第三方采集工具來采集陰極電流。

其中，模數數模轉換模塊7連接在差分運算放大器12的輸出端，差分運算放大器12輸出的采樣電流不僅可以用在打火防護電路中進行打火報警，還可以經模數數模轉換模塊7完成模擬信號到數字信號的轉換，并經buffer緩沖器芯片緩沖后傳輸到CPU，CPU將該數字采樣電流信號傳輸到上層顯示界面進行顯示，如此實現對陰極電流的實時監控。

在上述技術方案的基礎上，優選是進一步增加了第二濾波模塊8，分別與電流采樣模塊1和模數數模轉換模塊7相連，設置有第二截止頻率。

其中，第二濾波模塊8優選采用低通濾波器，第二截止頻率的設定值可以根據實際需要來設定，由于該第二濾波模塊8設置在陰極電流檢測電路中，故第二截止頻率的設定值既要保證采集到較為精確的采樣電流，又要濾出干擾的高頻分量。優選的，第一截止頻率的設定值低于第二截止頻率的設定值。

在上述技術方案的基礎上，優選是進一步增加了第二TVS管9和第三TVS管10，第二TVS管9一端連接電子槍陰極，另一端連接電子槍燈絲；第三TVS管10一端連接電子槍陰極，另一端連接電子槍柵極。

由于打火時電子槍各極之間壓差過大，很容易導致電路損壞，因此在電子槍陰極與柵極、陰極與燈絲之間也增加TVS管，以保護電子槍束流控制系統不受打火時產生的瞬態高壓尖峰脈沖的沖擊。

本實施例中，陰極電流實時監控的原理如下：位于高壓控制區的采樣電阻11將陰極電流轉換成電壓信號，電壓信號通過差分運放放大后經過第二濾波模塊8的低通濾波器濾波后濾出干擾的高頻分量，再經模數數模轉換模塊7將模擬信號轉換成數字信號，通過光纖傳輸到低壓控制區的緩沖器進行緩存，最后上報給CPU實現對陰極電流的實時監控。

電子槍束流控制系統還包括燈絲加熱電壓輸出模塊20和柵極脈沖模塊30，燈絲加熱電壓輸出模塊20與模數數模轉換模塊7相連，位于低壓控制區的CPU可以通過控制模數數模轉換模塊7進而控制燈絲加熱電壓輸出模塊20，如此實現對燈絲電壓的控制，通常，通過燈絲的電流較大時，可以激發更多的電子。柵極脈沖模塊30也和模數數模轉換模塊7相連，位于低壓控制區的CPU可以通過控制模數數模轉換模塊7進而控制柵極脈沖模塊30，如此實現對柵極電壓的控制，通常，柵極電壓越大，可通過的陰極電流越大。

實施例四

圖4為本發明實施例四提供的一種電子槍束流控制系統的防護方法的流程示意圖，本實施例可適用于對電子槍束流控制系統進行保護的情況，該方法可以由電子槍束流控制系統的防護裝置進行實現，該裝置可通過硬件和/或軟件的方式實現，參考圖4，該方法具體包括：

S410、對電子槍陰極電流進行采樣以獲得采樣電流。

S420、根據所述采樣電流判斷當前電路是否發生打火，并在發生打火時輸出報警信號。

S430、當負高壓電源輸出模塊接收到報警信號時切斷高壓輸出。

在上述技術方案的基礎上，優選是將根據所述采樣電流判斷當前電路是否發生打火，并在發生打火時輸出報警信號進一步優化為：當采樣電流大于預設電流閾值時判斷當前電路發生打火，并輸出報警信號；鎖定報警狀態，并將報警信號上報給負高壓電源輸出模塊。

在上述技術方案的基礎上，優選是在根據所述采樣電流判斷當前電路是否發生打火，并在發生打火時輸出報警信號之后，進一步增加了：緩沖報警信號并將所述報警信號上報給監控模塊和負高壓電源輸出模塊；所述監控模塊存儲報警信號并發出報警通知。

在上述技術方案的基礎上，優選是在對電子槍陰極電流進行采樣以獲得采樣電流之后，進一步增加了：將模擬采樣電流信號轉換成數字采樣電流信號；緩沖數字采樣電流信號，并將所述數字采樣電流信號上報給監控模塊進行監控。

本實施例提供的電子槍束流控制系統的防護方法，與本發明任意實施例所提供的電子槍束流控制系統的防護裝置屬于同一發明構思，可應用于本發明任意實施例所提供的電子槍束流控制系統的防護裝置中，具備執行裝置相應的功能模塊和有益效果。

注意，上述僅為本發明的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解，本發明不限于這里所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發明的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限于以上實施例，在不脫離本發明構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發明的范圍由所附的權利要求范圍決定。