Источник импульсного рентгеновского излучения

Полезная модель относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно, к источникам импульсного рентгеновского излучения, применяемых в сепараторах для разделения минерального сырья на обогащаемый и хвостовой продукты, Такие сепараторы могут быть использованы на всех стадиях обогащения минералов, например, алмазосодержащего сырья. Технический результат - уменьшение длительности импульсов рентгеновского излучения и повышение частоты их следования. Источник импульсного рентгеновского излучения, содержит рентгеновскую трубку, блок накала рентгеновской трубки, включающий преобразователь и трансформатор, и блок высоковольтный, включающий импульсный трансформатор с первичной, вторичной высоковольтной и рекуперативной обмотками, устройство запуска и источник питания, причем один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора соединен с коллектором силового IGBT-ключа, управляющий электрод которого подключен к выходу устройства запуска, вход которого служит входом источника импульсного рентгеновского излучения, а другой ее вывод соединен с положительным выводом источника питания, к которому подключена одним выводом накопительная емкость, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания, к которому подключен один вывод рекуперативной обмотки, второй вывод которой подключен к аноду диода, катод которого подключен к положительному выводу источника питания, высоковольтный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом рентгеновской трубки. В отличие от известного, в предлагаемый источник введены выпрямитель и емкостной фильтр, подключенные между вторичной обмоткой трансформатора накала и вводом накала рентгеновской трубки, высоковольтная обмотка импульсного трансформатора выполнена секционированной, а рекуперативная обмотка выполнена с числом витков в полтора раза большим, чем его первичная обмотка.

Предлагаемая полезная модель относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно к источникам импульсного рентгеновского излучения, применяемых в сепараторах для разделения минерального сырья на обогащаемый и хвостовой продукты, Такие сепараторы могут быть использованы на всех стадиях обогащения минералов, например, алмазосодержащего сырья.

Известен источник импульсного рентгеновского излучения, содержащий высоковольтный импульсный трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с нагрузкой, например, рентгеновской трубкой, а первичная обмотка подключена одним концом к общей точке соединения накопительной емкости с положительным выводом источника питания, а другим концом через коммутирующий элемент соединена с другим выводом накопительной емкости, соединенной с отрицательным выводом источника питания и устройство запуска для формирования управляющих импульсов, выход которого подключен к управляющему электроду коммутирующего элемента [1].

Такой источник обеспечивает получение импульсов рентгеновского излучения высокой стабильности за счет создания на катоде рентгеновской трубки импульсов с малой неравномерностью вершины. Однако он не может обеспечить существенное уменьшение длительности импульсов и повышение частоты их следования, что необходимо для повышения селективности в сепараторах минерального сырья. Возникающие при этом проблемы определяются несколькими причинами: большой емкостью и паразитной индуктивностью высоковольтной обмотки, большим временем размагничивания сердечника импульсного трансформатора, работающего с однополярным сигналом, и паразитной модуляцией анодного тока от цепи накала, работающей на переменном токе повышенной частоты.

Наиболее близким аналогом предлагаемому источнику импульсного рентгеновского излучения является источник, содержащий рентгеновскую трубку, блок накала рентгеновской трубки, включающий преобразователь и трансформатор, и

блок высоковольтный, включающий импульсный трансформатор с первичной, вторичной высоковольтной и рекуперативной обмотками, устройство запуска и источник питания, причем один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора соединен с коллектором силового IGBT-ключа, управляющий электрод которого подключен к выходу устройства запуска, вход которого служит входом источника импульсного рентгеновского излучения, а другой ее вывод соединен с положительным выводом источника питания, к которому подключена одним выводом накопительная емкость, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания, к которому подключен один вывод рекуперативной обмотки, второй вывод которой подключен к аноду диода, катод которого подключен к положительному выводу источника питания, высоковольтный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом рентгеновской трубки [2]. При этом число витков рекуперативной обмотки импульсного трансформатора равно числу витков его первичной обмотки [3].

Такой источник также не может обеспечить существенное уменьшение длительности импульсов рентгеновского излучения и повышение частоты их следования из-за пульсаций на вершине импульса анодного тока трубки, связанных с накалом катода рентгеновской трубки переменным током, а также из-за наличия на заднем фронте поступающего на катод рентгеновской трубки импульса обратного выброса, связанного с остаточной индукцией сердечника.

Предлагаемая полезная модель решает задачу уменьшения длительности импульсов рентгеновского излучения и повышения частоты их следования за счет существенного уменьшения емкости и индуктивности рассеивания вторичной высоковольтной обмотки импульсного трансформатора и увеличения числа витков рекуперативной обмотки, что, в свою очередь, уменьшает обратный выброс на заднем фронте импульса возбуждения и позволяет уменьшить длительность фронтов и потери в трансформаторе, уменьшает время размагничивания сердечника после импульса, а также за счет устранения модуляции импульсов тока рентгеновской трубки частотой питания накала.

Поставленную задачу решает источник импульсного рентгеновского излучения, содержащий рентгеновскую трубку, блок накала рентгеновской трубки, включающий преобразователь и трансформатор, и блок высоковольтный, включающий импульсный трансформатор с первичной, вторичной высоковольтной и рекуперативной обмотками, устройство запуска и источника питания, причем один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора соединен с

коллектором силового IGBT-ключа, управляющий электрод которого подключен к выходу устройства запуска, вход которого служит входом источника импульсного рентгеновского излучения, а другой ее вывод соединен с положительным выводом источника питания, к которому подключена одним выводом накопительная емкость, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания, к которому подключен один вывод рекуперативной обмотки, второй вывод которой подключен к аноду диода, катод которого подключен к положительному выводу источника питания, высоковольтный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом рентгеновской трубки, при этом в источник импульсного рентгеновского излучения введены выпрямитель и емкостной фильтр, подключенные между вторичной обмоткой трансформатора накала и вводом накала рентгеновской трубки, высоковольтная обмотка импульсного трансформатора выполнена секционированной, а рекуперативная обмотка выполнена с числом витков в полтора раза большим, чем его первичная обмотка.

В отличие от известного, в предлагаемый источник импульсного рентгеновского излучения введены выпрямитель и емкостной фильтр, подключенные между вторичной обмоткой трансформатора накала и вводом накала рентгеновской трубки, высоковольтная обмотка импульсного трансформатора выполнена секционированной, а рекуперативная обмотка выполнена с числом витков в полтора раза большим, чем его первичная обмотка.

На фиг.1 представлен один из вариантов структурной схемы предлагаемого источника импульсного рентгеновского излучения.

На фиг.2. представлены временные диаграммы (осциллограммы) сигналов предлагаемого источника импульсного рентгеновского излучения:

- а - сигнал на управляющем электроде силового ключа 7;

- б - сигнал на коллекторе силового ключа 7;

- в - сигнал анодного тока рентгеновской трубки 1;

- г - сигнал на катоде рентгеновской трубки 1.

На фиг.3. представлены временные диаграммы (осциллограммы) сигналов источника импульсного рентгеновского излучения, описанного в прототипе:

- а - сигнал на управляющем электроде силового ключа;

- б - сигнал на коллекторе силового ключа;

- в - сигнал анодного тока рентгеновской трубки;

- г - сигнал на катоде рентгеновской трубки.

Представленный на фиг.1 источник импульсного рентгеновского излучения содержит рентгеновскую трубку 1, блок 2 накала рентгеновской трубки 1, состоящий из преобразователя 3 напряжения накала и трансформатора 4 накала, и высоковольтный блок 5 с импульсным трансформатором 6, имеющим три обмотки: первичную W1, вторичную высоковольтную W2 и рекуперативную W3, причем высоковольтный вывод вторичной обмотки W2 соединен с катодом рентгеновской трубки 1. Первичная обмотка W1 трансформатора 6 соединена одним выводом с коллектором силового IGBT-ключа 7, управляющий электрод которого соединен с выходом устройства 8 запуска, вход которого служит входом источника импульсного рентгеновского излучения, а другим выводом первичная обмотка W1 соединена с положительным выводом источника 9 питания, к которому подключена одним выводом также накопительная емкость 10, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания 9. Один вывод рекуперативной обмотки W3 трансформатора 6 подключен к отрицательному выводу источника питания 9, а ее второй вывод подключен к аноду диода 11, катод которого соединен с положительным выводом источника питания 9. При этом высоковольтная обмотка W2 импульсного трансформатора 6 выполнена секционированной, рекуперативная обмотка W3 выполнена с числом витков в полтора раза большим, чем первичная обмотка W1, а между вторичной обмоткой трансформатора 4 накала и вводом накала рентгеновской трубки 1 включен выпрямитель 12 с емкостным фильтром 13.

Источник излучения, представленный на фиг.1, работает следующим образом. В исходном состоянии источник 9 питания и преобразователь 3 напряжения накала включены, а накопительная емкость 10 заряжена до напряжения источника 9 питания. При поступлении на вход источника излучения импульса, например, длительностью 100 мкс с периодом 500 мкс, через устройство 8 запуска на силовой ключ 7 поступает управляющий сигнал (фиг.2а). При этом импульс тока силового ключа 7, протекающего через первичную обмотку W1 импульсного трансформатора 6, повторяет форму импульса управления (фиг.2б). Ток через ключ 7 прекращается после завершения импульса управления. Секционированное исполнение высоковольтной вторичной обмотки W2 импульсного трансформатора 6 (например, 10 секций), уменьшает емкость и индуктивность рассеивания обмотки, поэтому импульс (фиг.2г), формируемый на катоде рентгеновской трубки 1, имеет короткие передний и задний фронты (менее 50 мкс), что необходимо для уменьшения потерь в трансформаторе 6, особенно при высокой частоте следования

управляющих импульсов. В прототипе, не имеющем секционированной обмотки, длительность фронтов импульса (фиг.3г) на катоде рентгеновской трубки превышает 100 мкс.

Энергия, запасенная в трансформаторе 6 за время импульса, выделяется за счет ЭДС самоиндукции в виде обратного выброса (фиг.2б). Эта энергия через рекуперативную обмотку W3 и диод 11 «сбрасывается» в накопительную емкость 10, «подзаряжая» ее. Процесс генерации импульса и «восстановления» повторяется периодически (например, с частотой 2-2,5 кГц). Для обеспечения такой частоты переходный процесс рекуперации должен завершиться за время (фиг.2 г), меньшее периода следования импульсов управления (например, меньше 400 мкс). Как показано на фиг.2г, переходный процесс в предлагаемом источнике излучения (фиг.1) завершается примерно за 250 мкс, в то время как длительность переходного процесса для прототипа составляет 1500-1700 мкс (фиг.3г). Таким образом, соотношение витков обмоток W3/W1=1,5 обеспечивает уменьшение времени переходного процесса, что дает возможность (в приведенном примере) увеличения частоты следования импульсов в 8 раз по сравнению с прототипом.

Генерируемый на катоде рентгеновской трубки 1 импульс (фиг.2г) имеет достаточно плоскую вершину, крутые фронты и обратный выброс, не превышающий допустимого обратного напряжения рентгеновской трубки 1. В предлагаемом источнике (фиг.1) выходное напряжение с обмотки трансформатора 4 накала поступает на выпрямитель 12, а с его выхода на емкостной фильтр 13 и далее на вводы накала рентгеновской трубки 1. Получаемый при этом импульс тока рентгеновской трубки 1 (фиг 2в) не имеет модуляции вершины. В прототипе же имеет место паразитная модуляция тока (фиг.3в) рентгеновской трубки и, соответственно, ее рентгеновского излучения с частотой работы преобразователя за счет питания цепи накала переменным током от преобразователя напряжения непосредственно через трансформатор накала.

Предлагаемая полезная модель может быть осуществлена, например, на базе люминесцентных сепараторов, используемых при обогащении в алмазодобывающей промышленности. В частности, на базе сепаратора ЛС-Д-4-О3Н [2].

Преобразователь 3 напряжения накала, трансформатор 4 накала, устройство 8 запуска и источник 9 питания могут быть выполнены, например, аналогично прототипу [2].

Выпрямитель 12 может быть выполнен, например, в виде диодного моста из четырех диодов ER601A фирмы ST, а емкостной фильтр 13 - на основе танталовых конденсаторов типа К 52-15 330 мкФ (10 шт.).

Таким образом, предлагаемый источник импульсного рентгеновского излучения обеспечивает получение импульсов малой длительности и повышенной частоты следования, что, в свою очередь, позволяет повысить селективность обогащения минерального сырья, например, в рентгенолюминесцентных сепараторах за счет обеспечения возможности регистрировать все компоненты люминесценции минералов.

Источники информации:

1. Генератор импульсов высокого напряжения. RU, №8547, U1, Н 03 К 3/53, 16.11.98.

2. Рентгенолюминесцентный сепаратор ЛС-Д-4-03Н. Технические условия ТУ4276-052-00227703-2003.

3. А.Г.Поликарпов, Е.Ф.Сергиенко. «Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА». М. «Радио и связь». 1989.

Источник импульсного рентгеновского излучения, содержащий рентгеновскую трубку, блок накала рентгеновской трубки, включающий преобразователь и трансформатор, и блок высоковольтный, включающий импульсный трансформатор с первичной, вторичной высоковольтной и рекуперативной обмотками, устройство запуска и источник питания, причем один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора соединен с коллектором силового IGBT-ключа, управляющий электрод которого подключен к выходу устройства запуска, вход которого служит входом источника импульсного рентгеновского излучения, а другой ее вывод соединен с положительным выводом источника питания, к которому подключена одним выводом накопительная емкость, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания, к которому подключен один вывод рекуперативной обмотки, второй вывод которой подключен к аноду диода, катод которого подключен к положительному выводу источника питания, высоковольтный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом рентгеновской трубки, отличающийся тем, что в него введены выпрямитель и емкостной фильтр, подключенные между вторичной обмоткой трансформатора накала и вводом накала рентгеновской трубки, высоковольтная обмотка импульсного трансформатора выполнена секционированной, а рекуперативная обмотка выполнена с числом витков в полтора раза большим, чем его первичная обмотка.