工业CT用驻波电子直线加速器测试系统的研制

工业计算机断层成像简称工业CT(ICT)，是一种依据外部投影数据重建物体内部结构图像的无损检测技术。工业CT主要用于工业产品的无损检测和探伤，根据被检工件的材料及尺寸选择不同能量的X射线。ICT技术能紧密、准确地再现物体内部的三维立体结构，能定量地提供物体内部的物理、力学特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化及水平、异型结构的形状及精确尺寸、物体内部的杂质及分布等。随着加速器技术的发展，其应用领域已拓展到工业探伤、工业CT、集装箱监测、辐照、医疗等，因此对加速器的运行参数及稳定性等的要求也越来越高[1]。
根据重建CT图像的基本过程，对一台工业CT设备的基本要求为：能够测量X射线穿透被检物体以后射线的强度，能够完成X射线机-探测器系统与被检测物体之间的扫描运动，从而获得重建CT图像所需的完整数据；获得的数据通过一定的算法重建出物体的断面图像。从扫描到重建图像都由计算机控制和实现，这样，一个工业CT系统应包括：射线源、辐射探测器和准直器、数据采集系统、图像重建以及控制系统[2]。CT系统组成示意图如图1所示。

工业CT常用的射线源是X射线机和直线加速器，可见直线加速器在工业CT中的重要性。为便于运行人员的测试、操作与维修，将CT系统的五个组成部分分开测试。各部分均满足指标后再进行整体测试，以达到用户需求的测试。这种方式现已成为一种新的测试加速器的方法。本测试系统就是为测试加速器各项指标而设计的，具有一定的实用价值。
1 系统总体方案
测试系统能够将加速器通过传输媒介传送过来的状态信息正确地通过约定方式显示出来，同时又能够通过对底层器件上相关状态的修改和设置将控制信息传送至上层器件进行显示，以此获得加速器运行状态。它是操作人员了解加速器性能并进行远程测试的桥梁。
驻波电子直线加速器与测试系统均使用航空插头，连接电缆两端使用插针形航空插头进行电气连接。测试系统由上位机和控制器两部分组成：上位机由计算机构成（可与CT机采集计算机共用），其主要功能是提供一个人机交互界面，实现与控制器的通信及加速器状态的显示；控制器是一个嵌入式系统，由不同模块构成，完成与上位机通信。同时，操作人员可通过控制器上的按键控制加速器的工作状态，实现对加速器部分动作的直接控制，有效减免了加速器故障所带来的损失，方便了对加速器的维护。
驻波电子直线加速器和测试系统间的连接结构图如图2所示。

控制器直接对加速器的"急停"、"电源"、"开机"等相关性能进行控制，以此控制加速器的出束和停束；加速器也将"出束状态"和"返回测试"两个控制信号值返回给控制器，控制器处理后，送给上位机，以便操作人员直接了解加速器的性能。当上位机界面上的"同步信号"值为1时，上位机发出命令给控制器，控制器处理后，控制加速器发出频率为50 Hz~250 Hz的方波，在方波高电平中的几微秒时间内，加速器出束，操作者就可以在加速器出束的几微秒时间内对数据进行采集，再送入控制系统，进行图像重建，以此判断被检测物体是否有裂痕。另外，上位机对加速器的真空、水流、温控、高预热、低预热等相关性能也进行监测，同时对加速器出束的剂量值进行实时绘制和事后重绘。控制器也可单独对加速器的"使能控制"、"断束控制"等控制信号进行控制及在液晶屏上显示。
2 上位机
人机交互界面是上位机的主要组成部分，为操作者提供直观、方便的操作环境，采用可视化编程语言Visual C++作为开发工具。上位机串口与CT控制计算机通信，将加速器的工作状态、运行参数及故障代码等信息发送到CT控制计算机，由CT控制计算机主界面进行显示。同时，上位机界面还完成剂量率时间曲线的实时绘制与事后重绘、加速器工作模式的监控与设置的功能。
操作界面主要由状态显示区、参数显示区、控制信号区和绘图区四部分组成。状态显示区主要有18个显示状态，在系统运行时，系统的工作状态显示在状态区的相应位置。参数显示区主要反映加速器的触发频率值、剂量值以及出束时间。控制信号区给出测试系统到加速器的控制信号值，其中"使能控制"控制加速器是否出束；"同步信号"控制加速器是否发出方波脉冲；"能量选择"对加速器进行6Mev和9Mev两种能量的选择；"出束状态"和"返回测试"是测试系统控制器从加速器读回的控制信号值，反映加速器是否正常工作。绘图区则反映出束过程中剂量率的变化趋势和走向。如图3所示。


上位机不能直接对加速器施加控制信号，需要将控制信号值传入控制器，通过控制器进行相应处理后，再对加速器进行控制。本测试系统采用RS-232进行通信（长距离通信可改用RS-422协议）。