جهاز الأشعة السينية المحمول غير المتلف: اختيار المكثف

جهاز الأشعة السينية المحمول غير المتلف: اختيار المكثف

الملخص

يجب ألا يتجاوز وزن وحدات الأشعة السينية المحمولة المستخدمة في الاختبارات غير الإتلافية 25 كيلوغرامًا، مع قدرتها على توفير تيارات عالية تصل إلى 100 كيلوفولت، أي ما يعادل 500 كيلوفولت. تُغطي أربعة مسارات هذه المهمة: مولد ماركس، وخط تشكيل النبضات، ومُشغل المحول الخطي، ومحول رفع الجهد التقليدي. يُحمّل كل مسار مكثف تخزين الطاقة بطريقة مختلفة. تُقارن هذه المقالة بين المسارات الأربعة، وتُحدد وزنها وعمرها الافتراضي، وتُحدد قيم الحث الذاتي المكافئ (ESL) والتفريغ الجزئي (PD) وبوابات خفض القدرة لكل مسار.

1. مقدمة

يتطلب الفحص الميداني للأنابيب والمسبوكات واللحامات مصدر نبضات يمكن لشخص واحد حمله. يزن الجهاز المحمول أقل من 25 كيلوغرامًا شاملًا الأنبوب والخزان والبطارية. يجب أن يصل رأس الأشعة السينية وحده إلى جهد يتراوح بين 100 و500 كيلوفولت خلال فترة زمنية تتراوح بين 100 نانوثانية و1 ميكروثانية.

يدفع هذا الواجب التصميم نحو الطاقة النبضية. يوفر رأس الأشعة السينية الومضية تيارًا ذرويًا بالكيلو أمبير لفترة قصيرة، وتأتي الطاقة من بنك مكثفات يتم شحنه بين اللقطات.

يُعدّ البنك أكبر عنصر منفرد داخل رأس التشكيل. في آلات ماركس وآلات تشكيل النبض، يشغل البنك ما بين 40% إلى 60% من الحجم الإجمالي، وهو الذي يحدد كلاً من وزن الحمل وفترة الصيانة.

تُستخدم أربعة مسارات: مولد ماركس، وخط تشكيل النبضات (PFL)، ومُشغّل المحول الخطي (LTD)، ومحول رفع الجهد التقليدي. تُقارن هذه المقالة بينها لوحدة اختبار غير إتلافي محمولة، وتُحدد مراحل العملية الناتجة عن كل خيار.

2. الآلية الأساسية

2.1 مولد ماركس

يقوم مولد ماركس بشحن n مكثفًا على التوازي ثم يعيد توصيلها على التوالي عبر مفاتيح تشغيل. يحدد عدد المراحل جهد الخرج.

V_out = n · V_0

حيث V_out هو جهد الخرج بالكيلوفولت، و n عدد المراحل، و V_0 جهد الشحن لكل مرحلة بالكيلوفولت. آلة مكونة من 10 مراحل مشحونة إلى 5 كيلوفولت لكل مرحلة تعطي 50 كيلوفولت عند الخرج.

تتناسب الطاقة المخزنة مع سعة المرحلة ومربع جهد الشحن:

E_stored = ½ · n · C · V_0²

حيث E_stored هي الطاقة المخزنة بالجول، و n عدد المراحل، و C سعة المرحلة بالنانو فاراد، و V_0 جهد الشحن بالكيلو فولت. عشر مراحل سعة كل منها 10 نانو فاراد عند 5 كيلو فولت تحمل 1.25 جول، مما يدفع نبضة شدتها 1 كيلو أمبير إلى الأنبوب.

2.2 خط تشكيل النبض

يخزن نظام نقل الطاقة النبضي (PFL) الطاقة في خط النقل ويطلقها على شكل نبضة مسطحة القمة. يحدد طول الخط عرض النبضة.

τ = 2 · l / v

حيث τ هو عرض النبضة بالنانو ثانية، وl هو طول الخط بالمتر، وv هي سرعة الانتشار بالمتر/ثانية. يتطلب نبض مدته 100 نانو ثانية في خط محوري مملوء بالزيت بسرعة 2 × 10⁸ متر/ثانية خطًا طوله 10 أمتار.

يجب أن تتطابق المعاوقة مع حمل الأنبوب، وإلا فإن النبضة تنعكس وتصدر رنينًا:

Z_0 = √(L / C)

حيث Z_0 هي مقاومة الخط بوحدة أوم، وL هي الحث الموزع بوحدة نانوهنري، وC هي السعة الموزعة بوحدة نانوفاراد. يعتمد التوافق على تفاوت السعة، لذا يحتاج بنك PFL إلى بوابة ذات قيمة دقيقة.

2.3 مشغل المحول الخطي

يُفرغ مُضخِّم الجهد المنخفض (LTD) العديد من الفروع ذات الجهد المنخفض بالتوازي عبر مفتاح متعدد القنوات، ويتجمع التيار عبر قلب مغناطيسي. يحمل كل فرع مكثفًا ومفتاحًا، ويقوم الملف الثانوي بتحويل التيار المُجمَّع إلى نبضة جهد عالٍ. يبقى جهد الفرع أقل من 100 كيلو فولت، مما يسمح باستخدام قطع السيراميك القياسية، ويحدد عدد المراحل مقدار التضخيم.

تتطلب أوقات الصعود الأقل من 100 نانوثانية حثًا حلقيًا لكل فرع في نطاق النانوهنري. ثم تحدد العبوة الحافة، ويحدد العازل عمر الدائرة.

2.4 محول رفع الجهد التقليدي

تعتمد الطريقة التقليدية على تقويم التيار الكهربائي الرئيسي، وتشغيل عاكس، ثم رفع الجهد عبر محول كهربائي إلى جهد الأنبوب. وهي طريقة بسيطة وتؤدي وظيفتها بكفاءة عالية، إلا أن الطاقة المستهلكة لكل وحدة حجم منخفضة. تتميز الأجهزة المغناطيسية العاملة بتردد التيار الكهربائي بثقلها، ولذا تُناسب هذه الطريقة التصوير الإشعاعي في الحالة المستقرة عند جهد أقل من 50 كيلوفولت. يقوم المحول الكهربائي بتشكيل النبضة في هذه الطريقة، لذا فإن عمر مكثفات النبضة ليس عاملاً مُحدداً.

الشكل 1 - اختيار الطوبولوجيا حسب وزن الحمل وجهد الخرج، مع مجموعة سيراميكية تقلل 67٪ من وزن مجموعة مغمورة بالزيت.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: الأجزاء المغمورة بالزيت تحدد وزن الحمولة

تتكون مكثفات النبض المغمورة بالزيت من أكثر من 60% من الزيت وزناً، وتحتاج إلى خزان محكم الإغلاق بالإضافة إلى مسار تبريد. يمكن لرأس ماركس 500 كيلو فولت ذي خرج 1 كيلو أمبير حمل مجموعة مكثفات يتراوح وزنها بين 15 و25 كيلوغراماً، مما يجعل حملها من قبل شخص واحد أمراً مستحيلاً.

يستبدل جزء خزفي من الفئة الأولى عدة وحدات زيتية بنفس الطاقة. يزن جزء خزفي بقدرة 50 كيلوفولت/10 نانوفاراد 0.8 كجم، بينما يزن جزء مغمور بالزيت بنفس القدرة 2.4 كجم. ينخفض ​​وزن المجموعة الكاملة بنسبة 67% وحجمها بنسبة 60%.

نقطة الضعف الثانية: عمر النبضة يحد من فترة الصيانة

تُطبّق كل نبضة كهربائية جهدًا يزيد عن 1 كيلو فولت/نانو ثانية عبر العازل. يؤدي وجود فراغ أو تركيز مجال كهربائي داخل جزء عادي إلى بدء تكوّن شجرة كهربائية، وتنمو هذه الشجرة حتى يتم ثقب الجزء.

تُظهر بيانات ميدانية من أجزاء مغمورة بالزيت أن عمرها يتراوح بين 2,000 و5,000 نبضة قبل التعطل في ظروف التشغيل العادية. يؤدي الإصلاح بعد ذلك إلى إخراج رأس الجهاز من الخدمة. يمر جزء من الفئة الأولى، مُصنَّف إلى 5 بيكو كولوم، 10⁶ نبضة، مما يجعل المكثف أسفل الأنبوب والمفتاح ضمن ترتيب الأعطال.

النقطة المؤلمة الثالثة: حث الحلقة يُقوّس حافة النبضة

يحتوي الجزء ذو الأسلاك الشعاعية على حثّ يتراوح بين 10 و20 نانوهنري بين الأسلاك والجسم. في حلقة سريعة، يؤدي هذا الحثّ إلى تمدد الحافة وإضافة رنين، وتكبر معه بقعة تركيز الأشعة السينية. تنخفض الدقة المكانية، وتفقد الصورة التفاصيل الدقيقة اللازمة للفحص.

طرف توصيل لولبي HVCT8G يحافظ الجزء على ESL أقل من 15 نانو هنري، ويبقى بناء قضبان التوصيل المكدسة أقل من 30 نانو هنري للأهداف الطرفية السفلية.

المشكلة الرابعة: عدم توازن الجهد التسلسلي يؤدي إلى زيادة الجهد في المراحل الأخيرة

تُضاعف دائرة ماركس جهد المرحلة، لذا تتعرض المراحل النهائية لأعلى ضغط. قاعدة العمل هي: V_work = n · V_cap · 0.6 إلى 0.7. أي تفاوت في سعة المرحلة أو تسريبها يدفع التوزيع إلى ما يزيد عن 15%، وعندها تعمل المرحلة الأخيرة فوق طاقتها المقدرة.

يؤدي الجهد الزائد إلى حدوث تفريغ جزئي عند العيوب الداخلية، مما يُقصر عمر الأجزاء التي تعمل بأقصى طاقتها. وتشير التحليلات الميدانية لأعطال ماركس إلى المرحلتين الأخيرتين في معظم الحالات.

نقطة الألم الخامسة: التسخين الذاتي تحت معدل تكرار مستمر

يُسبب كل تفريغ فقدًا في التيار مقداره I_rms²·ESR في القطعة. عند ترددات تتراوح بين 10 هرتز و50 هرتز، تتراكم الحرارة بسرعة أكبر من قدرة الغلاف المغلق على تبديدها، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الغلاف وتغير السعة تبعًا لذلك.

يؤدي الانحراف إلى تغيير كل من جهد الشحن وسعة النبضة بين اللقطات. وبالتالي، تتراجع جودة الصورة خلال جلسة فحص طويلة، حتى عندما يحافظ الأنبوب والمولد على إعداداتهما.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: مطابقة البنية مع هدف الوزن

الفئه	الوزن	الجهد االكهربى	المسار الموصى به
محمول	أقل من 10 كيلوغرامات.	أقل من 100 كيلو فولت.	محول رفع الجهد للتيار المستمر، أو محول ماركس قصير للعمل النبضي.
المحمول	من 10 كجم إلى 20 كجم.	من 100 كيلو فولت إلى 300 كيلو فولت.	ماركس أو LTD، حيث يحدد وزن البنك الإجمالي.
مركبة مثبتة	أكثر من 20 كجم.	300 كيلو فولت وما فوق.	PFL أو PFN-Marx، حيث يحدد شكل النبضة التصميم.

الاستراتيجية الثانية: مطابقة العازل الكهربائي مع عدد النبضات

يستخدم موقع الفحص لمرة واحدة بضع مئات من النبضات، ويتولى جزء مغمور بالزيت هذه المهمة. يصل خط الفحص الذي يعمل يوميًا إلى 10⁵ نبضة في السنة، وهو من الفئة الأولى. N4700 يُعدّ العازل الكهربائي الخيار العملي في هذه الحالة.

بالنسبة للطلقات التي تبلغ 10⁶ طلقة فأكثر، يجب أن يجمع الجزء بين 5 بيكو كولوم أو أقل عند 1.5 ضعف الجهد المقنن مع غلاف منخفض الحث. هذا المزيج يُخرج المكثف من جدول الاستبدال.

الاستراتيجية الثالثة: مطابقة الحزمة مع وقت الصعود

هدف وقت الصعود	فئة الإشتراك	ESL
أعلى من 100 نانوثانية.	سلك شعاعي، للأغراض العامة.	من 10 نانو هيدروكسيد إلى 20 نانو هيدروكسيد.
من 50 نانوثانية إلى 100 نانوثانية.	طرف توصيل لولبي مع قضيب توصيل مكدس.	أقل من 30 نانو هنري.
أقل من 50 نانوثانية.	طرف توصيل لولبي منخفض الحث، مصمم حسب الطلب.	أقل من 15 نانو هنري.

اختر العبوة قبل قيمة السعة. فالجزء الأكبر ذو الجسم الأطول يزيد من الحث، وتصل الطاقة الإضافية متأخرة جدًا بحيث لا تُحسّن الحافة.

الاستراتيجية الرابعة: تخفيض وموازنة سلسلة المكونات

حدد جهد التشغيل بنسبة تتراوح بين 60% و70% من القيمة المقدرة. ركب أجزاء ذات قدرة تحمل أعلى في المراحل النهائية، حيث يكون الإجهاد في أعلى مستوياته، وأضف أجزاءً للتدرج بحيث يبقى توزيع الحالة المستقرة ضمن نطاق 15%.

A مقاومة التدرج يمر تيار التسريب عبر كل مرحلة ويحافظ على تساوي التقسيم. وتؤدي مجموعات السعة المتطابقة نفس الوظيفة عند حافة النبضة.

الاستراتيجية الخامسة: إغلاق الحلقة بفحص حراري

عند الترددات من 10 هرتز إلى 50 هرتز، قِس درجة حرارة الغلاف في نهاية جلسة كاملة، وليس في بدايتها. حافظ على ارتفاع درجة الحرارة ضمن الحد المسموح به للعزل الكهربائي عند معدل التكرار المستهدف، وأضف مقاومة أخذ العينات HVRGHP إلى المقسم بحيث يمكن تسجيل جهد الشحن لقطة بلقطة.

استخدم معامل درجة الحرارة −4700 جزء في المليون/درجة مئوية ±1000 جزء في المليون/درجة مئوية لعازل من الفئة الأولى للحفاظ على السعة خلال فترة صباح بارد وفترة ظهيرة دافئة. في حالة العمل الميداني في بيئة رطبة، أضف غلافًا من الإيبوكسي إلى نظام العزل.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقنن (سلسلة HVCT8G)	10 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4700 بيكوفاراد ±20% (472 ميجا)	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
المقاومة المكافئة التسلسلية عند 1 ميجاهرتز	أقل من 50 ملي أوم	-
محاثة الحلقة (وتر E40)	أقل من 8 نانوهيدروجين	تباعد طرفي 40 مم
مقاومة العزل	أعلى من 10 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
نطاق درجة حرارة	40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	سلسلة IEC 60068-2
قدرة نبض dv/dt	أعلى من 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. مكثفات HVC لأجهزة الأشعة السينية المحمولة

تقوم شركة HVC بتصنيع مكثفات سيراميكية من الفئة الأولى للاستخدام في أجهزة الأشعة السينية النبضية، وذلك في مصنعها الذي تبلغ مساحته 6,000 متر مربع في دونغقوان، بجهد يتراوح بين 1 كيلوفولت و100 كيلوفولت وسعة تتراوح بين 100 بيكوفاراد و100 نانوفاراد. وتشير القيم المذكورة أدناه إلى الوزن والعمر الافتراضي اللازمين لرأس جهاز الأشعة السينية المحمول.

ستة معايير مهمة هنا

• انخفاض الجهد عند 5 بيكو كولوم أو أقل عند 1.5 ضعف الجهد المقنن. لا يتسبب هذا الجزء في حدوث خلل بعد 10⁶ طلقة، لذا فإن عمر البطارية أطول من عمر الأنبوب.
• يبلغ وزن الوحدة 50 كيلوفولت/10 نانوفاراد 0.8 كجم. يقلل بنك السيراميك الوزن بنسبة 67% والحجم بنسبة 60% مقارنةً ببنك مغمور بالزيت.
• ESL أقل من 15 نانو هنري في نطاق طرفية البرغي، مع خيارات قضبان التوصيل المكدسة أقل من 30 نانو هنري، لذلك تبقى حافة 50 نانو ثانية داخل الحلقة.
• TCC من −4700 جزء في المليون/°C ±1000 جزء في المليون/°C من −30 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، والذي يحافظ على جهد الشحن وسعة النبضة عبر نطاق درجة حرارة المجال.
• A DF أقل من 0.1٪، لذلك تبقى حرارة I_rms²·ESR عند 20 هرتز داخل حدود العلبة ويبقى الانحراف بين الطلقات صغيرًا.
• أجزاء متناسقة. أ ثنائي سريع الاستعادة، ومقاومة تصنيف HVRGFP، و مكثف الفيلم بالنسبة لسفينة السكك الحديدية ذات الجهد المنخفض مقابل خطة النبضة الواحدة.

التوصيل والدعم

تُشحن القطع القياسية خلال 4 إلى 8 أسابيع، والمجموعات المتطابقة خلال 6 إلى 10 أسابيع، مقابل 20 إلى 30 أسبوعًا للمجموعات المستوردة. يحتوي كل طلب على بيانات التفريغ الجزئي عند 1.5 ضعف الجهد المقنن، بالإضافة إلى مخطط سعة لكل وحدة.

أرسل مخطط الدائرة، وعدد المراحل، وجهد الخرج، وزمن الصعود المستهدف، ومعدل التكرار. يُعيد HVC تخطيطًا للبنك، وقيمة ESL لكل مرحلة، و إشارة الصليب مقابل أرقام الأجزاء من الدرجة الأولى، وتمت مطابقة العينات في غضون خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: ما هي البنية المناسبة لوحدة الاختبار غير المتلف المحمولة؟

يُغطي مولد ماركس نطاق جهد من 100 إلى 300 كيلوفولت بأقل وزن، بينما يُغطي مولد LTD النطاق نفسه بتصميم معياري. يُوفر مولد PFL نبضة مسطحة القمة أنقى عند 300 كيلوفولت وما فوق، ويكفي محول رفع الجهد البسيط للتصوير الإشعاعي في حالة الاستقرار عند جهد أقل من 50 كيلوفولت.

س2: لماذا يقلل البنك المصنوع من السيراميك من الوزن بشكل كبير؟

لأن الجزء المغمور بالزيت يحتوي على أكثر من 60% من الزيت وزناً، ويحتاج إلى خزان محكم الإغلاق. يزن جزء خزفي من الفئة الأولى بنفس التصنيف 0.8 كجم، بينما تزن وحدة الزيت 2.4 كجم. وعلى امتداد مجموعة كاملة من 500 كيلوفولت، يُقلل هذا الفرق من وزن الحمل بمقدار 15 إلى 25 كجم.

س3: كم عدد النبضات التي يمكن أن يتحملها المكثف؟

يمر جزء من الفئة الأولى المحمي بـ 10⁶ نبضة مع تفريغ جزئي عند 5 بيكو كولوم أو أقل عند 1.5 ضعف الجهد المقنن. أما الجزء المغمور بالزيت فيصل إلى 2,000 إلى 5,000 نبضة في نفس دورة التشغيل. ويحدد هذا الفرق فترة صيانة الرأس بالكامل، لأن الأنبوب والمفتاح عادةً ما يدومان لفترة أطول من كلا الرقمين.

س4: ما هو زمن الصعود المطلوب لـ 50 نانوثانية؟

أقل من 15 نانو هنري للمكثف نفسه، وأقل من 5 نانو هنري لكل وصلة. يحمل جزء ذو أطراف شعاعية من 10 إلى 20 نانو هنري، مما يؤدي إلى تمديد الحافة. ​​يحافظ جزء ذو طرف لولبي مع قضيب توصيل قصير على نسبة المكثف في الحلقة منخفضة بما يكفي للحفاظ على زمن الصعود المقاس قريبًا من القيمة المستهدفة.

س5: ما مقدار التخفيض الذي يجب أن أقوم به في المرحلة الأخيرة؟

شغّل الدائرة عند 60% إلى 70% من الجهد المقنن، واستخدم مكونات ذات قدرة تحمل أعلى في المرحلتين الأخيرتين، حيث تتعرضان لأعلى ضغط. حافظ على نسبة التقسيم في حالة الاستقرار ضمن 15% باستخدام مقاومات متدرجة، وإلا ستعمل المرحلة الأخيرة فوق قدرتها المقننة وتبدأ بالتفريغ عند الفراغات الداخلية.

س6: لماذا تتغير الصورة خلال جلسة طويلة؟

درجة حرارة الغلاف. يُولّد كل تفريغ حرارة مقدارها I_rms²·ESR، وعند تردد 20 هرتز، يؤدي ارتفاع الجهد إلى تغيير كل من السعة وجهد الشحن بين النبضات. قِس درجة حرارة الغلاف في نهاية جلسة كاملة، وحافظ على ارتفاع الجهد ضمن الحد المسموح به للعزل الكهربائي عند معدل التكرار المستهدف.

7. المراجع

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, متطلبات السلامة للمعدات الكهربائية المستخدمة في القياس والتحكم والاستخدام المختبري - الجزء 1: المتطلبات العامةجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2016.
2. IEC 60601-2-54 ، المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 2-54: متطلبات خاصة للسلامة الأساسية والأداء الأساسي لمعدات الأشعة السينية المستخدمة في التصوير الشعاعي والتنظير الإشعاعيجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2018.
3. إيك 60384-8، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 8: المكثفات الثابتة ذات العازل الخزفي، الفئة 1جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
4. إيك 60270، تقنيات اختبار الجهد العالي - قياسات التفريغ الجزئيجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
5. إريكسون، آر دبليو، وماكسيموفيتش، د. أساسيات إلكترونيات القدرة، الطبعة الثالثة. تشام: سبرينغر، 2020.
6. موهان، ن.، أنديلاند، ت.م.، وروبنز، و.ب. إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي، 2003.
7. د. لي، ي. تشونغ، إكس. تشو، وجي. تشاي، طريقة تحليل كسر المكثف الخزفي متعدد الطبقات باستخدام مجال الطور، مجلة IEEE للمعاملات في مجال المكونات والتغليف وتكنولوجيا التصنيع، المجلد 14، العدد 2، الصفحات 211-220، 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598
8. دوائر التدخل في القوس الكهربائي ومقاومات التحديد التسلسلي الخارجية، شركة Spellman High Voltage Electronics Corporation، مذكرة التطبيق AN-13، https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13.
9. نايدو، إم إس، وكاماراجو، في.، هندسة الجهد العالي، الطبعة السادسة. تشيناي: ماكجرو هيل للتعليم (الهند)، 2020.
10. MIL-PRF-55681 Rev. H, مكثف، رقاقة، متعدد الطبقات، ثابت، عازل خزفي، موثوقية مثبتة وموثوقية غير مثبتة، المواصفات العامة لـ. كولومبوس، أوهايو: دي إل إيه لاند آند ماريتايم، 2025.
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الموارد التقنية للمكثفات الخزفية عالية الجهدhttps://www.hv-caps.com