X射線衍射儀高壓系統自主維修

馬建勛

摘要? 衍射儀是進行X射線分析的重要設備，基本結構包括X射線發生器、測角儀、控制系統、數據處理系統及水冷卻系統。其中X射線發生器是整個儀器的核心部件之一，因其價格昂貴且涉及高壓，出現故障通常會返廠宜維修，由此造成設備維修成本極高且周期長。正因為如此，如果理解其工作原理后，自主維修還是大有可為的。

關鍵詞：? X射線衍射儀? ?X射線發生器? ?高壓? 自主維修

X射線衍射儀是利用衍射原理，精確測定物質的晶體結構，織構及應力。對物質進行物相分析、定性分析、定量分析。廣泛應用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學、材料生產等領域。其基本結構包括X射線發生器、測角儀、控制系統、數據處理系統及水冷卻系統組成等。作為大型分析儀器，其價格昂貴，維修成本高。如我公司使用的日本理學Ultima IV型X射線衍射儀，于2007年購入，折合人民幣上百萬元。分析檢測中一旦出現故障，維修難度大且成本相當高。如該儀器的一次高壓發生器故障，廠家的建議是返回日本原廠修理或更換，預估費用就要15-20萬元。對這樣昂貴的設備，遇到故障如能自己解決將能節約大量的費用。但如果在不清楚其原理的情況下擅自維修，可能適得其反。現就以日本理學Ultima IV型X射線衍射儀為例，介紹一下我們在維修X射線發生器的方法和思路，供大家探討。

一、X射線衍射儀的工作原理

如圖一所示，雖然X射線衍射儀發展很快，但其基本結構大體包括為X射線發生器、測角儀、控制系統、數據處理系統及水冷卻系統等。儀器依托X射線發生器，通過X射線管發出X射線，穿過狹縫照射樣品。在反射光路上，計數管單元將在符合布拉格條件時產生的衍射接收，并提供給儀器控制單元進行數據分析、處理。由此可見，X射線發生器是儀器正常運行的前提。X射線發生器主要由高壓控制系統和X光管組成，是儀器的主要故障點，也是維修難點。

二、X射線衍射儀故障分析及維修思路

現在的大型精密儀器，通常都有較完善的報警系統。通過手冊查詢報警代碼，可以大體判斷儀器的故障點。但這些報警通常只能判斷儀器的某個系統或某個單元出現問題。如X衍射儀X射線發生器出現問題后，儀器也只能報警顯示X射線發生器啟動失敗。如果要依賴廠家進行維修，就只能更換或返廠維修，成本極高。如要想自主維修，對于發生器這種昂貴的系統，維修過程存在一定的風險，所以維修時一定要做到“膽大心細”、“先簡后繁”、“由表及里”，在確保故障不擴大的情況下細致、謹慎地進行。

現在的設備，尤其是大型貴重的分析儀器，安全方面存在一定風險性的設備，都配備有大量的保護裝置。在條件不滿足的情況下，設備將不能開啟或在開啟過程中會直接停機。所以在遇到故障時，首先我們就是檢查各類保護裝置是否正常，如溫度、流量、壓力是否滿足要求等。在排除外部因素的情況下，再檢查儀器內部。

X射線發生器內部按照功能可以細分為不同的功能單元的，如圖二。這樣可以根據故障的具體情況針對性的做檢查，避免走彎路。例如在遇到衍射儀X射線發生器不能啟動時，首先從原理和結構上分析，找出可能造成該現象的因素，如光管自身老化、冷卻水不足造成過熱保護、高壓電纜老化、高壓發生器故障等。對這些可能造成光管的高壓施加不上的原因逐一排查。按照“先簡后繁”的處理原則，維修應從光管、冷卻水循環系統、高壓電纜等外部器件入手，最后才到高壓發生器自身。

三、X射線衍射儀維修過程

以下為日本理學Ultima IV型X射線衍射儀X射線發生器不能啟動時的維修實例。

1、故障排查

（1）冷卻水循環系統的檢查。系統由制冷控溫循環水箱、過濾器、管路與閥門，以及水溫、水壓、水流量等報警系統組成。水冷系統溫控表顯示溫度為20℃，室溫為24℃，表明水冷機制冷系統工作正常。

（2）高壓電纜的檢查。將高壓電纜在高壓發生器輸出端小心拔出，用萬用表歐姆檔測量其三個點，其中兩個相鄰點小于1.0Ω，高壓電纜正常。

（3）X光管的檢查。檢查管座，對管座進行除濕等，高壓仍不能開啟。

（4）高壓發生器的檢查。高壓預備燈亮后，用萬用表檢測發生器的高壓及電流檢測點，在運行過程的瞬間有時有正常的電壓值，有時又沒有。當檢測點的高壓缺失時，設備的報警燈發光閃爍。在反復的檢測過程中，有高電壓的次數越來越少，最后多個時間段檢測多次后，都沒有測量到高電壓，確定該設備的高壓發生器故障。

2、故障處理

如圖二所示，X射線發生器電氣部分可以分為X光管工作電路、控制保護電路、驅動電路、面板操作電路及電源電路幾部分組成。圖三為高壓發生器實物圖。

維修從低壓電源組入手，再到控制保護電路入手，再是高壓驅動電路。

圖三是高壓發生器拆開后的俯視圖。低壓電源板處于右下側，保護控制電路部分放在前端的蓋板內側，驅動電路板放置在高壓油箱旁。高壓驅動的核心器件是大功率的絕緣柵雙極型復合管（以下簡稱IGBT），安裝在散熱風扇的外殼上部。高壓油箱和變壓器占據了左邊的大部分區域。

首先檢查的是外圍的控制器件，測量各繼電器、接觸器的電源端，其輸入電壓正常，并對各個觸點做了緊固、打磨和拋光處理。在檢測試機過程中，X射線光管高壓先后有兩次能夠開啟，但開啟運行一天后關機重啟，高壓卻又開不起來。其次，懷疑可能是IGBT本身的性能下降導致的高壓不能施加。購買全新的IGBT更換后，故障依舊。

分析判斷，高壓驅動部分很可能出現了故障，極有可能驅動電路板（GATE DRIVER P.C.B）上的某個器件的軟故障導致的高壓依然不能穩定的施加。

驅動電路板如圖四所示，它由以下四個部分組成。

IGBT的驅動器件是A3120型驅動光耦（以下簡稱A3120）。現場帶電分步測量IGBT的輸出電壓、輸入電壓，A3120型驅動光耦的輸出電壓、輸入電壓，將故障范圍逐步縮小至A3120的輸入端。圖六是在查閱A3120典型應用和實際線路結合的基礎上得出的A3120的工作電路。

經進一步地細致分析得知，為A3120提供輸入信號的板載脈沖變壓器是由四組功率管交替推動的。通過仔細耐心地比對和查找，在其中一組的功率管偏置電路部分準確找到了故障器件，替換后，安裝好高壓發生器。試機，光管高壓成功開啟，反復實驗，高壓施加穩定，設備恢復運行。修后，設備使用情況良好，高壓故障再沒有發生。

四、X射線衍射儀維修結論：

面對大型分析儀器，只要在做好充分準備的基礎上，認真細致的分析、檢查。在不斷總結經驗的基礎上，是能夠發揮維修人員的潛力。如這次X射線發生器的維修，通過動手拆解高壓發生器，逐級查驗，準確找到故障點，用極小的代價成功修復高壓發生器，保障了設備的正常運行，且經濟價值可觀。

五、參考文獻：

X射線衍射儀使用手冊及部分配套資料