X射线衍射仪故障的诊断与维修

刘志军，王 旭，王 胜，吴强强

(马钢股份公司技术中心 安徽马鞍山 243000)

X射线衍射仪是材料表征的一种基本手段，在钢铁行业主要用于冶金原材料的物相分析，硅钢和汽车板的织构测试，钢中残余奥氏体及残余应力的测定等，是材料研究及新产品开发等必不可少的精密大型检验仪器。

1 X射线衍射仪的工作原理及结构组成

当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，衍射线的位置与强度就完整地反映了晶体结构的二个特征，实现物相的检测与分析。晶体衍射的基础就是布拉格定律，即2dsinθ=nλ。

X射线衍射仪主要由X射线衍射发生装置、测角仪、测量控制系统和计算机组成，见图1。X射线发生装置提供测量所需的X射线, 改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长, 改变阳极电压和X光管电流可调节X射线源的强度；测角仪圆中心是样品台，样品台可以绕中心轴转动，X射线探测器装在测角仪圆周上也绕中心轴转动，为了保证探测器始终位于反射方向上，探测器与样品台同时转动，保证θ～2θ联动。探测器用于X衍射线的检测。测量控制系统实现检测过程的自动控制及探测器检测到的X衍射信号的处理与分析。计算机与控制处理器通过RS-232进行串行通讯，实现实验参数及命令的下达、测量数据的接收和实验数据的分析与输出等。

图1 X射线衍射仪的结构组成

2 X射线衍射仪故障的诊断与维修

2.1 高压系统的故障

高压系统是X射线衍射仪的重要组成部分，主要由高压发生器、X光管和安全防护系统等组成。对于整套系统而言，由于系统长期工作在高压条件下，X光管也有一定寿命，所以高压系统出现故障的几率相对高些，故障现象主要是高压加不上，通常是由安全防护系统故障、水冷系统故障和高压器件故障等造成的。

2.1.1 安全保护系统故障

为了防止X射线泄漏，确保操作人员的人身安全和X射线衍射仪的正常使用，X射线衍射仪安装有各种安全保护电路。主要有安全警示灯和安全保护开关。所有安全保护开关都是串联在保护电路中的，通常都是闭合状态。当有工作条件不符合要求时，则开关开路，安全保护系统就会自动切断高压或电源，起到保护作用。按照标准规定，X射线衍射仪必须安装警告信号灯并与相应的开关联动。若警示灯开路，警示灯不亮，保护电路起作用，高压也不能加上。

针对安全防护系统故障，诊断与处理方法是：首先，检查安全警示灯是否亮，不亮，说明安全保护电路有故障。其次，利用万用表测量各个开关的状态是开路还是闭合，警示灯是开路还是有电阻，就容易找到故障点。最后，故障处理。假如是位置不正常，通过调整就可排除故障；假如是开关或灯管开路，更换为正常器件即可使仪器恢复正常。

2.1.2 水冷系统故障

X射线衍射仪的最大输出功率是3 kw，X射线管只有很少一部分功率转化为X射线辐射出来，而大部分功率都转化为热能，如果不及时将热量带走，焦斑处靶材料将会熔化，使X射线管损坏。假如射线衍射仪冷却系统水流量低于3.6 l/min，高压防护系统自动关闭，仪器加不上高压。

该故障的诊断与处理方法是：首先，出现该故障时，衍射仪会给出“Water flow at warning level”故障报警信息。其次，主要从以下几个方面进行故障分析与处理：

检查循环水冷机是否工作，由于电源切断导致循环水系统不能运行，应先维修电源，再重新启动系统；若是水位低，应补充循环水；若是水冷泵不工作，应排除水泵故障。

检查循环水过滤器是否堵塞，关闭水阀，拧开水过滤器，检查滤芯是否干净，并进行清洗。

假如前两项都是正常的，就要检查X光管处过滤网是否堵塞。关闭水冷机后，利用气筒把管路中的水排出，然后，卸下冷却水管，检查过滤网是否正常。通过更换过滤网或清洗管路，可以排除该故障。

2.1.3 高压器件故障

假如安全防护系统与水冷系统是正常的，那么造成不能加高压故障的原因可能是高压器件有故障。高压器件主要包括高压发生器、X光管和高压电缆，任何一个器件出现故障，高压都加不上。该部分故障的诊断与维修法主要是分割排除法，具体就是：

为了诊断故障是否由高压发生器引起的，可以采用分割法，把高压电缆从高压发生器上拔下，在TDS软件下，手动给出加高压命令。假如高压能加上，说明高压发生器是正常的；否则，就是高压发生器存在故障，需要更换。

假如高压发生器是正常的，那么就要检查X光管与高压电缆是否正常。采用外观检查及测量法诊断高压电缆是否正常。外观检查就是检验高压电缆的两端是否有被高压击穿开裂现象，假如有开裂或打弧现象，就说明电缆有问题，需要更换；否则就再利用万用表，测量电缆两端的通断情况，假如开路，就说明电缆有问题，需要更换；否则，就说明电缆是好的。

假如高压发生器与电缆都是好的，就说明X光管有问题，需要更换。X光管有一定的使用寿命，通常使用3～5年就要更换。X光管故障主要有灯丝断或真空破坏故障。采用测量法利用万用表测量灯丝的电阻，可以诊断灯丝是否正常。X光管为高真空器件，假如光管真空不好，在光管加上高压时，光管内的少量空气发生电离，产生打火，在光管的阴极和阳极之间有瞬间的较大电流通过，通过RC滤波电路能够检测这一电流变化，并把得到的电压信号输出至控制电路，当其超过基准电压值时，仪器将高压切断。

2.2 操作面板灯全部灭故障的诊断与排除

故障现象是衍射仪送电后，操作面板指示灯全部是灭的。首先检查仪器工作电源，测量24VDC、12VDC、-12VDC和5VDC都是正常的；其次，检查控制处理器CPU2000板，发现LED指示灯异常，说明该板可能存在故障；然后，在计算机上运行TDS软件，提示与控制器连接失败。最后，采用替换法，换上正常的CPU2000板后，面板指示灯正常，与计算机连接正常。

2.3 门控开关不能锁住故障的诊断与排除

故障现象是开始实验时，门能自动上锁但是3秒钟后又松开，高压自动关闭，实验停止。为了防止X射线对人的伤害，在开始实验时，样品实验室的门自动锁住，不能打开门。正常情况下，当实验开始前，操作人员把样品室门关闭，然后在电脑上启动实验。门控开关的线圈上电，线圈内的铁芯向上运动使锁芯插入门内，使门无法打开，控制系统接收到光电传感器检测到门锁好信号后才能给X光管加高压并开始实验，一旦门锁好信号没有，系统自动关闭高压并停止实验。首先，门有自动上锁动作及自动关高压过程，这说明控制系统是正常的；其次，检查光电传感器工作是否正常，用一铁片模拟锁芯上行动，发现光电传感器工作正常；最后，怀疑电磁线圈的驱动力不足，不能使锁芯维持在锁住状态，更换电磁线圈后，故障排除。

3 结语

在熟悉掌握X射线衍射仪的工作原理及结构组成的基础上，结合文中介绍的高压系统、控制处理器和门控开关等故障的诊断与维修方法，就能够使X射线衍射仪的故障得以快速诊断与排除，同时要定期开展安全防护系统和水冷系统的维护，确保实验室内的温度与湿度满足需要，就可以保证X射线衍射仪能够正常运行。