X射线衍射仪高压系统自主维修

马建勋

摘要  衍射仪是进行X射线分析的重要设备，基本结构包括X射线发生器、测角仪、控制系统、数据处理系统及水冷却系统。其中X射线发生器是整个仪器的核心部件之一，因其价格昂贵且涉及高压，出现故障通常会返厂宜维修，由此造成设备维修成本极高且周期长。正因为如此，如果理解其工作原理后，自主维修还是大有可为的。

关键词：  X射线衍射仪   X射线发生器   高压  自主维修

X射线衍射仪是利用衍射原理，精确测定物质的晶体结构，织构及应力。对物质进行物相分析、定性分析、定量分析。广泛应用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教学、材料生产等领域。其基本结构包括X射线发生器、测角仪、控制系统、数据处理系统及水冷却系统组成等。作为大型分析仪器，其价格昂贵，维修成本高。如我公司使用的日本理学Ultima IV型X射线衍射仪，于2007年购入，折合人民币上百万元。分析检测中一旦出现故障，维修难度大且成本相当高。如该仪器的一次高压发生器故障，厂家的建议是返回日本原厂修理或更换，预估费用就要15-20万元。对这样昂贵的设备，遇到故障如能自己解决将能节约大量的费用。但如果在不清楚其原理的情况下擅自维修，可能适得其反。现就以日本理学Ultima IV型X射线衍射仪为例，介绍一下我们在维修X射线发生器的方法和思路，供大家探讨。

一、X射线衍射仪的工作原理

如图一所示，虽然X射线衍射仪发展很快，但其基本结构大体包括为X射线发生器、测角仪、控制系统、数据处理系统及水冷却系统等。仪器依托X射线发生器，通过X射线管发出X射线，穿过狭缝照射样品。在反射光路上，计数管单元将在符合布拉格条件时产生的衍射接收，并提供给仪器控制单元进行数据分析、处理。由此可见，X射线发生器是仪器正常运行的前提。X射线发生器主要由高压控制系统和X光管组成，是仪器的主要故障点，也是维修难点。

二、X射线衍射仪故障分析及维修思路

现在的大型精密仪器，通常都有较完善的报警系统。通过手册查询报警代码，可以大体判断仪器的故障点。但这些报警通常只能判断仪器的某个系统或某个单元出现问题。如X衍射仪X射线发生器出现问题后，仪器也只能报警显示X射线发生器启动失败。如果要依赖厂家进行维修，就只能更换或返厂维修，成本极高。如要想自主维修，对于发生器这种昂贵的系统，维修过程存在一定的风险，所以维修时一定要做到“胆大心细”、“先简后繁”、“由表及里”，在确保故障不扩大的情况下细致、谨慎地进行。

现在的设备，尤其是大型贵重的分析仪器，安全方面存在一定风险性的设备，都配备有大量的保护装置。在条件不满足的情况下，设备将不能开启或在开启过程中会直接停机。所以在遇到故障时，首先我们就是检查各类保护装置是否正常，如温度、流量、压力是否满足要求等。在排除外部因素的情况下，再检查仪器内部。

X射线发生器内部按照功能可以细分为不同的功能单元的，如图二。这样可以根据故障的具体情况针对性的做检查，避免走弯路。例如在遇到衍射仪X射线发生器不能启动时，首先从原理和结构上分析，找出可能造成该现象的因素，如光管自身老化、冷却水不足造成过热保护、高压电缆老化、高压发生器故障等。对这些可能造成光管的高压施加不上的原因逐一排查。按照“先简后繁”的处理原则，维修应从光管、冷却水循环系统、高压电缆等外部器件入手，最后才到高压发生器自身。

三、X射线衍射仪维修过程

以下为日本理学Ultima IV型X射线衍射仪X射线发生器不能启动时的维修实例。

1、故障排查

（1）冷却水循环系统的检查。系统由制冷控温循环水箱、过滤器、管路与阀门，以及水温、水压、水流量等报警系统组成。水冷系统温控表显示温度为20℃，室温为24℃，表明水冷机制冷系统工作正常。

（2）高压电缆的检查。将高压电缆在高压发生器输出端小心拔出，用万用表欧姆档测量其三个点，其中两个相邻点小于1.0Ω，高压电缆正常。

（3）X光管的检查。检查管座，对管座进行除湿等，高压仍不能开启。

（4）高压发生器的检查。高压预备灯亮后，用万用表检测发生器的高压及电流检测点，在运行过程的瞬间有时有正常的电压值，有时又没有。当检测点的高压缺失时，设备的报警灯发光闪烁。在反复的检测过程中，有高电压的次数越来越少，最后多个时间段检测多次后，都没有测量到高电压，确定该设备的高压发生器故障。

2、故障处理

如图二所示，X射线发生器电气部分可以分为X光管工作电路、控制保护电路、驱动電路、面板操作电路及电源电路几部分组成。图三为高压发生器实物图。

维修从低压电源组入手，再到控制保护电路入手，再是高压驱动电路。

图三是高压发生器拆开后的俯视图。低压电源板处于右下侧，保护控制电路部分放在前端的盖板内侧，驱动电路板放置在高压油箱旁。高压驱动的核心器件是大功率的绝缘栅双极型复合管（以下简称IGBT），安装在散热风扇的外壳上部。高压油箱和变压器占据了左边的大部分区域。

首先检查的是外围的控制器件，测量各继电器、接触器的电源端，其输入电压正常，并对各个触点做了紧固、打磨和抛光处理。在检测试机过程中，X射线光管高压先后有两次能够开启，但开启运行一天后关机重启，高压却又开不起来。其次，怀疑可能是IGBT本身的性能下降导致的高压不能施加。购买全新的IGBT更换后，故障依旧。

分析判断，高压驱动部分很可能出现了故障，极有可能驱动电路板（GATE DRIVER P.C.B）上的某个器件的软故障导致的高压依然不能稳定的施加。

驱动电路板如图四所示，它由以下四个部分组成。

IGBT的驱动器件是A3120型驱动光耦（以下简称A3120）。现场带电分步测量IGBT的输出电压、输入电压，A3120型驱动光耦的输出电压、输入电压，将故障范围逐步缩小至A3120的输入端。图六是在查阅A3120典型应用和实际线路结合的基础上得出的A3120的工作电路。

经进一步地细致分析得知，为A3120提供输入信号的板载脉冲变压器是由四组功率管交替推动的。通过仔细耐心地比对和查找，在其中一组的功率管偏置电路部分准确找到了故障器件，替换后，安装好高压发生器。试机，光管高压成功开启，反复实验，高压施加稳定，设备恢复运行。修后，设备使用情况良好，高压故障再没有发生。

四、X射线衍射仪维修结论：

面对大型分析仪器，只要在做好充分准备的基础上，认真细致的分析、检查。在不断总结经验的基础上，是能够发挥维修人员的潜力。如这次X射线发生器的维修，通过动手拆解高压发生器，逐级查验，准确找到故障点，用极小的代价成功修复高压发生器，保障了设备的正常运行，且经济价值可观。

五、参考文献：

X射线衍射仪使用手册及部分配套资料