X射線衍射儀故障的診斷與維修

劉志軍，王 旭，王 勝，吳強(qiáng)強(qiáng)

(馬鋼股份公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

X射線衍射儀是材料表征的一種基本手段，在鋼鐵行業(yè)主要用于冶金原材料的物相分析，硅鋼和汽車板的織構(gòu)測試，鋼中殘余奧氏體及殘余應(yīng)力的測定等，是材料研究及新產(chǎn)品開發(fā)等必不可少的精密大型檢驗(yàn)儀器。

1 X射線衍射儀的工作原理及結(jié)構(gòu)組成

當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數(shù)量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，衍射線的位置與強(qiáng)度就完整地反映了晶體結(jié)構(gòu)的二個(gè)特征，實(shí)現(xiàn)物相的檢測與分析。晶體衍射的基礎(chǔ)就是布拉格定律，即2dsinθ=nλ。

X射線衍射儀主要由X射線衍射發(fā)生裝置、測角儀、測量控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成，見圖1。X射線發(fā)生裝置提供測量所需的X射線, 改變X射線管陽極靶材質(zhì)可改變X射線的波長, 改變陽極電壓和X光管電流可調(diào)節(jié)X射線源的強(qiáng)度；測角儀圓中心是樣品臺，樣品臺可以繞中心軸轉(zhuǎn)動，X射線探測器裝在測角儀圓周上也繞中心軸轉(zhuǎn)動，為了保證探測器始終位于反射方向上，探測器與樣品臺同時(shí)轉(zhuǎn)動，保證θ～2θ聯(lián)動。探測器用于X衍射線的檢測。測量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢測過程的自動控制及探測器檢測到的X衍射信號的處理與分析。計(jì)算機(jī)與控制處理器通過RS-232進(jìn)行串行通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)及命令的下達(dá)、測量數(shù)據(jù)的接收和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與輸出等。

圖1 X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)組成

2 X射線衍射儀故障的診斷與維修

2.1 高壓系統(tǒng)的故障

高壓系統(tǒng)是X射線衍射儀的重要組成部分，主要由高壓發(fā)生器、X光管和安全防護(hù)系統(tǒng)等組成。對于整套系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)長期工作在高壓條件下，X光管也有一定壽命，所以高壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率相對高些，故障現(xiàn)象主要是高壓加不上，通常是由安全防護(hù)系統(tǒng)故障、水冷系統(tǒng)故障和高壓器件故障等造成的。

2.1.1 安全保護(hù)系統(tǒng)故障

為了防止X射線泄漏，確保操作人員的人身安全和X射線衍射儀的正常使用，X射線衍射儀安裝有各種安全保護(hù)電路。主要有安全警示燈和安全保護(hù)開關(guān)。所有安全保護(hù)開關(guān)都是串聯(lián)在保護(hù)電路中的，通常都是閉合狀態(tài)。當(dāng)有工作條件不符合要求時(shí)，則開關(guān)開路，安全保護(hù)系統(tǒng)就會自動切斷高壓或電源，起到保護(hù)作用。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，X射線衍射儀必須安裝警告信號燈并與相應(yīng)的開關(guān)聯(lián)動。若警示燈開路，警示燈不亮，保護(hù)電路起作用，高壓也不能加上。

針對安全防護(hù)系統(tǒng)故障，診斷與處理方法是：首先，檢查安全警示燈是否亮，不亮，說明安全保護(hù)電路有故障。其次，利用萬用表測量各個(gè)開關(guān)的狀態(tài)是開路還是閉合，警示燈是開路還是有電阻，就容易找到故障點(diǎn)。最后，故障處理。假如是位置不正常，通過調(diào)整就可排除故障；假如是開關(guān)或燈管開路，更換為正常器件即可使儀器恢復(fù)正常。

2.1.2 水冷系統(tǒng)故障

X射線衍射儀的最大輸出功率是3 kw，X射線管只有很少一部分功率轉(zhuǎn)化為X射線輻射出來，而大部分功率都轉(zhuǎn)化為熱能，如果不及時(shí)將熱量帶走，焦斑處靶材料將會熔化，使X射線管損壞。假如射線衍射儀冷卻系統(tǒng)水流量低于3.6 l/min，高壓防護(hù)系統(tǒng)自動關(guān)閉，儀器加不上高壓。

該故障的診斷與處理方法是：首先，出現(xiàn)該故障時(shí)，衍射儀會給出“Water flow at warning level”故障報(bào)警信息。其次，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行故障分析與處理：

檢查循環(huán)水冷機(jī)是否工作，由于電源切斷導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)不能運(yùn)行，應(yīng)先維修電源，再重新啟動系統(tǒng)；若是水位低，應(yīng)補(bǔ)充循環(huán)水；若是水冷泵不工作，應(yīng)排除水泵故障。

檢查循環(huán)水過濾器是否堵塞，關(guān)閉水閥，擰開水過濾器，檢查濾芯是否干凈，并進(jìn)行清洗。

假如前兩項(xiàng)都是正常的，就要檢查X光管處過濾網(wǎng)是否堵塞。關(guān)閉水冷機(jī)后，利用氣筒把管路中的水排出，然后，卸下冷卻水管，檢查過濾網(wǎng)是否正常。通過更換過濾網(wǎng)或清洗管路，可以排除該故障。

2.1.3 高壓器件故障

假如安全防護(hù)系統(tǒng)與水冷系統(tǒng)是正常的，那么造成不能加高壓故障的原因可能是高壓器件有故障。高壓器件主要包括高壓發(fā)生器、X光管和高壓電纜，任何一個(gè)器件出現(xiàn)故障，高壓都加不上。該部分故障的診斷與維修法主要是分割排除法，具體就是：

為了診斷故障是否由高壓發(fā)生器引起的，可以采用分割法，把高壓電纜從高壓發(fā)生器上拔下，在TDS軟件下，手動給出加高壓命令。假如高壓能加上，說明高壓發(fā)生器是正常的；否則，就是高壓發(fā)生器存在故障，需要更換。

假如高壓發(fā)生器是正常的，那么就要檢查X光管與高壓電纜是否正常。采用外觀檢查及測量法診斷高壓電纜是否正常。外觀檢查就是檢驗(yàn)高壓電纜的兩端是否有被高壓擊穿開裂現(xiàn)象，假如有開裂或打弧現(xiàn)象，就說明電纜有問題，需要更換；否則就再利用萬用表，測量電纜兩端的通斷情況，假如開路，就說明電纜有問題，需要更換；否則，就說明電纜是好的。

假如高壓發(fā)生器與電纜都是好的，就說明X光管有問題，需要更換。X光管有一定的使用壽命，通常使用3～5年就要更換。X光管故障主要有燈絲斷或真空破壞故障。采用測量法利用萬用表測量燈絲的電阻，可以診斷燈絲是否正常。X光管為高真空器件，假如光管真空不好，在光管加上高壓時(shí)，光管內(nèi)的少量空氣發(fā)生電離，產(chǎn)生打火，在光管的陰極和陽極之間有瞬間的較大電流通過，通過RC濾波電路能夠檢測這一電流變化，并把得到的電壓信號輸出至控制電路，當(dāng)其超過基準(zhǔn)電壓值時(shí)，儀器將高壓切斷。

2.2 操作面板燈全部滅故障的診斷與排除

故障現(xiàn)象是衍射儀送電后，操作面板指示燈全部是滅的。首先檢查儀器工作電源，測量24VDC、12VDC、-12VDC和5VDC都是正常的；其次，檢查控制處理器CPU2000板，發(fā)現(xiàn)LED指示燈異常，說明該板可能存在故障；然后，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行TDS軟件，提示與控制器連接失敗。最后，采用替換法，換上正常的CPU2000板后，面板指示燈正常，與計(jì)算機(jī)連接正常。

2.3 門控開關(guān)不能鎖住故障的診斷與排除

故障現(xiàn)象是開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，門能自動上鎖但是3秒鐘后又松開，高壓自動關(guān)閉，實(shí)驗(yàn)停止。為了防止X射線對人的傷害，在開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品實(shí)驗(yàn)室的門自動鎖住，不能打開門。正常情況下，當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始前，操作人員把樣品室門關(guān)閉，然后在電腦上啟動實(shí)驗(yàn)。門控開關(guān)的線圈上電，線圈內(nèi)的鐵芯向上運(yùn)動使鎖芯插入門內(nèi)，使門無法打開，控制系統(tǒng)接收到光電傳感器檢測到門鎖好信號后才能給X光管加高壓并開始實(shí)驗(yàn)，一旦門鎖好信號沒有，系統(tǒng)自動關(guān)閉高壓并停止實(shí)驗(yàn)。首先，門有自動上鎖動作及自動關(guān)高壓過程，這說明控制系統(tǒng)是正常的；其次，檢查光電傳感器工作是否正常，用一鐵片模擬鎖芯上行動，發(fā)現(xiàn)光電傳感器工作正常；最后，懷疑電磁線圈的驅(qū)動力不足，不能使鎖芯維持在鎖住狀態(tài)，更換電磁線圈后，故障排除。

3 結(jié)語

在熟悉掌握X射線衍射儀的工作原理及結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，結(jié)合文中介紹的高壓系統(tǒng)、控制處理器和門控開關(guān)等故障的診斷與維修方法，就能夠使X射線衍射儀的故障得以快速診斷與排除，同時(shí)要定期開展安全防護(hù)系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)的維護(hù)，確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度與濕度滿足需要，就可以保證X射線衍射儀能夠正常運(yùn)行。