X射线发生器手册.doc

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1、BDX系列X射线衍射仪实验技术手册BDX系列自动射线衍射仪实验技术手册（二）（射线发生器）北大青鸟仪器设备公司 欢迎使用北京大学研制生产的BDX系列X射线衍射仪。本手册是关于X射线高压发生器的原理和线路说明。用户在生产和维护时请注意： X射线对人体有伤害，因此在使用X光设备时必须十分注意安全，避免受到X光的辐射。本机的设计虽然考虑到较周全的防护，但若操作处置不当，仍然有可能受到X光的照射。 此外，X光发生器是一种高压设备，在检修时也必须十分注意安全，避免受到高电压的伤害。 安全注意事项： l、衍射仪X光路的屏蔽部件不可随意移去。 2、当需要拉开防护罩门进行操作时，应十分注意不要受到X光的照射，

2、绝不可受到X光的直接照射，也要注意不要受到散射X光的照射。更换样品时，必须关窗。 3、当维修X光机的高压部分时，必须完全切断电源并使高压电容完全放电。 4、使用衍射仪时，应时刻有循环冷却水。一、概述 X光发生器是衍射仪的X光源高压发生器，它备有衍射分析专用X光管，具有一套自动调节和自动稳定X光管工作高压和工作电流的电子系统，可以产生衍射仪工作所必需的、强度足够稳定且光源焦点足够细小的光束。X射线发生器结构上分五部分：控制机箱、X光管管套、高压电缆和高压发生器(高压油箱)。各部分在本仪器的位置请参见图1。图1 发生器总体结构控制机箱是调整光源稳定性的控制电路系统，它的主要作用是 l、提供高稳定并

3、连续可调的基准电源。 2、高压和管流的控制及采样稳定电路。 3、故障保护电路。 4、可控硅控制电路。操作面板是X射线强度调整和数值显示的操作板，其操作按键、强度指示及各种保护灯。参见图2：BDX3200型X射线衍射仪的X光机同时是放置测角仪的工作台，X光管卧式安放。X光管套和测角仪有一公共底板，台面上配有全封闭防护罩，给仪器的使用提供了可靠安全的防护措施。 BDX3300等型号，X光管管套固定在测角仪上，衍射仪X光管立式安放。 高压油箱是提供X光管高压电压和电流的封闭式高压变压器。高压电缆则将高压油箱与管套中的X光管紧密地连接起来。图2 发生器控制面板图二、技术规格与结构(一) X光管BDX系

4、列型X射线衍射仪可配丹东仪表元件厂、杭州电子管厂生产的国产X光管，也可选配进口的X光管，如荷兰菲利浦 (Philips)、日本理学电机等出品的晶体分析用X光管。X射线管按焦点类型分三类，通常有四个出射窗口，分别为二个点焦点、二个线焦点。粉末衍射仪用线焦点。焦点类型电子焦点（mm）点焦点(mm)线焦点(mm)细（FF）0.480.40.80.048普通（NF）1.0101.01.00.1010大（BF）2.0122.01.20.2012其常用普通焦点的规格见下表：厂商CuMoCoFeCr丹东XJ10-60N2KWXJ10-60N2KWXJ10-60N1.2KWXJ10-60N1KWXJ10-60

5、N1.2KWPhilipsA系列PW2233/202KWPW2235/202.4KWPW2236/201.8KWPW2237/201.5KWPW2238/201.8KWPhilipsB系列PW2243/202KWPW2245/202.4KWPW2246/201.8KWPW2247/201.5KWPW2248/201.8KWPhilips A系列管的窗中心至安装面的距离为2lmm，通常称为短管（长198mm）；B系列则为34mm，通常称为长管（长211mm）。国产管一般皆为长管。(二)高压变压器 (1)主变压器：单相、初级: 220V 容量: 3KVA 次级输出允许最大电流: 60mA 水冷 (

6、2)整流硅堆桥式整流、电容滤波 (3)光管灯丝变压器：单相、初级: 220V；次级: 14伏、80VA (4)外形尺寸、重量：长宽高 =760450500mm；重约350公斤 (5)输出：负载电流为 50 mA时, 最高直流高压为 60KV。直流高压输出系用插座通过电缆送至光管。 (6)高压变压器接线柱（三)光管工作高压、管流的调节及稳定系统 光管工作高压和管流的调节和稳定采用可控硅系统实现。由输出端(管电压或管电流) 采样, 通过自动调节高压变压器或灯丝变压器的初级输入来实现系统的稳定。 稳定性：电流电压波动变化范围: 5时，输出端的波动变化范围: 管流 0.03,管压0.03。环境温度变化

7、值2时，八小时稳定性0.1。管压管流重现性：0.05以内。 管压调节：自20KV起, 高档为55KV。 管流调节：自 6mA起, 高档为50mA。 (注:管压管流的调节要随功率的变化且应交替上升为好)。（四)保护系统 (1) 过电流保护：20A (2) 光管功率负荷限制器：0.35; 0.7; 1.0; 1.5; 2.0; 2.7仟瓦六档(在控制机箱面板上) (3) 光管工作电压保护限制器: 高压保护电压限 55KV 附近, 需改变时可调。 低压保护电压限 10KV 附近, 需改变时可调。 (4) 冷却水流量保护：流量3.5公升/分钟或水压3.5公斤/分 (3) 进水温度不高于 35 三、操作

8、步骤 (1) 接通总电源，总电源指示灯亮。 (2) 打开水源闸门，水继电器吸和。 (3) 按下主机面板上“低压电源” 键。接通整机的工作低电压。若冷却水通，此时“水冷”灯。注意：有时由于电的冲击，蜂鸣器鸣叫，按一下“复位”键即可清除报警状态。将管压预置、管流预置均拨至最低档，“正常”指示灯亮。 (4) 预热稳定片刻后，按动“X光”键，则KV首先上升，至15KV左右时，mA亦随之上升，并各自达到初始值20KV、6mA。 (5) 调整KV、mA的预置旋扭键，达到实验值。注意X光管率。 (6) 关机之前，操作者应先将KV，mA降低至初值20KV、6mA，再按“停” 键。切忌直接按“总电源”键切断总电

9、源。 (7) 再按“低压电源”，整机便断电。 (8) 关水关电。四、工作原理及电路说明 注意：X射线发生器的虚地(保护接地)为M点, 与大地不同。机器外壳必须接大地，接地电阻小于10。 仪器电路的原理方框图如下： 水压保护 低压电源组 控制保护 窗口保护 (+12V/M,-12V/M,50V 电路板 +5V/M,25V/M) 高压油箱 操 作 基准电源板 面 板 可控硅电路 高压电缆 220V50Hz x光管 隔离变压器 总电路由X 光管工作主电路、基准电路、控制保护电路、可控硅电路、面板操作电路及电源电路几部分组成。 （一)X光管工作主电路仪器X光管工作于直流负高压，对阴极(靶)接地，用水冷

10、却。X光管的电流高压电源电路（高压油箱）由一台升压变压器、一组硅堆整流器、电容滤波器、采样电路和X光灯丝电源变压器组成。原理图见图3。图3 高压发生器原理图 高压测量降压电阻 Rm（1M 1W60） 以及X光管淬灭电阻 Rq（30K 100W）等，同装在一个绝缘油箱内。油箱内的高压电路通过插座输出，用高压电缆与X光管连接。X光管的工作高压(KV)用一只满量程为 1mA的电流表与Rm串联接进行测量指示, Rm之总阻值为60M ，因此作为 KV值指示的该电流表其满度示值为60KV。X光管的对阴极工作电流 (管电流)用一只串接入 X光管对阴极电路中的电流表 (满度示值为50mA)直接进行测量指示。

11、Kl为高压采样点，Kl与M点之间的电阻值为l2K欧姆，K2为KV表头负。50mA表头负为管流采样点，M点与大地之间有约240欧姆的电阻。(二)控制保护电路（图4）与可控硅电路（图5）图4 控制及保护电路原理图 控制及保护电路是高压发生器的自控调整的核心部分, 由一块主印制版完成，内有管压调整V1电路, 管流调整V5电路；可控硅触发脉冲输出电路及KV低压保护 V2电路；KV过高保护V3电路；功限保护V4电路五部分。V为高强度运算放大器UA741，触发脉冲输出电路完成给定电压与采样电压的比较运算，741的输出状态决定五个功能的实现。 管压调整及脉冲输出电路与管流调整及脉冲输出电路原理是一样的，差异

12、是分别输入给定电压(即基准电压)，分别取采样电压，内部的延时电路管流延时时间 (R53，C15)，管压延时时间(R21，C4)，管压采样电压1 由高压变压器内部电路取出，管流采样电压MA1由管流通道中的管流表上取出，它们的参照地点是M(即高压发生器的零点)。M、K1、MA1及功限采样P（K2）都集中在CZ2进入主控板。 接通低压电源后, 管压U1、管流U5的741输出+11V，此电压将下一级 G2 (G11)放大锁住, C极电平为零, 振荡器不起振, 无触发脉冲输出。当开“X光”后, 基准电压自动给出管压3.7V、管流 3V(表头应该显示是20KV、6mA) 。此时741(U1、U5)输出由+

13、11V 变为负电平，下级开始工作，输出触发脉冲。受采样电压K1(mA1)的作用, 741 输出自动调整稳定, 触发脉冲随至稳定, 在C5、C14上测得锯齿波电压为 +7V左右(万用表上测的读数), 触发脉冲正常输出，实现了控制作用。 振荡电路是由G4、C5、BT33(G9、C14、BT33) 组成的单谐振荡器构成。工作电源是由梯形波提供并完成同步的, 以可靠触发可控硅电路。梯形波电压为22V左右, 由P1(P7)进行调整过零时间。随着采样电压的增加, 触发脉冲的间隔增加, 从而使可控硅的导通角减小。反之，可控硅的导通角增加。延时电路是由R21、D2、C4（R53、D15、C15)来实现的, 目

14、的是缓升压, 并且先电压后管流。根据X光管工作的要求, X光管必须先加阳极电压后才能获得mA采样电压, 因此mA调节稳定电路的启动应迟于KV调节电路。本电路在KV值上升至20KV左右时才开始工作，使mA上升到预给值。可控硅电路是功率输出的调整单元，如图5。 直接受控于控制版来的触发脉冲。电压可控硅电路由触发脉冲KVCP经脉冲变压器KCB1控制双向可控硅S2完成交流电压的通路。电流可控硅电路是由一个双向可控硅 (S1)将串联在交流通路上的降压电阻R2, 进行通断的阻值调整, 这样就使电流变压器在双向可控硅导通角的控制下进行了调整。高限保护V3，低限低压V2，功率保护V4，均采取电压比较形式。由7

15、41的输出控制闸流管 (图8中S1、S2、S3)来完成的。当741输出为 + 时, 晶闸管S1( S2、S3)导通, 经 D6(D7、D11)将零电平引出, 使G13截止, 保护继电器触点断开, X光机停,相应故障灯亮，讯响器响起，从而实现保护性自动停机。按“复位”开关后才能再开机。图5 可控硅电路原理图 (三)基准电源电路（图6）基准电源输出电压稳定性是整机KV、mA值稳定性的基础, 它必须具有高度的稳定性和尽可能小的温度漂移。本电路采用低温漂稳压集成电路 LM723C，由于负载的需要使用D325作为推动。电位器 RWl调整 LM723的输出电压，电位器RW2调整KV电路的基准电压，RW3调

16、整mA电路的基准。电容C2和电阻 R6为延时电路，以实现基准电压的逐渐上升。继电器J3为C2的充放电切换。图6 基准电源电原理图(四) 窗口电源电路 (图7)窗口电源电路采用控制直流电磁铁，并接有指示灯。有手动及自动开窗的接口。图7 窗口电源电路(五) 低压电源电路系统各电路模块有共同的公共地 (M点)，公用一个浮地电源。该电源采用抗干扰电路设计，输出50V、24V、12V的以M点为地的电源以及以与M点电绝缘的0为地的6V电源。应注意该电源应与大地绝缘，绝不可以将“零”与大地接通。五、电路工作流程接通电源：总电源灯(黄)亮，照明灯 (和风机)可工作。开启水闸：水压触点接通。开启低压电源键(白色

17、)：低压电源电路接通； JWA(水)吸和，水冷灯(绿)亮； KV和mA设置在最初位置时，正常灯（绿）亮； JSA(安保)吸合，讯响器不响； JZ吸合，窗口电路通电，随开窗开关JWL和JWR吸合而打开 窗口和相应的窗口指示灯。开启X光键（红色）：Jl吸合，自锁X光键； J2吸合，自锁正常灯回路； J3、JKV、JmA吸合，基准及控制保护模块工作； JSCR吸合，J0吸合，高压电路开始工作，S2、Sl导通，控制高压 电压和控制管流电压送人油箱，产生的高压通过高压电缆加在X 光管上，产生管流； 异常发生使JSA断开，相应的故障灯亮，讯响器鸣叫，断开JSCR， 断开J0，切断输入油箱的电压，出现保护；

18、进行工作。（注意功率选择的位置！）工作完毕将管压预置和管流预置拨至最低档。关闭X光键(绿色)：恢复到仅开启低压电源状态。关闭低压电源。关闭水闸。关闭电源。六、使用及维护 (一) 对环境的要求： 1、室内温度：室温变化不超过10(一个月内)，室温不低于10。 2、室内温度：不超过70%，变化不大于10%(一个月内)。 3、振动：无可感觉到振动。4、其它：避免阳光直晒，室内无腐蚀性气氛，尘土少。 (二) 安装要求 1、电源：AC220伏单相，容量5KVA，波动1.5Kg/Cm2，3.5公升/分，水温低于35。 (三) 安装 1、开箱后，检查各组成部件外观有无损伤，并从高压油箱的窗孔观察油箱内元件的

19、安装有无异位。 2、按应放置的位置, 将高压变压器、工作台及插件、部件安放好。工作台一定要垫稳。 3、把有关的连结电缆连结好，并接好电源电缆和地线。 4、检查各独立部分是否接地良好。特别是X光管座的接地是否良好。 5、各连接电缆连结好之后，检查高压变压器接线板上之M点至地是否通路( 应有约200欧姆电阻 )。检查Kl与M点之间是否有约l2K。(若条件允许用一小交流调压器接至油箱的P0和Pl上缓缓升压，看管压表有无显示。) 6、按规定的进、出水口，正确接上冷却水管和排水管。 7、装上X光管, 检查有无漏水。 8、检查水流讯号器刚刚断开时的水流量(应3.5升/分)。 完成上述各项后，则可通电开机。

20、 (四) 使用 1. 高压电缆的处理 每当重新安装高压电缆时, 必须十分注意高压接头的绝缘部分表面的清洁处理。首先用无水酒精干洗净, 然后用吹风机热风烤至温热。清洁后和插头绝缘部分的表面切忌再用手触及, 以免手汗弄脏。清洁后, 表面不应有手汗印和其他脏迹、水痕等。随即插入X光管座中。 高压变压器的插座部分亦需作类似的处理，（如果电缆拔出, 长时间在空气中暴露之后 ), 清洁干净并烘吹至温热后，插座内灌入少量(约深1cm左右)的高压变压器油, 然后插入电缆，拧紧。每次重装过电缆之后, 都必须检查管套座接地是否仍然良好。 2. 光管的更换取下原来用的光管, 应立即包装好放好。然后取出待换用的光管进

21、行清洁处理，光管的玻璃部分必须十分细心擦洗干净 (类似对高压电缆的处理)并吹烘温热后才能装入管座中。光管清洁后玻璃部分应十分明亮,，无可见的脏, 切忌再被手或其他物件弄脏。X光管的输出窗采用铍片，保管使用时严防触及，其上污物只能用乙醇轻轻擦洗。X光管必须轻取轻放。安装X光管时，要注意X光管的焦点方向，通常窗口下方的红点表示点焦点方向，红线表示线焦点方向。安装时，应注意调整高压电缆的插头，以保证灯丝接触良好，同时又不能使X光管承受的压力过大。重新装上光管后, 均必须先检查有无漏水，方可进行通电检查。 3. 光窗光窗用电磁铁启闭, 开关在面板上，并有指示灯。光窗开关亦可与测角仪的控制开关实行连动，

22、此时不必先拨通窗开关，只要测角仪在运动，窗则打开，测角仪停止扫描,窗则关闭。 4. 考管 对于第一次使用的新光管或者在长时间放置之后重新使用，或长期未开机之后重新开机，均应遵循下表列的程序升压考管，然后方可按正常的开机程序使用光机。这对X光管稳定，延长寿命是十分必要的。功率新管或一月未用一周未用20KV 6mA30分钟10分钟30KV 6mA30分钟10分钟36KV 6mA30分钟10分钟40KV 6mA30分钟10分钟 5. 功率限制的设置 通过“功率限制”选择旋钮，可以选择设置六种功率限制，对于不同靶的各种正常焦点，通常管子工作负荷应在允许最大使用功率的80%以内。下面是一些管子的使用条件

23、： Cu 靶 1.5KW 40KV20mA Cu 靶 2KW 40KV30mA Fe 靶 0.6KW 30KV16mA Fe 靶 1.5KW 30KV30mA Cr 靶 1.5KW 30KV30mA Cr 靶 1.8KW 30KV40mA Mo 靶 2.4KW 50KV35mA 6. 关于KV和mA条件的选择 光强度Ic和光管的工作电压V与管流I的关系为： Ic = (V Vo)nI 式中Vo为 X光管对阴极物质的激发电压。在上式中指数n随V增加而减少。当V为Vo的二至三倍时，n约为2;；当V 3Vo, n则近于1。例如对于Cu靶, Vo=8.86KV，当V用30KV时 n 仍为2。因此对于相

24、同的负载功率(KVmA)，使用较高的超过30KV的电压可以得到更大的光强度。 但是当使用较高的工作电压时，在某些场合应考虑到可能会使X光检测器产生逸峰，干扰测量。 7. 关于X光管的选择 主要考虑的一个因素是: 选用的靶其 K线必须是不会被样品强烈地吸收的, 因此这将致使样品激发出很强的萤光辐射。为此,选择X光管时, 应根据样品的组成, 所用的X光管其靶的原子序数比样品中最轻元素( 钙以及比钙轻的元素除外)的序数小或相等, 最多不能超过1。例如铜靶X光管可适于含 Ni以下因素的样品的分析工作，但不宜于含Fe样品。下面列出若干常用X光管的适用对象, 作为选换X光管时的参考: 铜靶：适于测量一般的

25、有机与无机的不含Fe、Co、Mn等元素的样品。 钴靶：适用于不含Mn、Cr、V等元素的样品。(但衍射的背底计数较高，虽然它的最大功率较 Fe靶高) 铁靶：适用于不含Cr、V、Ti等元素的样品(但其功率较低)。 钴靶：对含Fe等过渡元素的样品最好。亦常用于晶胞常数和应力的测量工作中。但光路上空气吸收使强度损失较大。 钼靶：用于特殊的测量, 如极图的测量。 钨靶：用于单晶体的Laue照相及类似的工作。 (五) 日常例行检查项目 1、检查并清洗X光管头内的滤网。每一个至三个月一次(自开始工作起计)。 2、检查X光谱中的杂质线, 每一至三月一次。 3、检查保护接地是否良好, 每年冬天。 （六）维护 l

26、、电路中各继电器的意义(以整机图为准)JWA水压保护继电器JWA-l水冷指示灯，JWA-2使JSA吸合J2预置初位继电器KV、mA波段升关均在初始时按“X光”键吸合JSA安全保护继电器JWA吸合后，JSA方能吸合J4（JZ）窗口上电继电器开低压电源时自动吸和JWL、JWR左右窗口继电器受开关控制J1中间继电器J3基准继电器JKV管压基准继电器受“X光”键控制JmA管流基准继电器受“X光”键控制J0 （大交流接触器）电路总电源继电器受JSCR控制JSCRJ0的中间继电器受“X光”键控制2、电路中保险管的意义F1总保险20AF2管流触发回路保险2AF3低压电路保险2AF4窗口电源保俭2AF5照明(

27、和风机)保险2A3、安全保护指示灯的意义水冷(亮)冷却水接通灯灭表示水路未通或不畅正常(亮)管压管流预置均在最低灯灭高压开不上KV过低(亮)管压未加上或不足报警KV过高(亮)管压超过上限报警功率超限(亮)X光功率超过预定值表示管流过高无保护(亮)有保护情况下门未关上，与X窗口连琐保护无保护情况下表示门保护失效4、电路可能故障分析只开低压，报警灯亮，复位键无效U2，U3，U4(各保护对应741)坏，控制JSA的三极管(3DK4)坏开高压时，管流表冲击很大功率报警X光管真空损坏；高压电缆高压击穿；U5(741)坏；管压可控硅触发器坏；管流可控硅坏；油箱内部断路开高压时，KV过低灯亮继电器吸合故障；

28、U1(741)坏；管压升压过延时或保护电路延时不足；基准电路故障；油箱内部断路开高压时，管压表升很高，KV过高灯亮U1(741)坏；管压可控硅坏；Kl采样断路X光窗口打不开窗口继电器接触不良，电磁线圈坏；窗口机械故障七、发生器原理图发生器控制及保护印刷板电路元件布局图16射局件衍电刷及实理器技生故手械；坏，不电不口断断 控管) 灯过，高压断内油障准足延电或压；)(；故灯过，断内；控可器硅压坏 ；高电坏真报功击表，) (极 控) 对各 无位亮报，分故路失保表情保连窗与门况亮(过过定超亮限报报亮亮报足上亮(不压最均流亮不或水接亮意的护全 保风 保源 保路 保路 0保 意的险控键光电间 控 电电电器

29、器流控键电准 控键电准 电 电 控电继 吸吸源电电 （吸吸 合电护 吸”“时均升波电电 吸 使灯指冷-电继 准图整意电中维维天冬 良地保次一三每质谱查)计作自一至个滤头管并 目例 (作的及 体用钨量量极量的用靶大较强吸空但中测应数晶常最的元等含：)低率(素 不用铁高靶 功最，较底衍但的等 不适：品品素、含的与的量： 考的管选 象适管干若。品于但工的的因 含可靶例 能 等数的素轻及钙素中样子靶其的,的据 ,光此为辐很出使这因,地强不须线靶的是个虑主选选 .量扰峰产测使可虑场某时工较使但度强大得可电 过用) 载同于。仍 用， 靶于例于则 当 约，二 少加随中上电的质阴 ) 为系的管作工光 强选的

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