微焦點X射線機工作原理及常見故障原因分析

王濤 趙龍燦

摘 要 微焦點X射線機是一種重要的無損檢測設備，使用的領域逐漸變廣，每臺設備造價高昂，目前相關的維修資料較缺乏。本文主要介紹微焦點X射線機的故障維修，簡要介紹微焦點X射線機的結構及工作原理，舉例并結合原理對常見故障進行分析總結。

關鍵詞 微焦點X射線機;工作原理;故障維修

微焦點X射線機主要應用于工業、醫療和電子行業，用于診斷產品是否存在缺陷。在工業制造領域，微焦點X射線機廣泛用于鑄件、鍛件、焊接件內部缺陷的檢測，如裂紋、氣孔、夾渣、未焊透等缺陷，也在工序間大量使用，用于評判每個工序的加工質量。微焦點X射線機比定向型的X射線機采購成本更高，市場保有量相對更少，相關的故障維修參考資料也較少。本文主要介紹微焦點X射線機的故障維修，簡要介紹微焦點X射線機的結構及工作原理，舉例并結合原理對常見故障進行分析總結。

1微焦點X射線機工作原理及結構

X射線是一種波長在0.005nm-10nm之間的電磁波，它是原子內層電子在高速運動電子流沖擊下，產生能級躍遷而發射的電磁輻射。用于檢測的是波長短于0.1nm的X射線，叫作硬X射線，他的能量更大，穿透能力更強。在微焦點X射線機中產生X射線的過程是：燈絲電源加熱燈絲，使燈絲表面聚集大量活躍電子，并出現尖端放電的現象釋放出電子;高壓電源的高壓輸出端分別夾在陰極燈絲和陽極靶兩端，提供一個高壓電場，使釋放的電子加速，形成高速的電子流，轟擊陽極錐形靶，其中1%的能量由于韌致輻射產生X射線并向四周發射，其余99%的能量轉化為熱量。

產生X射線需要具備四個條件：一是能發射一定數量電子的電子源（燈絲電源和陰極燈絲）;二是迫使這些電子向指定方向作高速運動的高壓電場（高壓電源，也叫高壓發生器，提供高電位差。）;三是在電子運動方向上，設置一個能急劇阻止電子運動的障礙物（陽極錐靶）;四是要有一個高度真空的空間（射線管的真空室），讓上述過程在高真空環境下進行，使電子在強電場中加速時，不受氣體分子阻擋，同時保護燈絲不被氧化燒毀。微焦點X射線機的關鍵部件是射線管、高壓發生器、陽極錐靶、高壓電纜、聚焦控制系統、真空系統、I/O單元。與定向X射線機相比，主要的不同是具有可拆卸的陽極靶、需要定期更換的陰極燈絲、開放式的真空系統，以及冷卻方式通常為空氣冷卻。了解微焦點X射線機的工作原理和組成結構，有助于梳理維修思路，找到故障現象下的真實原因，更快速地找到發生故障的部位[1]。

2故障維修實例

2.1 故障實例1

故障現象：開機后無法開啟高壓，監視器中燈絲狀態顯示紅色。

故障分析及維修：通常燈絲狀態顯示紅色，表示燈絲已經燒斷，打開真空室檢測燈絲，發現燈絲狀況良好;接著檢查PLC模塊I/O單元，mA指示燈不亮，該現象可能表示mA功能異常，實際上mA和kV存在先后開啟的邏輯，當高壓正常開啟后，燈絲電流才接著開啟。在排除燈絲、高壓電纜、和mA功能的問題后，故障位置鎖定在高壓發生器上。無損檢測射線機上的高壓發生器大多都采用英國GULMAY公司的CF系列產品，其核心部件是高壓變壓器，經過多級放大變壓產生0-225kV的高壓。高壓變壓器密封在油箱中，通常不易發生故障。先檢查油箱上的棒陽極高壓板，該板24V供電電源正常，重點檢查IGBT晶體管是否工作，晶體管輸入電壓正常，缺少啟動電壓，晶體管未進入工作狀態，取下晶體管來測試，其功能正常;經查晶體管啟動電壓來自另一塊小的驅動板，驅動板上同一路測試點有電壓輸出，但沒有到達高壓板上，回路中間有短路電壓被拉低了，解決短路問題后開機測試，設備所有功能恢復正常。故障時要進入鉛房進行維修，必須先做好防護，在靶桿周圍加裝屏蔽鉛板，防止射線突然開啟的意外。此例的啟發是加熱燈絲的低壓電源和射線管的高壓電源是兩套獨立系統，燈絲狀態顯示紅色表示不滿足高壓開啟條件，kV控制和mA控制是先后開啟的關系，了解這些邏輯可以避免造成誤判。

2.2 故障實例2

故障現象：高壓能正常開啟，無法加載電流。

故障分析及維修：從故障現象來看，無法加載電流的情況下，高壓還能維持開啟，后續也沒有停機的動作，如2.1例所說，系統先是加載高壓，接著才加載電流，高壓開啟的動作可以解釋，異常之處是高壓開啟后發現電流未加載也沒有執行停機的動作。由于高壓功能正常，可以排除射線管、燈絲、真空等部件的疑問，將檢修重點放在PLC模塊上，其中A6單元的功能是電流控制及聚焦，控制mA開關的電壓是24V，該值正常，卻未測得電流反饋值。查資料知道A4單元中預留了mA控制功能，只是沒有聚焦功能，當電腦指令電流為30μA時，測得A4模塊第3腳上有0.3V的反饋值，因為相應的接口并未接線，可以判斷該值是一個邏輯出來的虛假值，正是此虛假值干擾了系統的判斷，高壓就一直開啟。將A6單元上相關的引線移到A4單元對應的接口上，電流功能恢復正常，射線開啟，只是無法進行聚焦。由此判斷A6單元已故障損壞，更換A6單元后，系統所有功能恢復正常。此例是由PLC模塊故障引起的問題，故障現象具有一定迷惑性，對各參數間的邏輯進行分析，鎖定故障出現在PLC中，節省了維修時間[2]。

3結束語

通過對微焦點X射線機工作原理和主要構件的介紹，以及對典型故障的分析，總結該類型設備維修時思路，其中重點是X射線系統中高壓電源、燈絲電源、聚焦電源是三個獨立的系統，相互之間又存在邏輯關聯。微焦點X射線機大多數的故障都是由硬件問題引起。結合上述論述以及個人工作經驗，總結微焦點X射線機常見的故障如下：

kV、mA故障。這兩個問題常伴隨出現，當kV、mA都報故障時，應關注兩者出現的先后順序，高壓發生器的工作頻率為45kHz。

PLC模塊故障，主要是I/O單元的故障，模擬值和反饋值都應能測量到，故障時會有報錯。

聚焦故障，會導致射線不均勻。跟聚焦電源輸出穩定性和燈絲完整度有較大關系，聚焦電源輸出誤差較大時、燈絲位置不合適或燈絲尖端打弧出現氣泡時，聚焦性能會下降，零件觸碰靶桿外殼時，聚焦無法完成。

真空系統的故障。一定的高真空度是射線機工作的前提條件，真空泵極限真空下降，真空計氧化，管道及接頭泄漏都會引起真空故障。

參考文獻

[1] 張小海.射線檢測[M].北京：機械工業出版社，2013：39-47.

[2] 余曉松.X線機高頻高壓發生器故障分析與維修[J].中國醫療設備，2015（9）：87，170.