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X光管使用寿命分析

 

X光管有多种分类形式,按照封装形式可分为玻璃封装和金属陶瓷封装。玻璃封装X光管,具有结构简单价格低廉的优势,功率一般较小,多用于荧光分析仪器。近些年随着荧光分析仪器在中国的普及,越来越多的客户开始关注玻璃封装X光管的寿命问题。那么一个X光管到底能使用多长时间呢?最佳的回答是:这得看情况而定。尽管这个回答并不十分令人满意,但可以通过核查主要的故障类型来确定这一答案。以下是常见的X光管的故障原因,提供给读者这些必要的信息是用来评测x光管的预期使用寿命。

 

错误的使用方式

(一) 热

使用X光管最频繁发生故障的原因是没有对工作中的X光管进行充分散热。我们知道被给予动能的电子束在撞击阳极靶时99%的能量会以热的形式散发。一个50WX光管通过转化过程会产生约49.8W的热能,再加上螺旋状的钨灯丝产生的热能,由此我们可以看到散热是一个很关键的因素。

关于X光管本身,如果由于冷却不充分,会带来以下两种类型的故障模式:

第一就是阳极靶材料升华。在转换中,阳极靶材料直接地从固体转到气体(升华), 这种蒸发迅速降低管子内部超高真空的纯度。超高真空失纯的结果导致是X光管不能经受住阴极电子流(螺旋状的钨灯丝)和阳极靶之间高电压差。X光管开始短路,或发生电弧,进而蒸发更多的气体,依次降低更多的真空纯度,并最终导致X光管不能再运行。

第二个故障类型是由于不正确的散热会释放破坏性的离子。如果X光管阳极所受到的负荷超过靶材蒸汽压力点,然后释放离子。依次,这些释放的离子会被吸引向螺旋状的钨灯丝,并开始通过离子涤气过程开腐蚀灯丝。灯丝出现损坏或断路,结果导致灯丝过早的失效。

要防止这两种类型的故障,就要求冷却系统正常运行以防止X光管过热。如果冷却系统出现故障,应及时停止X光管继续工作。牛津仪器现在生产的封装X光管的自动热保护功能就起到这样的作用。

(二) 灯丝蒸发

在产生X射线的过程中,需要加热钨丝产生电子流。当钨丝被加热到大约2000度,钨丝就成了一个大量电子的发射器。从这一点上,设计上需要考虑X光管的高性能和灯丝寿命最大化之间的平衡。

对那些寻求使用小焦点X光管的使用者来说,在X光管设计的时候要考虑灯丝长度和小焦点之间的对应关系。考虑到这点,一个标准的灯丝驱动器电路必须能够非常精细的控制灯丝电流。这是由于灯丝电流和灯丝线自身的实际温度之间有很重要的关系。举例来说,牛津仪器5000系列的X光管需要在大于1.5安培的电流和2伏特电压下才能达到产生电子流的灯丝温度。但是,电流高于1.7安培,灯丝就达到了一个非常高的蒸发区,到达1.75安培,灯丝就达到了它的熔点,导致灯丝断开。因此,精细的灯丝控制电路是延长X光管使用寿命的基本点,绝大多数X光管电源都有这种严密的电路设计以防止灯丝承受超大电流。                     

基本上说,X光管的使用者都了解灯丝允许通过的最大电流,挑选的X光管电源都有设置灯丝电流极限的功能。再强调一次,一个经常出现的故障就是灯丝电流过大。要保证最佳的运行过程,就要从牛津仪器购买电源。这样做才能保证所使用的电源和X光管相匹配,才会有完全保证灯丝电流不达到极限功能。使用者已经考虑到充分的冷却和防止X光管过热的综合设计,并已选择了正确保护灯丝的电源,那么剩下的问题就是考核螺旋状钨灯丝本身的寿命极限了。正如上文中提到的,螺旋状的钨灯丝遇热会产生电子。这样,出现蒸发是个很自然的过程,正如在正常操作许多个小时后,灯丝会变细导致故障。在图表1中可以看到,灯丝电流与所X射线管的高压有关。因此,测定预期的螺旋状钨灯丝使用寿命,必须评估其全部使用时间内的平均灯丝电流。蒸发比率可以被用来估算普通灯丝寿命(图表2)。举例来说,如果使用者在40千伏电压、1.0mA电流下正常操作X光管,在这就要求灯丝电流近似1.60安培。从图表2中,我们可以看出灯丝大约有40000小时的预期使用寿命。

                              图表1. 牛津仪器5000系列X光管要求的灯丝电流

  

图表2. 牛津仪器5000系列X光管灯丝寿命

结论

正如我们看到的,如果一个x光管被适当的冷却,并能提供基本的灯丝电流保护,那么决定X光管使用寿命的就是钨灯丝的蒸发周期。蒸发比率是操作条件的函数,但是在绝大多数环境下会使用几万个小时。

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