HYY-G型大功率高压发生器的性能表征
HYY-G型大功率高压发生器的性能表征
刘文涛1，黄俊杰2，殷靓2，杨彬2，陈春霞2
（1.中国地质大学（北京），北京 100083，2.国土资源部南京地质矿产研究所，江苏南京 210016）
摘 要 研制大功率高压发生器是波谱-能谱复合型X荧光光谱仪研发专项中的重要环节。HYY-G型高压发生器可实现最大功率6kW，正高压60kV，最高管流120mA。经理学3080E X荧光光谱仪平台检测，加载功率从200W-4000W，输出功率呈线性上升。给定不同高压值，调节灯丝电流改变管电流，高压发生器的输入功率与标样计数率的相关系数高达0.999；给定不同的工作功率，标样计数率的相对标准偏差优于万分之五。因此，HYY-G型高压发生器可满足现有大功率X荧光光谱仪的正常使用。
关键词 高压发生器；功率；计数率；相关系数；相对标准偏差
中图分类号 TM834
Performance Characteristics of HYY-G High Power X-ray Generator
Liu Wen-tao1,Huang Jun-jie2, Yin Liang2,Yang Bin2,Chen Chun-xia2
(1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China,
2. Nanjing Center, China geological survey, Nanjing 210016, China)
Abstract: High power X-ray generator is a key procedure of development and industrialization for the composite WD and ED X-ray Fluorescence Spectrometer. HYY-G X-ray generator has been achieved maximum power 6kW, positive-voltage 60kV and maximum tube-current 120mA. The output-power is increased linearly with loading power from 200W to 4000W, tested by 3080E X-ray fluorescence spectrometer platform. Setup different high voltage, and change tube-current by adjusting filament-current, the correlation coefficient between generator’s input-power and output-intensity as cps (counts per second) of standard sample is up to 0.999. Meanwhile, the RSD (relative standard deviation) of cps is better than 0.05% at different working-power. Therefore, HYY-G X-ray generator can meet the demand of the existing X-fluorescence spectrometer.
Key words: X-ray generator; Power; Counter; Correlation coefficient; Relative standard deviation
X射线荧光光谱仪是基于X射线荧光光谱法而进行分析的一种常用的分析仪器。1948年，Friedman和Briks应用盖格计数器研制出波长色散X射线荧光光谱仪，1969年美国海军实验室成功研制第一台能量色散X荧光光谱仪，自此，X射线荧光光谱法进入蓬勃发展阶段[1]。
我国对X荧光分析仪器的研究起步较晚，与国外有一定的差距，其中大功率（>3kW）X荧光光谱仪的生产技术被国外公司长期掌控。
国家重大科学仪器开发专项项目“波谱-能谱复合型X射线荧光光谱仪的研发与产业化”将研制、开发一款大功率、多功能的X射线荧光光谱分析仪，拥有自主产权，并实现产业化，以满足国内的需求。
该项目由国家地质实验测试中心牵头，共9家单位参与。南京地质矿产研究所承担了关键的大功率高频高压发生器的研制工作，目前已研制成功HYY-G型高压发生器。该高压发生器拥有参数：工作频率10～22kHz，正高压60kV，最大管流120mA，最大功率6kW。
本文利用理学3080E X荧光光谱仪作为测试平台，对HYY-G型高压发生器的输出功率和稳定性进行测量，以探讨其实用性。
1 测试平台的搭建
图1.1 用于数据采集的3080E型X荧光光谱仪测试平台
测试主平台3080E（图1.1）是日本理学早期开发的一款X射线荧光分析仪器，可直接对样品的荧光X射线进行计量分析。图1.2为自主研发的HYY-G型高压发生器，通过高压电缆与X光管相连，其所用X光管为OEG-92J型，性能良好（如图1.3）。
测试平台的外围辅助设备包括循环水冷却系统和International Medcom, Inc生产的小型辐射探测仪（用于检测X射线的泄露）等。
图1.2 HYY-G高压发生器
图1.3 OEG-92J型X光管
2 测试条件和方法
2.1 测试条件
不同元素X荧光的计数率主要受待测样品元素的含量和高压发生器加载功率的影响，本文测量中将全程采用黄铜标样、衍射角2θ为45.04°、LiF（200）分光晶体、PHA=70-350、粗准直器[2]。计数器的计数时间为10s，并根据情况对激发荧光做1/10或1/30衰减选择，避免因超出计数器线性范围带来的统计误差。实验所用OEG-92J型X光管，是现有的最大功率X光管，最大加载功率为4kW[3]，因此测量时HYY-G型高压发生器的输入功率不得超出4kW。
2.2 测试方法
高压发生器的性能检测，通常包括线性、稳定性和重复性测量。HYY-G型高压发生器，开关响应速度达到ms级，对其重复性将另做讨论，本文中主要检测其输出线性和稳定性。
1）线性测量：选择1/30衰减，调节HYY-G型高压发生器的输入电压到20kV，输入管流10mA，为第一个测量位置，通过3080E测试平台测量并记录此时Cu标样的荧光计数率。之后保持电压不变，调节管流，步长5mA为一个新的测量点，直到120mA，每个测量位置重复测量三次，取最后一个计数率。然后重新调节电压到30kV（每次增加10kV直至60kV），依照上述方法再次测量，以此循环完成所有测量位置的测量。在此过程中所加电压、管流控制在高压发生器和X光管的有效参数之内。
2）稳定性测量：选择1/10衰减，保持HYY-G高压发生器在固定功率工作，即电压、管流不变，每隔30分钟进行一次测量，共取11个数据。
3 测试数据
表3.1～表3.5中数据分别为HYY-G高压发生器在电压20kV、30kV、40kV、50kV、60kV时的线性测量值，表3.6中为稳定性测量数据，其测量时高压发生器的工作功率为1.2kW(电压40kV、管流30mA)和3.6kW(电压45kV、管流80mA)。
|
表3.1 20kV下改变管流所得计数率测量值 |
|||
|
电 压（kV） |
管 流 （mA） |
功率（W） |
计数率 （cps） |
|
20 |
10 |
200 |
1159.6 |
|
20 |
15 |
300 |
1754.6 |
|
20 |
20 |
400 |
2328.3 |
|
20 |
25 |
500 |
2929.8 |
|
20 |
30 |
600 |
3484.3 |
|
20 |
35 |
700 |
4051.1 |
|
20 |
40 |
800 |
4642.7 |
|
20 |
45 |
900 |
5212.8 |
|
20 |
50 |
1000 |
5741.5 |
|
20 |
55 |
1100 |
6257.4 |
|
20 |
60 |
1200 |
6798.1 |
|
20 |
65 |
1300 |
7390 |
|
20 |
70 |
1400 |
7956.8 |
|
20 |
75 |
1500 |
8452.1 |
|
20 |
80 |
1600 |
9085.5 |
|
20 |
85 |
1700 |
9785.9 |
|
20 |
90 |
1800 |
10401 |
|
20 |
95 |
1900 |
10989.9 |
|
20 |
100 |
2000 |
11473.4 |
|
20 |
105 |
2100 |
12083.9 |
|
20 |
110 |
2200 |
12504.6 |
|
20 |
115 |
2300 |
12972.8 |
|
20 |
120 |
2400 |
13438.8 |
|
表3.2 30kV下改变管流所得计数率测量值 |
|||
|
电 压（kV） |
管 流（mA) |
功率（W） |
计数率 （cps） |
|
30 |
10 |
300 |
2840.7 |
|
30 |
15 |
450 |
4195.3 |
|
30 |
20 |
600 |
5615.1 |
|
30 |
25 |
750 |
7078.3 |
|
30 |
30 |
900 |
8488.7 |
|
30 |
35 |
1050 |
9769.3 |
|
30 |
40 |
1200 |
11110.8 |
|
30 |
45 |
1350 |
12664.1 |
|
30 |
50 |
1500 |
14078 |
|
30 |
55 |
1650 |
15378.5 |
|
30 |
60 |
1800 |
16604.9 |
|
30 |
65 |
1950 |
17945 |
|
30 |
70 |
2100 |
19203.1 |
|
30 |
75 |
2250 |
20699.6 |
|
30 |
80 |
2400 |
21780.3 |
|
30 |
85 |
2550 |
23345.8 |
|
30 |
90 |
2700 |
24720.6 |
|
30 |
95 |
2850 |
26046.7 |
|
30 |
100 |
3000 |
27436.2 |
|
30 |
105 |
3150 |
28752.6 |
|
30 |
110 |
3300 |
30211.4 |
|
30 |
115 |
3450 |
31350.5 |
|
30 |
120 |
3600 |
32560.5 |
|
表3.3 40kV下改变管流所得计数率测量值 |
|||
|
电 压（kV） |
管 流 （mA） |
功率（W） |
计数率 （cps） |
|
40 |
10 |
400 |
4962.9 |
|
40 |
15 |
600 |
7374.2 |
|
40 |
20 |
800 |
9818 |
|
40 |
25 |
1000 |
12223.9 |
|
40 |
30 |
1200 |
14682.1 |
|
40 |
35 |
1400 |
17137.4 |
|
40 |
40 |
1600 |
19512.4 |
|
40 |
45 |
1800 |
22023.3 |
|
40 |
50 |
2000 |
24302.4 |
|
40 |
55 |
2200 |
26530.1 |
|
40 |
60 |
2400 |
29272.6 |
|
40 |
65 |
2600 |
31567.7 |
|
40 |
70 |
2800 |
33894.5 |
|
40 |
75 |
3000 |
36449.3 |
|
40 |
80 |
3200 |
38967.6 |
|
40 |
85 |
3400 |
41000.1 |
|
40 |
90 |
3600 |
43513.5 |
|
40 |
95 |
3800 |
45675.1 |
|
40 |
100 |
4000 |
48160 |
|
表3.4 50kV下改变管流所得计数率测量值 |
|||
|
电 压（kV） |
管 流 （mA） |
功率（W） |
计数率 （cps） |
|
50 |
10 |
500 |
7212.4 |
|
50 |
15 |
750 |
10802.2 |
|
50 |
20 |
1000 |
14595.7 |
|
50 |
25 |
1250 |
17957.8 |
|
50 |
30 |
1500 |
21393.5 |
|
50 |
35 |
1750 |
24912.4 |
|
50 |
40 |
2000 |
28435.2 |
|
50 |
45 |
2250 |
32177.9 |
|
50 |
50 |
2500 |
35618.7 |
|
50 |
55 |
2750 |
39138 |
|
50 |
60 |
3000 |
42521.8 |
|
50 |
65 |
3250 |
46153 |
|
50 |
70 |
3500 |
49620.9 |
|
50 |
75 |
3750 |
53151.5 |
|
50 |
80 |
4000 |
56595.2 |
|
表3.5 60kV下改变管流所得计数率测量值 |
|||
|
电 压（kV） |
管 流 （mA） |
功率（W） |
计数率 （cps） |
|
60 |
10 |
600 |
9605.6 |
|
60 |
15 |
900 |
14478 |
|
60 |
20 |
1200 |
19126.5 |
|
60 |
25 |
1500 |
23675.1 |
|
60 |
30 |
1800 |
28651.5 |
|
60 |
35 |
2100 |
33091.8 |
|
60 |
40 |
2400 |
37751.8 |
|
60 |
45 |
2700 |
42491.6 |
|
60 |
50 |
3000 |
47545.4 |
|
60 |
55 |
3300 |
52615.8 |
|
60 |
60 |
3600 |
56982.5 |
|
表3.6 固定功率下的计数率测量值 |
|||
|
测量时间 |
计数率（cps） |
测量时间 |
计数率（cps） |
|
40kV/30mA |
45kV/80mA |
||
|
9:00 |
50757.9 |
15:00 |
168484 |
|
9:30 |
50776.6 |
15:30 |
168425.4 |
|
10:00 |
50738.1 |
16:00 |
168544.2 |
|
10:30 |
50742.8 |
16:30 |
168595 |
|
11:00 |
50766.9 |
17:00 |
168630.8 |
|
11:30 |
50770.4 |
17:30 |
168621.2 |
|
12:00 |
50746.2 |
18:00 |
168473.9 |
|
12:30 |
50759.7 |
18:30 |
168556.4 |
|
13:00 |
50762.2 |
19:00 |
168443.1 |
|
13:30 |
50732.9 |
19:30 |
168545.6 |
|
14:00 |
50711.9 |
20:00 |
168601.8 |
图4.1 电压20kV时计数率与管流相关关系图
图4.1中x轴为加载管流的大小（保持电压20kV稳定），y轴为Cu标样的荧光计数率，图中红色的‘※’是各测量点处的实际测量数值，蓝色直线是通过regress()函数对计数率和管流作线性拟合得到的函数线，从图中我们发现，所有测量值基本处于拟合函数线上，在电压20kV下Cu标样的荧光计数率随着管流（亦是功率）呈直线性增长，两者相关系数由软件测出为0.99948。最后我们将不同电压下的各组数据一一进行拟合，得到了相同的线性特征，如图4.2~4.5所示。
图4.2 电压30kV时计数率与管流相关关系图
图4.3 电压40kV时计数率与管流相关关系图
图4.4 电压50kV时计数率与管流相关关系图
图4.5 电压60kV时计数率与管流相关关系图
4.2稳定性分析
对稳定性测量数据的分析在此引用相对标准偏差（RSD）:
（1）
式中S为Cu标样11次测量数据的标准偏差，X为算术平均值。经计算可得HYY-G高压发生器在电压40kV、电流30mA，电压45kV、电流80mA固定功率下工作时，所测Cu标样X荧光计数率的相对标准偏差（RSD）分别为0.03%、0.04%，可达到X荧光光谱仪对元素分析的使用要求。
5 结论
经本次实验检测：在实验室环境，以4kW X光管为负载，HYY-G型高压发生器正常工作电压20kV-60kV，工作电流10mA-120mA，功率200W-4000W。当加载电压不变时，Cu标样的荧光计数率随高压发生器输入功率的增加呈直线型增长，两者相关系数可达0.999。当功率固定时，随时间改变，Cu标样计数率的相对标准偏差优于万分之五。实验表明HYY-G型高压发生器工作输入功率真实有效，且工作状态稳定，可满足波谱-能谱复合型X荧光光谱仪以及其它各类X荧光光谱仪的使用需求。
6 致谢
在此感谢国家重大科学仪器研发专项对高压发生器研制工作的资助，同时感谢中国地质科学院国家地质实验测试中心无偿提供理学3080E型X荧光光谱仪作为高压发生器测试平台以及邓赛文老师等在平台调试中提供的技术支持。
参考文献
[1]. 周国兴,赵恩好,岳明新,曹丹红. X射线荧光光谱仪及其分析技术的发展[J]. 当代化工,2013,08:1169-1172.
[2]. 梁国立. X射线荧光光谱仪的性能检验[J]. 岩矿测试,1991,02:150-153
[3]. Varian Medical Systems, OEG-92J Industrial X-ray Tube. 4911 Rev D, 06-2008
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