一種便攜式x射線衍射儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種便攜式X射線衍射儀，包括X射線管、入射光闌、反射式測(cè)頭、透射式測(cè)頭、接收光闌，其特征在于，測(cè)頭安裝于多軸機(jī)械手上，反射式測(cè)頭上裝有探測(cè)器和光管，透射式測(cè)頭上裝有測(cè)角儀和探測(cè)器。工件或被測(cè)樣品不動(dòng)，機(jī)械手帶動(dòng)測(cè)頭在空間上對(duì)被測(cè)工件做掃描運(yùn)動(dòng)完成測(cè)試。本實(shí)用新型可在被測(cè)工件不動(dòng)的情況下快速、精確控制測(cè)頭位置、角度并精確測(cè)量衍射角。本實(shí)用新型可使用常規(guī)金屬靶的X射線管，采用反射式衍射光路測(cè)量衍射譜；本實(shí)用新型也可使用重金屬靶的X射線管，采用透射式衍射光路測(cè)量衍射譜。
【專利說明】
一種便攜式X射線衍射儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于X射線技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及可精確控制測(cè)頭做空間軌跡掃描的便攜式X射線衍射儀。
【背景技術(shù)】
[0002]常見的X射線衍射儀采用常規(guī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)固定靶材和光管，靠步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)做掃描測(cè)試。采用X射線管和探測(cè)器聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行衍射譜的采集，其靶材一般為Cr靶、Cu靶、Fe靶、Ag靶、Mo靶等，工作電壓通常不超過50kV，所產(chǎn)生特征X射線(Ka)的波長較長，為0.07nm~0.29nm，導(dǎo)致X射線對(duì)樣品的穿透深度較淺，約為1ym，難以獲得材料內(nèi)部的物相、織構(gòu)和應(yīng)力分布等信息。而采用重金屬靶X射線管，如W靶或U靶X射線管，工作電壓為2001^~4501^，所產(chǎn)生特征乂射線的波長小于0.03 nm，其穿透能力大大提高，但是儀器多采用固定式，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的掃描測(cè)試。
[0003]本實(shí)用新型提出的基于機(jī)械手(8)的X射線衍射儀即可采用常規(guī)Cr靶、Cu靶、Fe靶、Ag靶、Mo靶等，由于特征X射線的波長長，根據(jù)布拉格公式2dSin0=A可知，衍射角2Θ比較大，實(shí)現(xiàn)反射法進(jìn)行衍射分析。同時(shí)在更換側(cè)頭(7)后也可用采用重金屬靶X射線管，進(jìn)行工件內(nèi)部測(cè)試。如W靶或U靶X射線管，工作電壓為200kV?450kV，所產(chǎn)生特征X射線的波長小于
0.03 nm，其穿透能力高，可分析厘米級(jí)金屬樣品內(nèi)部的物相、織構(gòu)和應(yīng)力。如W革EKa1射線可穿透40mm招、4mm鐵；U革EKa1射線可穿透約60mm招、1mm鐵。由于短波長特征X射線的波長短，衍射角較小，通常在5°?20°范圍內(nèi)，適于采用透射法進(jìn)行衍射分析。
[0004]現(xiàn)有X射線衍射儀的控制系統(tǒng)，主要有以下幾點(diǎn)不足:
[0005]1.現(xiàn)場(chǎng)異形工件測(cè)試不變；
[0006]2.通常采用半閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)控制，精度不高；
[0007]3.樣品臺(tái)或儀器的移動(dòng)軸少，測(cè)試樣品不同部位時(shí)調(diào)整不變；
[0008]4.穿透深度有限，難以實(shí)現(xiàn)不同深度的應(yīng)力測(cè)試。。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]本實(shí)用新型針對(duì)上述不足，提供一種基于機(jī)械手精確控制側(cè)頭做空間軌跡掃描的便攜式X射線衍射儀，能更具現(xiàn)場(chǎng)條件在不移動(dòng)工件位置只移動(dòng)儀器的情況下完成測(cè)試。
[0010]本實(shí)用新型一種便攜式X射線衍射儀，包括透射式測(cè)頭、機(jī)械手、接收光闌、入射光闌、X射線管和X射線探測(cè)器;機(jī)械手的自由度為4或以上;透射式測(cè)量衍射譜時(shí)，X射線管和入射光闌安裝于樣品一側(cè)，入射光闌固定于X射線管前端，機(jī)械手安裝于樣品另一側(cè)，透射式測(cè)頭安裝于機(jī)械手末端的旋轉(zhuǎn)軸上，透射式測(cè)頭呈圓弧形，透射式測(cè)頭具有圓弧軌道，X射線探測(cè)器安裝于圓弧軌道上可沿軌道運(yùn)動(dòng)，入射光闌安裝固定于X射線探測(cè)器前端。
[0011]本實(shí)用新型還包括能實(shí)現(xiàn)反射式衍射測(cè)試的反射式測(cè)頭，反射式測(cè)頭呈圓弧形，反射式測(cè)量衍射譜時(shí)，反射式測(cè)頭安裝于機(jī)械手上，X射線管和X射線探測(cè)器安裝于反射式測(cè)頭上，入射光闌固定于X射線管前端;接收光闌和X射線探測(cè)器安裝于反射式測(cè)頭上，與X射線管的夾角為樣品的衍射角。
[0012]本實(shí)用新型的一種便攜式X射線衍射儀，所述X射線探測(cè)器上設(shè)有激光對(duì)中儀。
[0013]本實(shí)用新型的一種便攜式X射線衍射儀，所述反射式測(cè)頭居中部位設(shè)有激光測(cè)距儀。
[0014]本實(shí)用新型能在同一臺(tái)機(jī)械手和同一臺(tái)主機(jī)的情況下只需更換測(cè)頭就能完成反射式和透射式測(cè)試。
[0015]本實(shí)用新型在做反射式測(cè)試時(shí)，機(jī)械手上安裝反射式測(cè)頭，測(cè)試時(shí)測(cè)頭位于機(jī)械手側(cè)。本實(shí)用新型在做反射式測(cè)試時(shí)，反射式測(cè)頭上安裝X射線管和X射線探測(cè)器。
[0016]本實(shí)用新型在做透射式時(shí)，機(jī)械手上安裝透射式測(cè)頭，測(cè)試時(shí)測(cè)頭在機(jī)械手側(cè)，透射式測(cè)頭上安裝X射線探測(cè)器，X射線管在測(cè)試樣品的相對(duì)側(cè)。
[0017]本實(shí)用新型在測(cè)試時(shí)工件位置不動(dòng)，機(jī)械手和測(cè)頭完成定位和掃描動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)測(cè)頭對(duì)被測(cè)工件任意點(diǎn)完成定位測(cè)試。
[0018]本實(shí)用新型的X射線衍射儀還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括:
[0019]X射線管控制模塊，控制系統(tǒng)指令控制X射線管的開關(guān)和電流、電壓等運(yùn)行參數(shù)；
[0020]測(cè)頭運(yùn)動(dòng)控制模塊，透射式時(shí)控制系統(tǒng)指令測(cè)頭帶動(dòng)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)。
[0021]本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)是一套基于機(jī)械手的完整數(shù)控系統(tǒng)，主要多關(guān)節(jié)機(jī)械手、其他電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器等硬件和相應(yīng)的控制軟件組成。該系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)測(cè)頭的空間運(yùn)動(dòng)(包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))和測(cè)頭對(duì)被測(cè)點(diǎn)的空間定位。
[0022]本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)可控制X射線管高壓發(fā)生器的通斷，并可對(duì)光管的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
[0023]本實(shí)用新型的X射線管(I)可為重金屬靶的X射線管，如W靶或U靶X射線管，采用透射式或反射式衍射光路測(cè)量衍射譜。本實(shí)用新型的X射線管也可為常規(guī)金屬靶的X射線管，如Cu靶、Cr靶、Fe靶、Ag靶等X射線管，采用反射式衍射光路測(cè)量晶體樣品表層的衍射譜；
[0024]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)有:
[0025]1.可到用戶車間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
[0026]2.探測(cè)器可選用點(diǎn)探測(cè)器、線探測(cè)器或面探測(cè)器。
[0027]3.可快速、精確控制測(cè)頭位置和角度，快速精確控制衍射角度測(cè)量，能適應(yīng)各種晶體物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)量研究。
[0028]4.在工件或樣品不移動(dòng)動(dòng)的情況下，可在一臺(tái)設(shè)備上采用透射式和反射式衍射光路測(cè)量衍射譜。
[0029]5.對(duì)工件大小、外形等無特殊限制。
【附圖說明】
[0030]圖1X射線衍射儀透射式結(jié)構(gòu)示意圖
[0031]圖2X射線衍射儀反射式結(jié)構(gòu)示意圖
[0032]圖3反射式測(cè)頭示意圖
[0033]圖4反射式衍射光路示意圖
[0034]圖5透射式衍射光路示意圖
[0035]圖1中，1.X射線管、2.入射光闌、3.工件/樣品、4.接收光闌、5.X射線探測(cè)器、6.激光測(cè)距儀、7a.透射式測(cè)頭、7b.反射式測(cè)頭8.多軸機(jī)械手。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0037]見圖1，本實(shí)用新型的X射線衍射儀，在做透射式實(shí)驗(yàn)時(shí)主要包括多軸機(jī)械手8、透射式測(cè)頭7、X射線管1、入射光闌2;其中接收光闌4、X射線探測(cè)器5、激光對(duì)中儀，安裝于透射式測(cè)頭7a弧形導(dǎo)軌上，測(cè)頭安裝于機(jī)械手的末端旋轉(zhuǎn)軸上。
[0038]見圖2、圖3，本實(shí)用新型的X射線衍射儀，在做反射式實(shí)驗(yàn)時(shí)主要包括多軸機(jī)械手8和反射式測(cè)頭7b。其中X射線管1、X射線探測(cè)器5、激光測(cè)距儀均安裝于反射式測(cè)頭7b上，反射式測(cè)頭7b安裝于機(jī)械手的末端旋轉(zhuǎn)軸上。入射光闌2固定于X射線管I上，接收光闌4固定于X射線探測(cè)器5上。
[0039]本實(shí)用新型在做測(cè)試時(shí)(包括反射式和透射式)，移動(dòng)儀器到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，樣品在原有位置狀態(tài)保持不變，測(cè)試工件上不同點(diǎn)位時(shí)只需要機(jī)械手帶動(dòng)測(cè)頭做相對(duì)位置移動(dòng)。其中機(jī)械手根據(jù)實(shí)際要求選擇型號(hào)，一般現(xiàn)有6自由度機(jī)械手就可完成測(cè)試需求。
[0040]具體控制流程為:
[0041](I)根據(jù)樣品和測(cè)試要求情況，選擇安裝反射式測(cè)頭7b或者透射式測(cè)頭7a。
[0042I (2)系統(tǒng)上電，機(jī)械手8自動(dòng)檢測(cè)位置。
[0043](3)系統(tǒng)啟動(dòng)，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，等待控制系統(tǒng)發(fā)送指令
[0044](4)操作機(jī)械手8確立位置坐標(biāo)，建立測(cè)試坐標(biāo)系，系統(tǒng)校正光路系統(tǒng)。
[0045](5)控制系統(tǒng)向機(jī)械手8發(fā)出位移指令，移動(dòng)到位后反饋信號(hào)回控制系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)X射線管I，x射線穿過入射光闌2照射到樣品3測(cè)試點(diǎn)上。
[0046](6)機(jī)械手控制模塊，按控制系統(tǒng)指令驅(qū)動(dòng)機(jī)械手8帶動(dòng)測(cè)頭在設(shè)定的角度范圍內(nèi)做掃描運(yùn)動(dòng)，X射線探測(cè)器5開始接收穿過接收光闌4的衍射信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)。
[0047](7)掃面結(jié)束后系統(tǒng)回到設(shè)定零位，等待操作人員下一步指令。
[0048](8)測(cè)試結(jié)束，操作人員發(fā)出關(guān)機(jī)指令，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。
[0049]反射式測(cè)量衍射譜實(shí)施例:
[0050]見圖4，當(dāng)特征X射線(Κα?及Lal)無法穿透樣品時(shí)，X射線會(huì)被晶體材料反射，采用反射式衍射幾何光路可測(cè)量晶體材料表層的衍射譜。
[0051 ]采用Cu勒X射線管測(cè)量鋁合金樣品(111)晶面衍射譜的操作步驟為:
[0052](I)安裝反射式測(cè)頭7b，確定Al (111)晶面的衍射角，通過查閱X射線衍射數(shù)據(jù)庫知Al( 111)晶面的衍射角為36.8°。
[0053]2將安裝有反射式測(cè)頭7b的機(jī)械手8移到鋁合金樣品待測(cè)試點(diǎn)上，通過激光測(cè)距儀6測(cè)量，調(diào)整機(jī)械手和測(cè)頭位置使規(guī)范體積落于樣品表面，規(guī)范體積為入射X射線與衍射X射線相交形成的衍射體積。
[0054](3)設(shè)定測(cè)試參數(shù)，如設(shè)置X射線管I的工作電壓為40kV、電流為30mA，X射線探測(cè)器5角度掃描范圍為36.3°?37.3°，步長可為0.01°?0.1°，每步掃描時(shí)間為10s。
[0055](4)移動(dòng)機(jī)械手8和測(cè)頭位置，使樣品表面的不同位置處于規(guī)范體積上，可測(cè)得表層不同位置的衍射譜。
[0056](5)測(cè)試程序按設(shè)置的參數(shù)運(yùn)行，X射線探測(cè)器5在設(shè)定的角度掃描范圍內(nèi)接收衍射X射線，并將數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)，直至完成測(cè)試。
[0057]采用W靶X射線管的特征X射線(La1)測(cè)量晶體材料的衍射譜時(shí)，按上述操作步驟也可測(cè)量得到相應(yīng)的衍射譜。
[0058]透射式測(cè)量衍射譜實(shí)施例:
[0059]見圖5，當(dāng)特征X射線(Ka1)可穿透樣品時(shí)，可采用透射式衍射幾何光路測(cè)量晶體材料內(nèi)部的衍射譜。
[0060]采用W勒X射線管的特征X射線(Ka1)測(cè)量鋁合金樣品(311)晶面衍射譜的操作步驟為:
[0061 ] (I)安裝透射式測(cè)頭7a，確定Al(311)晶面的衍射角(2Θ)，通過查閱X射線衍射數(shù)據(jù)庫知Al(311)晶面的衍射角(2Θ)為9.8° ;
[0062](2)用機(jī)械手將透射式測(cè)頭7a移到鋁合金樣品待測(cè)試點(diǎn)上。通過激光對(duì)中儀找準(zhǔn)光路，機(jī)械手控制系統(tǒng)調(diào)整測(cè)頭相對(duì)于X射線源I的位置，使規(guī)范體積位于樣品內(nèi)部。當(dāng)樣品內(nèi)部不同區(qū)域順序地通過規(guī)范體積時(shí)，可測(cè)得樣品內(nèi)部不同部位的衍射譜。
[0063](3)通過系統(tǒng)控制程序?qū)射線探測(cè)器5的測(cè)頭移動(dòng)至Al(311)晶面衍射線的位置，此時(shí)X射線探測(cè)器5軸心線與入射X射線的夾角為9.8° ;
[0064](4)設(shè)定測(cè)試參數(shù)，如設(shè)置X射線管I的工作電壓為200kV、電流為3mA，X射線探測(cè)器5角度掃描范圍為9.7°?9.9°，步長為0.01°，每步掃描時(shí)間為30s。
[0065](5)測(cè)試程序按設(shè)置的參數(shù)運(yùn)行，機(jī)械手8及測(cè)頭帶動(dòng)X射線探測(cè)器5在設(shè)定的角度掃描范圍內(nèi)接收衍射X射線，并將數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)，直至完成測(cè)試。
[0066]采用U靶等X射線管測(cè)量晶體材料內(nèi)部的衍射譜時(shí)，按上述操作步驟也可測(cè)量相應(yīng)的衍射譜。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種便攜式X射線衍射儀，其特征在于，包括透射式測(cè)頭、機(jī)械手、接收光闌、入射光闌、X射線管和X射線探測(cè)器;機(jī)械手的自由度為4或以上;透射式測(cè)量衍射譜時(shí)，X射線管和入射光闌安裝于樣品一側(cè)，入射光闌固定于X射線管前端，機(jī)械手安裝于樣品另一側(cè)，透射式測(cè)頭安裝于機(jī)械手末端的旋轉(zhuǎn)軸上，透射式測(cè)頭呈圓弧形，透射式測(cè)頭具有圓弧軌道，X射線探測(cè)器安裝于圓弧軌道上可沿軌道運(yùn)動(dòng)，入射光闌安裝固定于X射線探測(cè)器前端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式X射線衍射儀，其特征在于，還包括能實(shí)現(xiàn)反射式衍射測(cè)試的反射式測(cè)頭，反射式測(cè)頭呈圓弧形，反射式測(cè)量衍射譜時(shí)，反射式測(cè)頭安裝于機(jī)械手上，X射線管和X射線探測(cè)器安裝于反射式測(cè)頭上，入射光闌固定于X射線管前端;接收光闌和X射線探測(cè)器安裝于反射式測(cè)頭上，與X射線管的夾角為樣品的衍射角。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式X射線衍射儀，其特征在于，所述X射線探測(cè)器上設(shè)有激光對(duì)中儀。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種便攜式X射線衍射儀，其特征在于，所述反射式測(cè)頭居中部位設(shè)有激光測(cè)距儀。
【文檔編號(hào)】G01N23/207GK205538756SQ201620109687
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年2月3日
【發(fā)明人】張鵬程, 李云, 陳力, 竇作勇, 馬策, 談笑, 王旻, 董平, 朱旭, 馬培培
【申請(qǐng)人】中國工程物理研究院材料研究所, 四川藝精科技集團(tuán)有限公司