CN103267767B - 多功能x射线定向仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能X射线定向仪，所述定向装置包括X射线管、计数管接收器、超声波测距器、第一转盘、第二转盘、第一步进电机、第二步进电机、支架、滑动板和滑动板驱动电机，所述支架包括两根导杆、底座和顶架；晶体固定装置包括基座、晶体固定平台、平台旋转机构、平台倾斜调角机构和晶体固定夹具；所述晶体固定平台设置于所述底座之上，所述晶体固定夹具固定设置于所述晶体固定平台上。本发明的多功能X射线定向仪，具有测量精度高、便于测量大尺寸晶体和不规则晶体的晶向、工作效率高等优点。

Description

多功能X射线定向仪

技术领域

本发明涉及一种定向仪，尤其是一种用于对蓝宝石单晶材料的晶向进行测定的多功能X射线定向仪。

背景技术

单晶材料在尖端科学技术中有着广泛的用途，例如单晶硅、蓝宝石单晶等。由于单晶材料的特殊晶体结构和晶体的特性，在半导体行业和光学的光学透镜、棱镜、观察窗口中应用广泛，在特定的晶向下光学特性显著，但是在测量晶体晶向时现有的定向仪和测向方法无法精准测量和晶向校正。

市场上普遍使用的定向仪定向角度多采用固定式，根据晶体材料选择不同晶体的角度，例如蓝宝石主要为C面、A面的角度。将晶棒放在该仪器的专用夹具上进行X、Y轴手动定向。此种定向装置主要有以下缺点：第一，角度固定，只能单独测一角度的晶向，若要测量其他晶向的角度，只能换另外的定向仪；第二，精度低，定向操作过程均为手动控制，精度难以保证。另外现有技术中也有定向角度为非固定式，带有数字显示功能，在测量测量晶棒端面时多采用手持式或机械固定式。测量角度偏差也采用X、Y轴双向测定法。此种定向装置虽然能测量多个晶向，亦难有很好的精度和稳定性。首先手持式测量就存在很大的误差，若改为机械式固定，容易对晶体造成损伤，而且在采用X、Y轴双向测量时，很难保证晶体X、Y两个方向的垂直度，端面角度偏差的最大值误差大。

申请号为200520092740.9的中国实用新型专利公开了一种硅单晶锭X射线定向仪，其样品测量台设有滚动装置、测量装置和自转测量装置。该硅单晶锭X射线定向仪的工作原理是：将待测晶锭放在滚动装置的滚杠上，晶锭所设OF面向上，用定位装置定位板靠在OF面上，转动横梁上手轮，使定位板与OF面紧紧贴合。调整晶锭自转自动测量装置的晶锭自转编码器的编码器托板高度，使联轴块中心对准晶锭的中心，推动编码器支板，使联接块紧贴在晶锭的后端面上，分别锁紧编码器支板与编码器托板和导轨紧固螺钉。旋转手轮升起定位板。打开电源开关，寻测晶锭的衍射角θ_X和θ_Y值时旋转测角仪手轮，探测器检测到X射线强度，输入到微安表，通过观测微安表寻找到峰值强度，此时满足布拉格定律条件，记录0度时衍射角，在此基础上依次转动滚杠手轮，看控制面板数显表角度显示使晶锭分别旋转到90°、180°、270°，在分别转动测角仪手轮寻找峰值，记录90°、180°、270°时衍射角，计算得到相应的晶锭加工数据，即旋转角和摆动角。该硅单晶锭X射线定向仪存在有以下几个问题：1)利用滚动装置承载晶锭，限制了晶锭形状，对于不规则晶体测量不方便；2)定位装置，要求高。要有OF面，定位板要与OF面紧贴，多次定位后会造成定位板磨损；3)自转自动测量装置联接块需紧贴晶锭，也会造成磨损，造成测量误差。4)滚动装置、定位装置和自转自动测量装置都需通过手轮操作，无法做到精密测量，增加累计误差；5)寻找衍射角时，检测X射线强度通过观测微安表找到峰值强度，存在目视误差；6)工作人员手动操作，由于X射线辐射，对人体产生伤害。

发明内容

本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种多功能X射线定向仪，以提高晶体的晶向测量精度、解决不规则形状晶体的径向测量问题。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

多功能X射线定向仪，其结构特点是，包括定向装置和晶体固定装置；

所述定向装置包括X射线管、计数管接收器、超声波测距器、第一转盘、第二转盘、第一步进电机、第二步进电机、支架、滑动板和滑动板驱动电机，所述支架包括两根导杆、底座和顶架；所述导杆竖直立于所述底座之上，所述顶架位于两根导杆的顶端，所述顶架上设有定滑轮；所述滑动板驱动电机的输出端设置有拉绳，所述拉绳的一端固定并缠绕于所述滑动板驱动电机的输出端上，所述拉绳的另一端依次绕过两个定滑轮后与所述滑动板的顶端固定连接，以通过所述滑动板驱动电机带动拉绳进而拉动所述滑动板沿着所述导杆的长度方向移动；所述第一转盘、第二转盘和超声波测距器均设置于所述滑动板的前板面上，所述第一步进电机和第二步进电机均设置于所述滑动板的后板面上；所述第一转盘和第二转盘分别设置于所述第一步进电机的输出轴和第二步进电机的输出轴上，并分别由所述第一步进电机和第二步进电机驱动而旋转；所述X射线管设置于所述第一转盘之上且可随所述第一转盘的转动而转动，所述计数管接收器设置于所述第二转盘之上且可随所述第二转盘的转动而转动；所述超声波测距器位于所述滑动板的前板面上，且位于所述第一转盘和第二转盘之间的位置上；

晶体固定装置包括基座、晶体固定平台、平台旋转机构、平台倾斜调角机构和晶体固定夹具；所述晶体固定平台设置于所述底座之上，所述晶体固定夹具设置于所述晶体固定平台上；所述平台旋转机构包括用于驱动晶体固定平台围绕垂直于地面的竖直轴线转动的第三步进电机；所述平台倾斜调角机构包括用于驱动晶体固定平台围绕平行于地面的水平线左右旋转的第四步进电机。

本发明的多功能X射线定向仪还具有以下技术特点。

所述晶体固定平台由所述平台旋转机构的第三步进电机的驱动围绕垂直于地面的竖直轴线360°旋转；所述晶体固定平台由所述平台倾斜调角机构的第四步进电机的驱动围绕平行于地面的水平面旋转，旋转的角度A范围为-45°≤A≤45°。

所述滑动板的前板面上还设置有指示灯。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明的多功能X射线定向仪，具有以下几个特点。

1)晶体直接放在工作台上的专用夹具中，被测面向上，对于形状不规则的晶体也同样适用，取消了OF面，利用超声波探测头和单片机设定的虚拟平面直接定位，消除了基准面被磨损而造成的测量误差；

2)工作台和射线管采用精密电机控制，只需通过控制机柜按钮操作完成，减少手动操作的误差；

3)工作人员操作通过控制机柜控制，远离射线源，减少伤害；

4)寻找衍射角时，检测X射线强度是通过晶体360度旋转显示在控制机柜显示器上的强度曲线测定，直观清楚，直接找到晶向偏差最大点，直接纠正晶向。

本发明的多功能X射线定向仪，具有测量精度高、便于测量大尺寸晶体和不规则晶体的晶向、工作效率高等优点。

附图说明

图1为本发明的多功能X射线定向仪的结构示意图。

图2为本发明的多功能X射线定向仪的定向装置的结构示意图。

图3为图2中的A-A剖视图。

图4为本发明的多功能X射线定向仪的滑动板驱动电机的示意图。

图5为本发明的多功能X射线定向仪的晶体固定装置的主视图。

图6为本发明的多功能X射线定向仪的晶体固定装置的右视图。

图7为本发明的多功能X射线定向仪的控制机柜的外形图。

附图中标号：1X射线管，2计数管接收器，3超声波测距器，4第一转盘，5第二转盘，6第一步进电机，7滑动板，701前板面，702后板面，8滑动板驱动电机，9导杆，10底座，11顶架，12定滑轮，13拉绳，14基座，15晶体固定平台，16晶体固定夹具，17第三步进电机，18第四步进电机，19指示灯，20控制机柜，21曲线显示屏，22角度显示屏，23键盘。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1～图6，多功能X射线定向仪，包括定向装置和晶体固定装置；

所述定向装置包括X射线管1、计数管接收器2、超声波测距器3、第一转盘4、第二转盘5、第一步进电机6、第二步进电机、支架、滑动板7和滑动板驱动电机8，所述支架包括两根导杆9、底座10和顶架11；所述导杆9竖直立于所述底座10之上，所述顶架11位于两根导杆9的顶端，所述顶架11上设有定滑轮12；所述滑动板驱动电机8的输出端设置有拉绳13，所述拉绳13的一端固定并缠绕于所述滑动板驱动电机8的输出端上，所述拉绳13的另一端依次绕过两个定滑轮12后与所述滑动板7的顶端固定连接，以通过所述滑动板驱动电机8带动拉绳13进而拉动所述滑动板7沿着所述导杆9的长度方向移动；所述第一转盘4、第二转盘5和超声波测距器3均设置于所述滑动板7的前板面701上，所述第一步进电机6和第二步进电机均设置于所述滑动板7的后板面702上；所述第一转盘4和第二转盘5分别设置于所述第一步进电机6的输出轴和第二步进电机的输出轴上，并分别由所述第一步进电机6和第二步进电机驱动而旋转；所述X射线管设置于所述第一转盘4之上且可随所述第一转盘4的转动而转动，所述计数管接收器2设置于所述第二转盘5之上且可随所述第二转盘5的转动而转动；所述超声波测距器3位于所述滑动板7的前板面701上，且位于所述第一转盘4和第二转盘5之间的位置上；

定向装置根据布拉格公式将射线管和计数管接收器设置成不同角度，可以测量不同晶向的角度。设置超声波测距，预先设置虚拟被测晶体平面，防止定向头直接与晶体接触。滑动板的后板面上设置有多个连接柱，所述连接柱上设有穿孔，所述导杆有两根，两根导杆均通过位于滑动板的后板面上的连接柱与滑动板相连接，导杆插入所述连接柱的穿孔之内，使得连接柱和滑动板可沿着导杆的长度方向滑移。需要向上拉动滑动板时，开启滑动板驱动电机使得拉绳缠绕于该电机输出端的轴上，通过牵引拉绳带动滑动板向上滑移。需要放下滑动板时，开启滑动板驱动电机放松拉绳，在滑动板及其上的转盘等设备的自重的作用下，滑动板向下移动。第一转盘和第二转盘可分别在第一步进电机和第二步进电机附图中未示出的驱动下转动，从而调整X射线管、计数管接收器的旋转角度。

晶体固定装置包括基座14、晶体固定平台15、平台旋转机构、平台倾斜调角机构和晶体固定夹具16；所述晶体固定平台15设置于所述底座10之上，所述晶体固定夹具16设置于所述晶体固定平台15上；所述平台旋转机构包括用于驱动晶体固定平台15围绕垂直于地面的竖直轴线转动的第三步进电机17；所述平台倾斜调角机构包括用于驱动晶体固定平台15围绕平行于地面的水平线左右旋转的第四步进电机18。

如图5和6所示，晶体固定平台可以围绕竖直轴线360°旋转，可围绕水平线左右倾斜，倾角范围±45°。其中，通过第三步进电机驱动晶体固定平台转动，由第三步进电机驱动一个涡轮蜗杆传动机构，从而驱动晶体固定平台围绕竖直轴线360°旋转。通过第四步进电机驱动晶体固定平台左右倾斜转动，由第四步进电机驱动一个涡轮蜗杆传动机构，驱动晶体固定平台左右倾斜转动；第四步进电机的内部设有用于测量晶体固定平台转动角度的传感器，以使得能够很精确地将晶体固定平台的倾斜度控制在±45°。被测晶体固定于晶体固定夹具内并被夹紧，被360°旋转扫描，测出电流最大峰值，电流最大峰值对应的方向为被测晶体端面标准晶向；在该标准晶向的基础上偏转90°的角度为被测晶体端面晶向偏差最大方向，根据偏差角度校正晶向。滑动板上设有高压指示灯，指示灯在开关按钮按下时亮，以对定向装置的开关机状态进行指示。

另外，定向仪还设有用于控制电机的控制机柜20。控制机柜20主要由操作面板和电气组件构成。操作面板上有控制按钮、曲线显示屏21、角度显示屏22、键盘23、电压控制开关等部件。电气组件包括稳压器、高压变压器、放大器计数器等，均设于控制机柜20的内部。

如图7所示为控制机柜20外形图，其操作面板上设有多个操作按钮。首先，打开电源的“开”按钮③开机通电，按下控制机柜20“标准”按钮⑥，利用石英晶片检测定向仪的精准度，如果曲线显示屏21上显示的曲线的最大值处为直线且波动微小，说明仪器是正常的。

然后，开始测量被测晶体的晶向角度，比如测量蓝宝石晶体C面。将晶体放在晶体固定夹具上夹紧，按下控制“C”按钮⑦，定向装置在控制机柜20的控制下，第一、第二步进电机驱动第一、第二转盘转动至测量C向所需的角度，转至设定位置后，滑动板驱动电机带动滑动板沿导杆向下运动，超声波测距器连续发出信号检测是否达到虚拟平面位置如图1所示。根据设定的晶向确定距离，即：在设定好晶向后，测距器与虚拟平面之间的距离被确定。当被测晶体某点到达虚拟平面时，测距器探测信号反馈回控制机柜20内的单片机，单片机经过处理控制滑动板驱动电机停止，滑动板停止运动。

按下“高压”按钮⑧，按下“光闸开”按钮⑨，此时X射线管射出的X射线经晶体端面某点产生相干衍射，衍射线被计数管接收器接收经过单片机处理在曲线显示屏上显示电流曲线，同时晶体固定平台在第三步进电机驱动下进行360°旋转，对晶体端面进行晶向扫描。曲线显示屏21上X轴为旋转角度，Y轴为电流值，找出电流值的峰值，读出相应位置的旋转角度。然后，通过控制机柜20的控制键盘输入峰值的旋转角度，在角度显示屏22上显示确认。晶体固定平台在第三步进电机的驱动下旋转，当晶体固定平台旋转至设定位置时，再次输入旋转角度为90°，旋转至设定位置，此时为晶体端面晶向C向偏差最大位置，由角度显示屏22读出晶向角度，计算出偏差值。通过第四步进电机及其涡轮蜗杆传动机构调整晶体固定平台的水平度，从而将晶向角度校正至标准值。然后按下“光闸关”按钮⑩关闭射线，按下控制机柜20“上升”按钮使定向头上升，按下“高压关”按钮。然后连同固定夹具26放到平面磨床上，磨出标准晶体端面。

本发明的多功能X射线定向仪，具有以下几个优点：1测量精度高，消除手动操作的误差；2利于大尺寸晶体和不规则晶体测量晶向，对于晶体形状要求不高，适用于多种晶向测量和校正；3提高工作效率，实现一台多用，同时实现一台设备测量多个晶向；4自动化程度高，操作简便，测量方法简单。

所述晶体固定平台15由所述平台旋转机构的第三步进电机17的驱动围绕垂直于地面的竖直轴线360°旋转；所述晶体固定平台15由所述平台倾斜调角机构的第四步进电机18的驱动围绕平行于地面的水平面旋转，旋转的角度A范围为-45°≤A≤45°。晶体固定平台在第三步进电机的驱动下360°旋转，同时可在第四步进电动机的驱动下左右45°倾斜。

所述滑动板7的前板面701上还设置有指示灯19。指示灯在开关按钮按下时亮，以对定向装置的开关机状态进行指示。

Claims (3)

1.多功能X射线定向仪，其特征在于，包括定向装置、晶体固定装置和控制机柜；

所述定向装置包括X射线管、计数管接收器、超声波测距器、第一转盘、第二转盘、第一步进电机、第二步进电机、支架、滑动板和滑动板驱动电机；

所述支架包括两根导杆、底座和顶架，所述导杆竖直立于所述底座之上，所述顶架位于两根导杆的顶端，所述顶架上设有定滑轮；

所述滑动板驱动电机的输出端设置有拉绳，所述拉绳的一端固定并缠绕于所述滑动板驱动电机的输出端上，所述拉绳的另一端依次绕过两个定滑轮后与所述滑动板的顶端固定连接，以通过所述滑动板驱动电机带动拉绳进而拉动所述滑动板沿着所述导杆的长度方向移动；

所述第一转盘、第二转盘和超声波测距器均设置于所述滑动板的前板面上，所述第一步进电机和第二步进电机均设置于所述滑动板的后板面上；

所述第一转盘和第二转盘分别设置于所述第一步进电机的输出轴和第二步进电机的输出轴上，并分别由所述第一步进电机和第二步进电机驱动而旋转；

所述X射线管设置于所述第一转盘之上且可随所述第一转盘的转动而转动，所述计数管接收器设置于所述第二转盘之上且可随所述第二转盘的转动而转动；

所述超声波测距器位于所述滑动板的前板面上，且位于所述第一转盘和第二转盘之间的位置上；

所述晶体固定装置包括基座、晶体固定平台、平台旋转机构、平台倾斜调角机构和晶体固定夹具；

所述晶体固定平台设置于所述基座之上，所述晶体固定夹具设置于所述晶体固定平台上；

所述平台旋转机构包括用于驱动晶体固定平台围绕垂直于地面的竖直轴线转动的第三步进电机；

所述平台倾斜调角机构包括用于驱动晶体固定平台围绕平行于地面的水平轴线左右转动的第四步进电机；

所述第四步进电机的内部设有用于测量晶体固定平台转动角度的传感器；

所述控制机柜主要由操作面板和电气组件构成；

所述操作面板上设有控制按钮、曲线显示屏、角度显示屏、键盘、电压控制开关；

所述电气组件包括稳压器、高压变压器、放大器计数器。

2.根据权利要求1所述的多功能X射线定向仪，其特征在于：

所述晶体固定平台由所述平台旋转机构的第三步进电机的驱动围绕垂直于地面的竖直轴线360°旋转；

所述晶体固定平台由所述平台倾斜调角机构的第四步进电机的驱动围绕平行于地面的水平轴线左右转动，转动的角度A范围为-45°≤A≤45°。

3.根据权利要求1或2所述的多功能X射线定向仪，其特征在于：

所述滑动板的前板面上还设置有指示灯。