CN104483337A - 一种扫描式金属表面成像及成分分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扫描式金属表面成像及成分分析装置，包括X光管（1）、X荧光探头（2）、准直器（3）、位置灵敏型光电倍增管（4）、探测器封装套（5）、高压控制系统（6）、放大器（7）、信号读出系统（8）、数据处理系统（9）、计算机控制与数据显示系统（10）、步进电机控制系统（11）、远程登陆系统（12）、激光测距仪（13）、步进电机（14）、样品台（15）、屏蔽防护体（16）；其利用X光管产生的X射线，与金属表面的核素内壳层电子发生反应产生特征X射线，利用传感器，收集特征X射线的空间和能量信息，对金属表面进行成分分析与成像。本发明不受金属镀层种类影响，可同时实现金属表面成像与元素成分分析。
Description
技术领域
本发明属于金属表面成分检测及表面成像技术领域，涉及一种金属表面成像及成分分析装置，具体的说，涉及一种扫描式金属表面成像及成分分析装置。
背景技术
金属的表面状态，对于金属材料的性能有着极其重要的影响。例如，材料的氧化和腐蚀、强韧性和断裂行为等等，都与表面层上的化学成分和结构有着密切的关系。因此，要了解金属材料的性能，必须认识材料表面的现象。
目前，在各种测量分析中，核分析技术已经作为一项常规技术。X射线荧光分析(XRF)是一种用于量化固态和液态样品的元素组成的非破坏性的技术。利用X射线激发样品上的原子，使之放射出带有存在的每种元素能量特征的X射线。测量这些射线的能量及强度，XRF能够探测浓度范围从PPM到100％的Na-U元素。通过使用适当的参考标准,XRF可以准确的量化样品的元素组成。
然而，在某些情况下，不仅需要知道金属样品的元素组成，还需要知道金属样品表面形貌，这就需要在测定金属样品元素组成的同时对金属样品表面形貌进行成像。现有技术中针对同时进行元素分析和成像的研究的技术还是一个值得研究的问题。
发明内容
为了能够同时实现金属样品表面成像及元素分析，本发明提供一种扫描式金属表面成像及成分分析装置，该装置利用X荧光技术检测金属表面元素成分的同时也可以对金属表面形貌进行成像，同时，利用激光测距仪给出X荧光探头距样品表面的距离，对含量分析结果进行修正，提高分析结果的精度。
本发明采用以下技术方案：
一种扫描式金属表面成像及成分分析装置，包括X光管、X荧光探头、准直器、位置灵敏型光电倍增管、探测器封装套、高压控制系统、放大器、信号读出系统、数据处理系统、计算机控制与数据显示系统、步进电机控制系统、远程登陆系统、激光测距仪、步进电机、样品台、屏蔽防护体；
X光管、X荧光探头、准直器、位置灵敏型光电倍增管、探测器封装套、激光测距仪均设置在屏蔽防护体内且位于样品台上方，激光测距仪、X光管、准直器下表面的中心位于同一平面，且三者中心轴相交于样品表面；X荧光探头、位置灵敏型光电倍增管设在准直器和探测器封装套构成的密闭空间内，准直器、X荧光探头、位置灵敏型光电倍增管依次连接；
位置灵敏型光电倍增管依次连接放大器、信号读出系统、数据处理系统、计算机控制与数据显示系统；激光测距仪连接数据处理系统；X光管依次连接高压控制系统、计算机控制与数据显示系统；步进电机设置在屏蔽防护体内且连接在样品台下方，步进电机依次连接步进电机控制系统、计算机控制与数据显示系统；计算机控制与数据显示系统与远程登陆系统通过电话线或者网线连接。
本发明利用X光管产生的X射线，照射到金属表面上，与金属表面的核素内壳层电子发生反应并形成空位，外层电子向内层电子跃迁并产生特征X射线，由于不同原子具有不同的电子结构，各电子轨道间的跃迁能级之差各不相同，因此这些特征X射线具有特定能量，可以反映和辨别不同元素；利用特殊的传感器，收集这些特征X射线的空间和能量信息，利用现代数学分析技术，就可对金属表面进行成分分析与成像。
其中，X光管用于产生入射X光；X荧光探头用于测量X荧光；准直器用于准直入射到X荧光探头的荧光；位置灵敏型光电倍增管用于测量X荧光的空间及能量信息并将光信号转换为电信号；激光测距仪用于测量探测器距样品表面的距离并用于金属表面元素含量的距离修正，提高测量精度；步进电机用于控制样品台的移动；探测器封装套用于X荧光探头、位置灵敏型光电倍增管的封装并尽可能阻挡散射的X射线进入探测器对探测结果造成影响。
作为本发明的进一步改进，X荧光探头和位置灵敏型光电倍增管之间涂有光学硅脂，以排除空气，减少闪烁光透过两种光介面时的损失。
作为本发明的进一步改进，屏蔽防护体设有样品更换通道。
作为本发明的进一步改进，所述的X荧光探头使用Lu1.8Y0.2SiO5:Ce晶体，其尺寸为Ф10×0.6cm。
作为本发明的进一步改进，所述的激光测距仪与样品台上的样品表面距离为1.3～1.7cm。
作为本发明的进一步改进，所述的X光管、X荧光探头与样品的表面法线夹角为67.5°。
作为本发明的进一步改进，所述的位置灵敏型光电倍增管选用Hamamatsu公司的光电倍增管R3292-02型号，其目在于可扩大探测器视野、提高探测效率和分辨率。
本发明具有以下有益效果：
1)、本发明是一种金属表面性质分析装置，不受金属种类、金属镀层的影响，可同时实现金属表面元素分析和金属表面形貌的成像。
2)、本发明利用激光测距仪测量探测器与金属表面的距离，用于对元素含量分析进行修正，提高金属表面元素的分析精度；
3)、本发明采用了反射式几何布置，X光管和X荧光探头、位置灵敏型光电倍增管、准直器、激光测距仪均位于样品台的上方，结构设计合理；
4)、本发明利用位置灵敏型光电倍增管来分辨X荧光的注入位置，从而实现金属表面成像；
5)、本发明利用步进电机带动样品台移用，从而实现金属表面的扫描成像，并利用X荧光探头测量金属表面元素产生的特征X射线，对金属表面元素进行定性定量分析。
附图说明
图1为本发明扫描式金属表面成像及成分分析装置的结构示意图。
图中各数字含义如下：1、X光管；2、X荧光探头；3、准直器；4、位置灵敏型光电倍增管；5、探测器封装套；6、高压控制系统；7、放大器；8、信号读出系统；9、数据处理系统；10、计算机控制与数据显示系统；11、步进电机控制系统；12、远程登陆系统；13、激光测距仪；14、步进电机；15、样品台；16、屏蔽防护体；17、样品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
参照图1，本发明扫描式金属表面成像及成分分析装置中，X光管1产生入射X射线，其能量由高压控制系统6确定；X光管1、X荧光探头2、准直器3、位置灵敏型光电倍增管4、探测器封装套5、激光测距仪13均设置在屏蔽防护体16内且位于样品台15上方。X光管1、X荧光探头2呈反射式布置，激光测距仪13设在样品17的正上方，X光管1和X荧光探头2分别对称设在激光测距仪13的两边，X光管1与样品17的表面法线夹角α为67.5°、X荧光探头2与样品17的表面法线夹角β为67.5°，X荧光探头2下表面中心、X光管1下表面中心与激光测距仪13下表面中心位于同一平面内，且三者中心轴相交于样品表面的某一点，该平面与样品表面的垂直距离为1.3～1.7cm。
准直器3、X荧光探头2、位置灵敏型光电倍增管4依次连接，X荧光探头2与位置灵敏型光电倍增管4之间涂有光学硅脂，X荧光探头2和位置灵敏型光电倍增管4设在探测器封装套5内部，准直器3连接在探测器封装套5外面。所述的准直器3放置于X荧光探头2与样品17之间，用来限制进入X荧光探头的射线的范围和方向并阻挡视野外的X射线进入X荧光探头2；X荧光探头2用于测量X荧光信息，位置灵敏型光电倍增管4用于测量入射X荧光的空间信息；探测器封装套5放置于探测器和光电倍增管外面，用于防止散射的X射线进入探测器对探测结果产生影响。
屏蔽防护体16上设置有样品更换通道，用于更换样品。X光管1产生的X射线照射到屏蔽防护体16中样品台15上的样品17，与样品17中的核素发生光电效应等，产生特征X射线，特征X射线通过准直器3后被X荧光探头2采集，由位置灵敏型光电倍增管4转换为电信号，位置灵敏型光电倍增管4通过电缆与放大器7连接，放大器7将信号放大成型后通过电缆输入信号读出系统8，信号读出系统8将采集到的位置和能量信息通过电缆输入数据处理系统9，同时激光测距仪13测量得到的信息通过电缆输入数据处理系统9，数据处理系统9利用现代数学分析技巧将位置、能量信息处理和修正后得到金属表面元素信息和金属表面图像，并将这些发送到计算机控制与数据显示系统10，计算机控制与数据显示系统10显示金属表面的元素信息和图像，同时控制高压控制系统6的电压和步进电机14的移动，计算机控制与数据显示系统10与远程登陆系统12通过电话线或网线连接，利用远程登陆系统定期进行远程维护和自检。
本发明与放置样品17的样品台15安装在一起。
本发明在具体实施时，X荧光探头2可从探测器晶体生产厂商处购买，如：Saint Gobain或上海硅酸研所，本实施例的X荧光探头使用Lu1.8Y0.2SiO5:Ce晶体，其尺寸为Ф10×0.6cm；位置灵敏型光电倍增管4直接购买，如Hamamatsu公司的产品，本实施例的的位置灵敏型光电倍增管选用Hamamatsu公司的光电倍增管R3292-02型号；X光管1直接购买，如GULMAY公司的产品；准直器3、信号读出系统8、数据处理系统9采用现有技术；高压控制系统6直接购买，如Glassman High Voltage公司的产品；放大器7自己开发也可购买，激光测距仪13直接购买，如上海倍吉电子科技有限公司的产品。
本发明的工作过程为：将样品17放置在样品台15上，X光管1、激光测距仪13、准直器3、X荧光探头2和位置灵敏型光电倍增管4均在样品台上方，步进电机14在样品台下方，启动X光管1产生X射线，X射线照射在样品17表面与其中的核素的内壳层电子发生光电效应形成空位，核素外壳层电子在退激发的过程中发出特征X射线，对于不同的核素这些特征X射线的能量是独一无二的，跟核素是一一对应的，这些特征X射线通过准直器3被X荧光探头2接收，X荧光探头2中产生的信号送入位置灵敏型光电倍增管4转换为电信号，这些信号经放大器7后进入信号读出系统8，信号读出系统8采集能量和空间信息后将其送入数据处理系统9，同时激光测距仪13测量信息也送入数据处理系统9，利用数学分析方法对这些信息进行解析，最后得到金属表面的元素信息和金属表面形貌的成像，这些元素信息和图像通过计算机控制与数据显示系统10显示和储存，同时计算机控制与数据显示系统10还可以控制高压控制系统6的电压和步进电机控制系统11，调节X光管1的电压改变入射X射线的能量，控制步进电机14的移动实现金属表面的扫描，计算机控制与数据显示系统10还可以将元素信息和图像传输到用户的管理系统中。
本发明可以在实现金属表面元素分析的同时，还可以对金属表面进行成像。扫描式金属表面成像及成分分析装置，利用X光管产生X射线照射金属表面上，入射X射线与金属表面中的核素发生反应，产生特征X射线，这些特征X射线具有特定的能量，可以反映和辨别金属表面中的不同元素；利用特殊的传感器，收集这些X射线的能量和空间信息，利用现代数学分析技术，根据这些特征X射线的能量和空间信息，就可以实现金属表面元素的测量，同时结合成像，进而实现表面成像。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种扫描式金属表面成像及成分分析装置，其特征在于，包括X光管（1）、X荧光探头（2）、准直器（3）、位置灵敏型光电倍增管（4）、探测器封装套（5）、高压控制系统（6）、放大器（7）、信号读出系统（8）、数据处理系统（9）、计算机控制与数据显示系统（10）、步进电机控制系统（11）、远程登陆系统（12）、激光测距仪（13）、步进电机（14）、样品台（15）、屏蔽防护体（16）；
X光管（1）、X荧光探头（2）、准直器（3）、位置灵敏型光电倍增管（4）、探测器封装套（5）、激光测距仪（13）均设置在屏蔽防护体（16）内且位于样品台（15）上方，激光测距仪（13）、X光管（1）、准直器（3）下表面的中心位于同一平面，且三者中心轴相交于样品表面；X荧光探头（2）、位置灵敏型光电倍增管（4）设在准直器（3）和探测器封装套（5）构成的密闭空间内，准直器（3）、X荧光探头（2）、位置灵敏型光电倍增管（4）依次连接；
位置灵敏型光电倍增管（4）依次连接放大器（7）、信号读出系统（8）、数据处理系统（9）、计算机控制与数据显示系统（10）；激光测距仪（13）连接数据处理系统（9）；X光管（1）依次连接高压控制系统（6）、计算机控制与数据显示系统（10）；步进电机（14）设置在屏蔽防护体（16）内且连接在样品台（15）下方，步进电机（14）依次连接步进电机控制系统（11）、计算机控制与数据显示系统（10）；计算机控制与数据显示系统（10）与远程登陆系统（12）通过电话线或者网线连接。
2.根据权利要求1所述的扫描式金属表面成像及成分分析装置，其特征在于，X荧光探头（2）和位置灵敏型光电倍增管（4）之间涂有光学硅脂。
3.根据权利要求1所述的扫描式金属表面成像及成分分析装置，其特征在于，所述X光管（1）、X荧光探头（2）与样品（15）的表面法线夹角为67.5°。
4.根据权利要求1所述的扫描式金属表面成像及成分分析装置，其特征在于，所述的激光测距仪（13）与样品台（15）上的样品（17）表面的距离为1.3~1.7cm。
5.根据权利要求1所述的扫描式金属表面成像及成分分析装置，其特征在于，所述的X荧光探头（2）使用Lu1.8Y0.2SiO5:Ce晶体，其尺寸为Ф10×0.6cm。
6.根据权利要求1所述的扫描式金属表面成像及成分分析装置，其特征在于，所述的位置灵敏型光电倍增管（4）采用Hamamatsu公司的光电倍增管R3292-02型号。
7.根据权利要求1所述的扫描式金属表面成像及成分分析装置，其特征在于，屏蔽防护体（16）设有样品更换通道。
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