CN110907484A - 一种三维共聚焦的微束x射线应力仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，包括：X射线源系统，X射线滤波片，毛细管X光会聚透镜，毛细管X光半透镜或平行束透镜，X射线探测器，五维样品台，测角仪，控制系统和计算机；其中，样品置于五维样品台上；所述X射线源系统，X射线滤波片和毛细管X光会聚透镜位于同一直线上并安装在所述测角仪一侧；所述毛细管X光半透镜或平行束透镜和X射线探测器位于同一直线上并安装在所述测角仪另一侧；所述X射线探测器与计算机电连接；所述控制系统分别与所述五维样品台，测角仪和计算机电连接。具备微区X射线应力分析能力，可以测量样品表面或内部一定深度处的应力或多层膜材料的内层膜应力，也能通过三维连续扫描探测应力的分布。

Description

一种三维共聚焦的微束X射线应力仪
技术领域
本发明涉及一种应用X射线衍射方法测量应力的技术，具体涉及一种基于毛细管X光透镜三维共聚焦的微束X射线应力仪。
背景技术
残余应力是指没有外力或外力矩作用，物体内部存在且自身保持平衡的内应力。一方面，残余应力可能对材料的强度或尺寸稳定性造成不良影响，是导致材料失效或使用寿命降低的主要原因之一；另一方面，为了改进材料的性能，有时又需要主动引入残余应力。因此，残余应力及其对材料影响的研究是材料科学、力学、建筑学等诸多研究领域的一个重要研究内容。
共聚焦X射线光谱分析技术是1993年俄罗斯科学家Gibson和Kumakhov提出的一种能够对样品进行三维无损分析的X射线光谱分析技术。共聚焦X射线光谱分析设备一般采用毛细管X光会聚透镜和毛细管X光半透镜或平行束透镜的组合。其中，毛细管X光会聚透镜有前后两个焦点，用于将前焦点处X射线源(X射线管等)发出的X射线束会聚成几十到几百μm大小的微焦斑；毛细管X光半透镜或平行束透镜存在一个前焦点，此前焦点与微焦斑重合时形成探测微元，毛细管X光半透镜或平行束透镜与X射线探测器组合使用，以将从探测微元探测到的X射线变成准平行的X射线束再进入X射线探测器。在上述过程中，只有处于探测微元区域内的样品待测点才能被分析到。基于共聚焦X射线光谱分析技术的此特征，该技术可运用于三维无损X射线应力分析。
应力仪是测定材料残余应力的专用仪器，其中X射线应力仪可以基于X射线衍射几何应用经典的sin2ψ法测量应力，这里的ψ是一系列衍射晶面法线与样品表面法线之间的夹角，除此之外，计算应力还需要待测晶面的2θ，以及待测材料的弹性模量E和泊松比v。由于微区的应力和应变状态常常决定着宏观材料的行为和性能，因此微区的残余应力测定显得尤为重要。常规的X射线应力仪在测量微区应力时，往往采用X射线准直器将X射线约束为微束X射线，再针对微区部分进行测量，但是由于准直器出口和试样待测点有一定的距离，即便使用直径0.1mm以内的准直管，X射线在样品上的照射区域直径也远大于0.1mm，同时，经过准直器的X射线强度也已经大大降低，无法提供良好的测量结果。
目前常规的X射线应力仪存在以下缺陷：(1)不能很好地实现微区X射线应力分析；(2)无法探测样品应力的二维分布；(3)不能进行样品内部一定深度处的微区应力和三维应力分析。
发明内容
基于现有技术的特点，本发明结合X射线衍射技术以及毛细管X光透镜技术，研发一种具备微区应力分析能力，能适应小样品或样品微区应力的分析，并且可以通过二维连续扫描探测应力的二维分布，也能进行样品内部一定深度处的微区应力和三维应力分析的微束X射线应力仪，可以用来分析多层膜或者其它具有多层结构的材料的内部应力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，包括：X射线源系统，X射线滤波片，毛细管X光会聚透镜，毛细管X光半透镜或平行束透镜，X射线探测器，测角仪，五维样品台，控制系统和计算机；其中，待测样品置于所述五维样品台上；所述X射线滤波片安装在所述X射线源系统和所述毛细管X光会聚透镜之间；所述X射线源系统和所述毛细管X光会聚透镜安装在所述测角仪一侧，所述毛细管X光会聚透镜将来自所述X射线源系统的X射线会聚成微束X射线，所述微束X射线的中心线与所述五维样品台表面的夹角为θ1；所述X射线探测器和毛细管X光半透镜或平行束透镜安装在所述测角仪另一侧，所述X射线探测器铍窗的中心线与所述毛细管X光半透镜或平行束透镜的轴线重合并与所述五维样品台表面的夹角为θ2；所述毛细管X光会聚透镜的后焦点与所述毛细管X光半透镜或平行束透镜的前焦点重合，构成探测微元，所述探测微元位于所述测角仪的圆心上，所述探测微元也位于样品的待测点处；所述X射线探测器与所述计算机电连接；所述控制系统分别与所述测角仪，所述五维样品台和所述计算机电连接。
进一步地，所述X射线源系统包括焦斑直径为30～100μm，功率为30～50W的微焦斑X射线管，配置温控装置和散热风扇或焦斑直径为1mm，功率为0.8～3kW的点光源X射线管，配置循环水冷却系统。
进一步地，所述X射线探测器选用SDD高计数的X射线能谱探测器。
进一步地，所述测角仪采用θ-θ结构，由高精度伺服电机或步进电机控制。
进一步地，所述测角仪轴上装配有编码器，以构成闭环反馈系统。
进一步地，五维样品台提供X、Y、Z三个相互垂直方向上的直线运动功能以及XOY平面内φ角度的转动功能和ZOS平面内ψ角度的转动功能。
进一步地，X射线经由所述毛细管X光会聚透镜会聚后照射在所述样品上的X射线束斑直径为0.05～0.8mm，所述样品的待测点到毛细管X光会聚透镜的距离为毛细管X光会聚透镜的后焦距。
进一步地，从样品待测点出射的发散X射线经由所述毛细管X光半透镜或平行束透镜会聚后再进入X射线探测器，所述样品的待测点到毛细管X光半透镜或平行束透镜的距离为毛细管X光半透镜或平行束透镜的前焦距。
本发明提供技术方案的有益效果是：
1.利用毛细管X光会聚透镜，提高照射样品待测点处的X射线强度；
2.能缩短测量时间，提高测量的精确度；
3.实现对样品表面微区的应力或样品表面应力的二维分布分析；
4.实现样品内部应力的深度分布或3D应力的扫描分析；
附图说明
图1是本发明结构的示意图。
图2是本发明测量应力的几何原理示意图。
主要附图标记说明：
1，X射线源系统；2，X射线滤波片；3，毛细管X光会聚透镜；4，毛细管X光半透镜或平行束透镜；5，X射线探测器；6，测角仪；7，五维样品台；8，控制系统；9，计算机；O是待测点；OX、OY、OZ坐标轴相互垂直，OZ是样品表面法线；OP是衍射晶面法线；OS是待测应力的方向，其沿着OP在XOY面上的投影方向；OL垂直于POS面。
具体实施方式
参见附图1，本发明提供了一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，包括X射线源系统1，X射线滤波片2，毛细管X光会聚透镜3，毛细管X光半透镜或平行束透镜4，X射线探测器5，测角仪6，五维样品台7，控制系统8和计算机9；其中，X射线源系统1由焦斑直径为30～100μm，功率为30～50W的微焦斑X射线管，配置温控装置和散热风扇或焦斑直径为1mm，功率为0.8～3kW的点光源X射线管，配置循环水冷却系统等构成；X射线经由毛细管X光会聚透镜3照射在样品上的X射线束斑直径为0.05～0.8mm，样品待测点到毛细管X光会聚透镜的距离为10～100mm；样品待测点到毛细管X光半透镜或平行束透镜4的距离为10～100mm；X射线探测器5采用SDD X射线能谱探测器，其中集成了电子学系统。高精度伺服电机或步进电机控制的测角仪6采用θ-θ结构，θ1与θ2两轴可以独立转动，也可以以一定的角度联动；五维样品台7提供X、Y、Z三个相互垂直方向上的直线运动功能以及XOY平面内φ角度的转动功能和ZOS平面内ψ角度的转动功能。
本发明采用如图1所示的解决方案，待测样品置于五维样品台7上，X射线源系统1发出的X射线被X射线滤波片2变成单色光，再经毛细管X光会聚透镜3会聚成微束X射线后照射在样品上，从样品衍射出来的X射线经过毛细管半透镜或平行束透镜4收集到X射线探测器5中，毛细管X光会聚透镜3的后焦点和毛细管半透镜或平行束透镜4的前焦点在X射线焦斑处重合形成探测微元，样品的表面或者内部只有处于探测微元位置的待测点才能被探测到，探测得到的信号经过X射线探测器5所集成的电子学系统处理后，显示并存储在计算机9中。可以根据需求用计算机9控制主要由PLC、伺服电机或步进电机及驱动器等设备构成的控制系统8，控制五维样品台7的XYZ轴，调节样品的待测点(样品表面的微区或样品内部一定深度处)位于探测微元处；控制五维样品台7的φ轴，具体角度取决于待测量应力的方向；控制测角仪6转动，改变照射样品的微束X射线的中心线与五维样品台7表面的夹角θ1，也可以改变X射线探测器5铍窗的中心线与五维样品台7表面的夹角θ2，控制五维样品台7的ψ轴，改变衍射晶面法线与样品表面法线之间的夹角ψ，实验测得2θ与sin2ψ关系，结合弹性模量E和泊松比v，实现对样品待测点φ方向上应力的测量。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，其特征在于，所述应力仪包括：X射线源系统(1)，X射线滤波片(2)，毛细管X光会聚透镜(3)，毛细管X光半透镜或平行束透镜(4)，X射线探测器(5)，测角仪(6)，五维样品台(7)，控制系统(8)和计算机(9)；其中，待测样品置于所述五维样品台(7)上；所述X射线滤波片(2)安装在所述X射线源系统(1)和所述毛细管X光会聚透镜(3)之间；所述X射线源系统(1)和所述毛细管X光会聚透镜(2)安装在所述测角仪(6)一侧，所述毛细管X光会聚透镜(3)将来自所述X射线源系统(1)的X射线会聚成微束X射线，所述微束X射线的中心线与所述五维样品台(7)表面的夹角为θ1；所述X射线探测器(5)和毛细管X光半透镜或平行束透镜(4)安装在所述测角仪(6)另一侧，所述X射线探测器(5)铍窗的中心线与所述毛细管X光半透镜或平行束透镜(4)的轴线重合并与所述五维样品台(7)表面的夹角为θ2；所述毛细管X光会聚透镜(3)的后焦点与所述毛细管X光半透镜或平行束透镜(4)的前焦点重合，构成探测微元，所述探测微元位于所述测角仪(6)的圆心上，所述探测微元也位于样品的待测点处；所述X射线探测器(5)与所述计算机(9)电连接；所述控制系统(8)分别与所述测角仪(6)，所述五维样品台(7)和所述计算机(9)电连接。
2.如权利要求1所述的一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，其特征在于，所述X射线源系统(1)包括焦斑直径为30～100μm，功率为30～50W的微焦斑X射线管，配置温控装置和散热风扇或焦斑直径为1mm，功率为0.8～3kW的点光源X射线管，配置循环水冷却系统。
3.如权利要求1所述的一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，其特征在于，所述X射线探测器(5)选用SDD高计数的X射线能谱探测器。
4.如权利要求1所述的一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，其特征在于，所述测角仪(6)采用θ-θ结构，由高精度伺服电机或步进电机控制。
5.如权利要求1所述的一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，其特征在于，所述测角仪(6)轴上装配有编码器，以构成闭环反馈系统。
6.如权利要求1所述的一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，其特征在于，所述五维样品台(7)提供X、Y、Z三个相互垂直方向上的直线运动功能以及XOY平面内φ角度的转动功能和ZOS平面内ψ角度的转动功能。
7.如权利要求1所述的一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，其特征在于，X射线经由所述毛细管X光会聚透镜(3)会聚后照射在所述样品上的X射线束斑直径为0.05～0.8mm，所述样品的待测点到毛细管X光会聚透镜(3)的距离为毛细管X光会聚透镜(3)的后焦距。
8.如权利要求1所述的一种三维共聚焦的微束X射线应力仪，其特征在于，从样品待测点出射的发散X射线经由所述毛细管X光半透镜或平行束透镜(4)会聚后再进入X射线探测器(5)，所述样品的待测点到毛细管X光半透镜或平行束透镜(4)的距离为毛细管X光半透镜或平行束透镜(4)的前焦距。
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