CN111426711A - 双源能量分辨式x射线衍射分析与断层成像耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，包括第一X射线源、第一准直器、第二X射线源、样品运动评台、第一探测器、第二准直器、第二探测器和计算机控制系统。本发明通过合理的结构及流程设计，将X射线衍射分析技术与计算机断层成像技术相结合，并利用硬件结构和信息数据耦合的方式，在一套装置上同时实现了衍射分析与计算机断层成像的功能，如此不仅拓展了现有技术的应用场景，更加灵活、全面地满足了实际应用的需求；而且通过上述方式，本发明能够实现材料内部夹杂物或第二相的原位物相分析以及颗粒相的分布均匀性检测，进而解决均匀物质中的夹杂物原位物相分析及多相材料中特定区域的物相分析等检测难题。
Description
技术领域
本发明属于材料工程测试技术领域，特别涉及一种用于对金属材料或土木工程材料内部夹杂物原位物相分析的装置，更具体地说是一种双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置。
背景技术
利用材料物相分析可以鉴定待测样品由哪些物相组成，它所指示出的通常是物相而不是元素，更侧重于元素间的化合状态和聚集状态结构的分析。而相同元素组成的化合物，如果其元素聚集态不同，则属于不同的物相。在金属材料及热处理领域中，很多问题都会涉及到材料测试，例如：钢铁中的碳化物、夹杂物，合金中的析出相，化学热处理层的物相分析等等。
目前应用最为广泛的物相分析方法为多晶X射线衍射分析法，又被称为粉末X射线衍射分析法。该方法把待测样品制备成颗粒细小的粉末，然后采用一定波长的X射线照射，记录对应的衍射花样，并通过数据库检索出与其唯一匹配的晶体物质，从而实现物相分析。然而，该方法需要对待测样品进行切割和研磨，本质上是一种有损的检测方法，对于超精密产品、古董等极其稀有或贵重的样件来说，这样的检测方法是不可接受的；另外，在一些特殊情况下，人们通常更关心样件内部特定条件下的材料物相状态，此时粉末X射线衍射分析法的应用也会受到极大的限制，并不能满足实际的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，可用来满足材料测试中原位物相分析的检测需求，特别是解决均匀物质中的夹杂物原位物相分析及多相材料中特定区域的物相分析等检测难题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，包括第一X射线源、第一准直器、第二X射线源、样品运动评台、第一探测器、第二准直器、第二探测器和计算机控制系统；
所述第二X射线源和第二探测器的中心位于同一轴线位置；
所述第一X射线源和第二X射线源位置相互垂直；
所述样品运动平台用于放置待测样品，并可带动待测样品做360°的转动，使得第二X射线源发射的X射线充分照射到待测样品上；
所述第二探测器用于待测样品转动时，间隔特定的角度采集待测样品的投影数据；
所述计算机控制系统用于对投影数据进行图像重建，确定夹杂物的位置；
所述第一探测器用于确定夹杂物位置后，在第一准直器和第二准直器延长线的交点位置处记录衍射信号的能量和强度，并最终由计算机控制系统处理衍射信号得到待测样品的材料物相信息。
所述第二准直器设置在第一探测器旁；所述第一准直器设置在第一X射线源旁；并且所述第一探测器的探测方向与第二X射线源的光束出射方向之间的夹角为锐角。
作为优选，所述第一X射线源和第二X射线源均为X射线管、激光等离子体光源、回旋加速器光源、直线加速器光源或同步辐射光源。
作为优选，所述第一准直器和第二准直器的数量均大于1。
作为优选，所述第一探测器和第二探测器均为点探测器、线阵探测器或面阵探测器。
进一步地，本发明还包括机械平台，所述第一X射线源、第二X射线源、第一探测器和第二探测器均安装在该机械平台上。
作为优选，所述机械平台为框架类型或板台类型。
作为优选，所述第二探测器每隔1°采集待测样品的投影数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过设置第一X射线源、第二X射线源、样品运动评台、第一探测器、第二探测器和计算机控制系统，在双射线源并发两束相互垂直的X射线的前提下，结合其它部件的位置、光束与探测方向夹角设计及各部件的作用，以双源能量分辨的方式，充分满足了材料物相检测和分析的需求。本发明所设计的检测手段，无需事先将待测样品切割和研磨，只需将其放置在样品运动平台上并做360°转动，然后探测器间隔采集样品的投影数据，确定夹杂物位置，最后记录衍射信息(信号的能量和强度)，即可通过计算机控制系统分析获得样品材料的物相信息。可以看出，本发明不仅结构设计及检测流程简单，而且其克服了相关技术难点，通过巧妙的硬件结构设计，结合信息数据的耦合，最终在一套装置上同时实现了X射线衍射分析与计算机断层成像的功能，有效提高了检测的效率；更重要的是，第一，本发明提供的是一种无损检测手段，可以满足超精密产品、古董等极其稀有或贵重样件的物相检测需求；第二，在无损检测基础上，利用X射线衍射与断层成像的结合，能够实现材料内部夹杂物或第二相的原位物相分析以及颗粒相的分布均匀性检测，从而获取样件内部在特定条件下的材料物相状态。因此，本发明很好地突破了现有技术的限制，将材料物相分析技术提升到了一个新的高度，完全符合当前金属材料及热处理领域的检测需求。
(2)本发明不仅结构设计巧妙，在一套装置上同时实现了X射线衍射分析与计算机断层成像的功能，而且整体结构简单，具有占地面积小的特点；同时，本发明采用了开放式的结构布置，具有很强的拓展特性，可根据不同需求进行二次开发；并且，本发明还兼顾了X射线衍射仪及计算机断层成像系统的功能，设备使用的综合成本低廉；因此，本发明可以适用于学校、科研机构及工厂等多个不同场所的实验室环境，非常有利于产品的大规模推广。
附图说明
图1为本发明去除计算机控制系统后的结构示意图。
图2为本发明-实施例中的夹杂物重建图像。
图3为本发明-实施例中记录的衍射信号的能量和强度示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-第一X射线源，2-第一准直器，3-第二X射线源，4-样品运动台，5-待测样品，6-第一探测器，7-第二准直器，8-第二探测器，9-机械平台。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
本发明提供了一种双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，可充分满足材料测试中原位物相分析的检测需求。如图1所示，本发明结构上，主要由包括第一X射线源1、第一准直器2、第二X射线源3、样品运动评台4、第一探测器6、第二准直器7、第二探测器8、机械平台9和计算机控制系统(图未示出)构成。所述的第一X射线源1、第二X射线源3、第一探测器6和第二探测器8均安装在机械平台9上(机械平台可以为卧式或立式，类型为框架类型或板台类型)。所述样品运动平台4用于放置待测样品，并可带动待测样品做360°的转动。所述第一X射线源1和第二X射线源3位置相互垂直。所述第二准直器7设置在第一探测器6旁；所述第一准直器2设置在第一X射线源1旁；并且第一探测器6的探测方向与第二X射线源3的光束出射方向之间的夹角为锐角。
上述零部件中，第一X射线源1和第二X射线源3均可以为X射线管、激光等离子体光源、回旋加速器光源、直线加速器光源或同步辐射光源。第一准直器2和第二准直器7的数量均可以根据实际需要设定多个。第一探测器6和第二探测器8可以为点探测器、线阵探测器或面阵探测器，具有分辨X射线能量的功能。
下面介绍本发明检测待测样品物相信息的流程，如下所述：
第一步：将待测样品5放置在样品运动平台4上；
第二步：将第二X射线源3、待测样品5和第二探测器8的中心调至同一轴线位置；
第三步：接通第二X射线源3的电源，通过样品运动平台4使待测样品5匀速转动360°，并通过第二探测器8每隔一定的角度(优选1°)采集投影数据；
第四步：利用计算机控制系统对第三步得到的数据进行图像重建，确定夹杂物的位置；重建图像如图2所示；
第五步：将夹杂物位置移动至第一准直器2和第二准直器7延长线的交点位置；
第六步：接通第一X射线源1的电源，并利用第一探测器6记录衍射信号的能量和强度；图3为本实施例记录的衍射信号的能量和强度示意图；
第七步：根据第六步测得的衍射信号，通过计算机控制系统检索其物相信息，即得到待测样品的材料物相信息。
本发明通过合理的结构及流程设计，将X射线衍射分析技术与计算机断层成像技术相结合，并利用硬件结构和信息数据耦合的方式，在一套装置上同时实现了衍射分析与计算机断层成像的功能，如此不仅拓展了现有技术的应用场景，更加灵活、全面地满足了实际应用的需求；而且通过上述方式，本发明能够实现材料内部夹杂物或第二相的原位物相分析以及颗粒相的分布均匀性检测，进而解决均匀物质中的夹杂物原位物相分析及多相材料中特定区域的物相分析等检测难题。因此，本发明很好地突破了现有技术的限制，实现了创新，其与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，其特征在于，包括第一X射线源(1)、第一准直器(2)、第二X射线源(3)、样品运动评台(4)、第一探测器(6)、第二准直器(7)、第二探测器(8)和计算机控制系统；
所述第二X射线源(3)和第二探测器(8)的中心位于同一轴线位置；
所述第一X射线源(1)和第二X射线源(3)位置相互垂直；
所述样品运动平台(4)用于放置待测样品，并可带动待测样品做360°的转动，使得第二X射线源(3)发射的X射线充分照射到待测样品上；
所述第二探测器(8)用于待测样品转动时，间隔特定的角度采集待测样品的投影数据；
所述计算机控制系统用于对投影数据进行图像冲减，确定夹杂物的位置；
所述第一探测器(6)用于确定夹杂物位置后，在第一准直器和第二准直器延长线的交点位置处记录衍射信号的能量和强度，并最终由计算机控制系统处理衍射信号得到待测样品的材料物相信息。
所述第二准直器(7)设置在第一探测器(6)旁；所述第一准直器(2)设置在第一X射线源(1)旁；并且所述第一探测器(6)的探测方向与第二X射线源(3)的光束出射方向之间的夹角为锐角。
2.根据权利要求1所述的双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，其特征在于，所述第一X射线源(1)和第二X射线源(3)均为X射线管、激光等离子体光源、回旋加速器光源、直线加速器光源或同步辐射光源。
3.根据权利要求1所述的双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，其特征在于，所述第一准直器(2)和第二准直器(7)的数量均大于1。
4.根据权利要求1所述的双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，其特征在于，所述第一探测器(6)和第二探测器(8)均为点探测器、线阵探测器或面阵探测器。
5.根据权利要求1～4任一项所述的双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，其特征在于，还包括机械平台(9)，所述第一X射线源(1)、第二X射线源(3)、第一探测器(6)和第二探测器(8)均安装在该机械平台(9)上。
6.根据权利要求5所述的双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，其特征在于，所述机械平台(9)为框架类型或板台类型。
7.根据权利要求1～6任一项所述的双源能量分辨式X射线衍射分析与断层成像耦合装置，其特征在于，所述第二探测器(8)每隔1°采集待测样品的投影数据。
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Application publication date: 20200717 |
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