DE3740614C1

DE3740614C1 - Verfahren und Vorrichtung zur beruehrungsfreien Messung mechanischer Spannungen an schnell bewegten Objekten mit kristalliner Struktur

Info

Publication number: DE3740614C1
Application number: DE19873740614
Authority: DE
Inventors: Thomas Wroblewski; Joerg Ihringer
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 1987-12-01
Filing date: 1987-12-01
Publication date: 1988-12-29
Also published as: WO1989005450A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Spannungen in Festkörpern können bestimmt werden, indem man die durch sie hervorgerufenen Änderungen im Kristallgefüge untersucht. Hierzu werden Röntgenreflexe als Funktion der Probenstellung und der auf die Probe wirkenden Spannungen vermessen. Man nennt dies Polyfigurenanalyse. Bisher konnten mit diesen Verfahren nur ruhende Proben untersucht werden, da eine Verschiebung der Probe zu einer Verschiebung des Reflexes führt. Dies führt dazu, daß der von der Probe oder dem zu untersuchenden Objekt "reflektierte" Röntgen- oder Korpuskularstrahl nicht mehr in den unter festem Ortswinkel angeordneten Detektor fällt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen die mechanischen Spannungen in sich schnell bewegenden Objekten berührungsfrei ermittelt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Aussgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens und

Fig. 2 eine Aufzeichnung zweier mit der Vorrichtung nach Fig. 1 ermittelter winkelabhängiger Strahlungsintensitäten.

Gemäß Fig. 1 wird eine zu untersuchende Probe oder ein Objekt S im Mittelpunkt eines Goniometer-Kreisbogens angeordnet, auf dem ein Gehäuse H um den Ort des Objekts S schwenkbar ist. In dem Gehäuse H sind ein Kollimator SC, ein Analysator-Kristall A und ein Detektor D angeordnet, die weiter unten näher beschrieben werden.

Von einer nicht dargestellten Strahlenquelle, die beispielsweise Röntgen-, Elektronen- oder Neutronenstrahlen aussendet, wird ein Strahl durch ein Spaltsystem SS über einen Doppelkristall-Monochromator DCM als monochromatische Strahlung auf das Objekt S gerichtet. Der Doppelkristall-Monochromator DCM dient dabei einmal zur Erzeugung einer monochromatischen Strahlung und zum anderen zur Erzeugung eines parallelversetzten Strahls, um das Objekt S etwa in Verlängerung des auf dem Spaltsystem SS austretenden Strahls anordnen zu können. Eine Ionisationskammer IC ist räumlich zwischen dem Doppelkristall-Monochromator DCM und dem Objekt S angeordnet, durch die der Strahl läuft und die zur Messung der Strahlintensität dient.

Der von der Probe S "reflektierte" Strahl tritt in das Gehäuse H ein und durchsetzt in einer Ausführung einen Soller-Kollimator SC, der parallel zur Beugungsebene angeordnete Folien aufweist, die sich in Strahlrichtung erstrecken. Der Soller-Kollimator SC dient dazu, die Divergenz der an der Probe gestreuten Strahlung senkrecht zur Beugungsebene zu begrenzen.

Der Analysator-Kristall A ist entweder ein Einkristallplättchen, eine Mosaikkristallplatte oder ein synthetischer Mehrschichtkristall "Multilayer", die in dem Gehäuse H spannungsfrei an einem schwenkbaren Träger angebracht ist. Dies ermöglicht eine Ausrichtung des Analysator-Kristalls sowohl in Richtung auf die Öffnung O des Gehäuses H, als auch in Richtung auf die Eintrittsachse des Detektors D. Der Detektor D ist im Gehäuse H ebenfalls zweckmäßigerweise derart ausrichtbar, so daß zwischen dem Analysator-Kristall A und dem Detektor D eine feste Winkelbeziehung herstellbar ist, die dem Glanzwinkel ϑ des verwendeten Analysator-Kristalls A für die am Monochromator eingestellte Wellenlänge entspricht. Als Analysator-Kristall kommt beispielsweise ein Silicium- oder Germanium-Mosaikkristall mit der Orientierung 111 und den Abmessungen 30×60 mm mit einer Dicke von etwa 6 mm in Frage.

Als Detektor D verwendet man beispielsweise übliche Szintilationszähler, es lassen sich jedoch auch beliebige für die verwendete Strahlung empfindliche Detektoren wie eine Ionisationskammer, ein Halbleiterdetektor oder ein Proportionalzählrohr einsetzen.

Arbeitsweise

Zuerst wird ein für die Untersuchung eines sich bewegenden Objekts S in Größe, Art und Form geeigneter Analysator- Kristall A ausgewählt und in dem Gehäuse H montiert. Der Bragg'sche Glanzwinkel ϑ ist für derartige Kristalle bekannt, so daß der Analysator unter dem Glanzwinkel ϑ in bezug auf den Detektor D justierbar ist. Die Justierung erfolgt dabei durch Drehen des Analysatorträgers um eine Achse, die senkrecht auf die Ebene des Goniometer-Kreisbogens und damit senkrecht auf die Zeichenebene steht. Anschließend wird das zu untersuchende Objekt an der Stelle S angeordnet. Hierauf kann das Spaltsystem SS geöffnet und das Objekt S mit monochromatischer Strahlung bestrahlt werden. Nun wird das Gehäuse H entlang dem nichtdargestellten Goniometer-Kreisbogen geschwenkt, wobei die in den Detektor fallende Strahlungsintensität als Funktion des Winkels 2R aufgezeichnet wird. Wenn Spannungen an dem zu untersuchenden Objekt S auftreten, dann verändert sich die Gitterstruktur und damit die Gitterkonstante des zu untersuchenden Objekts, was zu einer Veränderung des Netzebenenabstandes in dem zu untersuchenden Objekt führt. Dies verändert aber auch den "Reflexionswinkel", was man durch Änderung der Intensität des "reflektierten" Strahls erkennt.

Nimmt man, durch Schwenken des Gehäuses H auf dem Goniometer-Kreisbogen, ein Beugungsdiagramm (Intensität als Funktion des Winkels) des ruhenden Objekts und ein Beugungsdiagramm des bewegten Objekts auf, so kann man aus der Differenz der beiden Beugungsdiagramme die unter dem Einfluß von Spannungen erfolgende Veränderung der Gitterkonstanten α ermitteln, denn es gilt die Beziehung:

2d _MSin R _M = λ₀ .

Darin ist "d" der Netzebeneabstand, "R _M" der Beugungswinkel und "λ₀" die Wellenlänge des monochromatischen Strahls.

Ferner besteht zwischen dem Netzebenenabstand d und der Gitterkonstanten a die Beziehung:

worin h, k und l die Miller'schen Indices sind.

Fig. 2 zeigt die Kurven für die Vermessung des Rotors einer Turbopumpe, der aus Aluminium bestand. Dabei wurde der Aluminium-Reflex für die Indices 333 und 511 vermessen. Die Untersuchung erfolgte mit einem Röntgenstrahl der Energie von 8,63 keV mit einer Wellenlänge von 0,1437 nm. Der Röntgenstrahl traf auf die Wurzeln der Turbinenschaufeln. Bei laufender Turbine wurde gegenüber der ruhenden Turbine eine deutliche Verschiebung des Reflexes zu höheren Winkeln gemessen. Dies entspricht einer Verkleinerung der Gitterkonstanten aufgrund von Querkontraktionen senkrecht zu der durch die Fliehkraft gegebenen Zugrichtung. Die dargestellten Kurven stellen eine Mittelung über alle Schaufeln dar, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß auch stroboskopische Messungen möglich sind, so daß man mit hochgenauer Ortsauflösung messen kann. Die Genauigkeit des Verfahrens kann noch wesentlich dadurch erhöht werden, daß man zu kleineren Beugungswinkeln geht. Dabei wurden bereits Halbwertsbreiten von 0,01 Grad gemessen.

Ebenso kann die Genauigkeit des Verfahrens durch Verwendung anderer Monochromatoren und Analysatorkristalle bzw. Reflexe erhöht werden (z. B. Germanium 511-Orientierung).

Schließlich ist es in einer weiteren Ausführung auch möglich, anstelle des Analysator-Kristalls A einen Soller- Kollimator SC′ mit zur Strahlrichtung parallelen Folien, die jedoch senkrecht auf die Schwenkebene des Detektors D (und damit senkrecht auf die Zeichenebene) stehen, vor dem Detektor anzuordnen und gemeinsam mit dem Detektor D unter Beibehaltung der Ausrichtung zueinander auf dem Goniometer- Kreisbogen zu schwenken. Der Winkel zwischen der Mittellinie von Soller-Kollimator SC′ und Detektor D beträgt in diesem Fall 0°.

Claims

1. Verfahren zur berührungsfreien Messung mechanischer Spannungen an schnell bewegten Objekten mit kristalliner Struktur, bei dem ein monochromatischer Röntgen- oder Korpuskularstrahl auf ein zu untersuchendes Objekt (S) geleitet und von dessen Netzebenen in Richtung auf einen Detektor (D) abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl von einem Analysator-Kristall (A) in den Detektor (D) gelenkt wird; daß der Analysator-Kristall (A) und der Detektor (D) in einer festen Winkelbeziehung zueinander gehalten werden; und daß der Analysator-Kristall (A) zusammen mit dem Detektor (D) um das zu untersuchende Objekt (S) auf einem Goniometer-Kreisbogen geschwenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Analysator-Kristalls (A) ein Soller- Kollimator (SC′) zusammen mit dem Detektor (D) auf dem Goniometer-Kreisbogen geschwenkt wird, und daß man im Soller-Kollimator (SC) Folien einsetzt, die parallel zum Strahl und senkrecht zur Schwenkebene angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Analysator-Kristall (A) bezüglich der Einfallachse des Detektors (D) unter dem Bragg'schen Glanzwinkel (ϑ) ausrichtet und justiert.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Analysator-Kristall (A) oder ein Soller-Kollimator (SC′) und ein Detektor (D) in fester Winkelbeziehung zueinander einstellbar und gemeinsam um den Ort des zu untersuchenden Objekts (S) auf einem Goniometer-Kreisbogen schwenkbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Kollimator (SC) im Strahlengang vom Objekt (S) zum Analysator-Kristall (A) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Kollimator (SC) ebenfalls ein Soller- Kollimator ist, dessen Folien parallel zur Schwenkebene angeordnet sind.