DE3887880T2

DE3887880T2 - Verfahren und Vorrichtung zur gleichzeitigen Messung der Dicke und Zusammensetzung einer dünnen Schicht.

Info

Publication number: DE3887880T2
Application number: DE3887880T
Authority: DE
Inventors: Koichi C O Technica Hashiguchi; Junji C O Technical Res Kawabe
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1988-06-28
Filing date: 1988-10-28
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-10-29
Also published as: JPH0739987B2; AU603488B2; CA1320008C; EP0348574A3; EP0348574B1; JPH0210144A; KR900000685A; DE3887880D1; AU2447588A; EP0348574A2; KR940002509B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum gleichzeitigen Messen der Dicke und der Zusammensetzung eines Films, bei welchem die Dicke und die Zusammensetzung verschiedener Filme gleichzeitig und genau gemessen werden können, und auf eine Vorrichtung hierfür.
Verschiedene Filme liegen auf verschiedenen industriellen Gebieten vor. Bei Filmen gibt es Beispiele, in denen ein Film zum Zweck gebildet wird, um einem Material ausgezeichnete Eigenschaften zu verleihen, wie bei der Metallplattierung, und andere Beispiele, in denen ein Film spontan und unvermeidlich erzeugt wird. Als erstere Beispiele sind ein beschichteter Film, ein aufgesprühter Film, ein abgeschiedener Film und dgl. zusätzlich zu den verschiedenen Metallplattierungsarten bekannt, und als letztere Beispiele sind durch die Korrosion eines Metalls erzeugter Rost, eine während des Herstellungsverfahrens eines metallischen Materials gebildete Oxidschicht und dgl. bekannt.
In jedem Fall wurde besonders auf das Bedürfnis einer gleichzeitigen und genauen Messung der Dicke und der Zusammensetzung des Films hingewiesen. Beispielsweise ist es bei einem Stahlblech, das mit einer von verschiedenen Legierungen beschichtet ist, erwünscht, daß der Beschichtungsfilm ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit, Schweißeigenschaften, Haftung der Beschichtung und dgl. aufweist. Aus vielen Fallbeispielen ist ersichtlich, daß die oben erwähnten Charakteristiken eng mit der Zusammensetzung und der Dicke der Beschichtung verbunden sind. Daher besteht bei Produkten aus beschichteten Stahlblechen die dringende Notwendigkeit der Durchführung einer Verfahrenskontrolle auf derartige Weise, daß die Zusammensetzung und Dicke des Films rasch und genau gemessen werden und dann die ideale Zusammensetzung und die Dicke des Films aus den Meßwerten erhalten werden kann. Ferner ist es in bezug auf die seit einiger Zeit bestehende Tendenz, der Produktivität große Bedeutung beizumessen, äußerst wünschenswert, die Messung zerstörungsfrei und kontinuierlich durchzuführen.
Als Verfahren zum zerstörungsfreien und kontinuierlichen Messen der Dicke eines Films findet die Messung durch das Röntgenfluoreszenzverfahren verbreitet Verwendung. Dieses Verfahren wird derart durchgeführt, daß der Film mit einem charakteristischen Röntgenstrahl oder dgl. bestrahlt wird, wodurch von einem Element, das den Film bildet, die Röntgenfluoreszenzstrahlung erzeugt wird, so daß die Dicke des Films im Licht der vorher erforschten Beziehung zwischen der Intensität der Röntgenfluoreszenzstrahlung und der Dicke gemessen wird.
Andererseits wird als Verfahren zum zerstörungsfreien und kontinuierlichen Messen der Zusammensetzung eines Films die Messung durch das Röntgenbeugungsverfahren verbreitet verwendet. Dieses Verfahren wird derart durchgeführt, daß der Film mit dem charakteristischen Röntgenstrahl bestrahlt wird, wodurch der gebeugte Röntgenstrahl von einer oder mehreren kristallinen Substanzen, die im Film enthalten sind, erzeugt wird, so daß die Menge oder Mengen der kristallinen Substanz oder Substanzen im Licht der vorher erforschten Beziehung zwischen der Intensität des gebeugten Röntgenstrahls und den Mengen der kristallinen Substanz oder Substanzen gemessen wird bzw werden.
Beispielsweise wird in einer Fertigungsstraße eines wärmebehandelten galvanisierten Stahlblechs, in der ein Legierungsverfahren bei einem geschmolzenen Zn-galvanisierten Stahlblech verwendet wird, um eine Schicht einer Legierung zwischen Fe und Zn zu bilden, ein derartiges Verfahren verbreitet eingesetzt, wobei eine Dicke des Beschichtungsfilms oder ein Beschichtungsgewicht derart gemessen wird, daß der Beschichtungsfilm mit dem charakteristischen Röntgenstrahl bestrahlt wird, die Intensität des Kα-Strahls (des Röntgenfluoreszenzstrahls) vom im Beschichtungsfilm enthaltenen Zn gemessen wird und das Beschichtungsgewicht im Licht der vorher gesuchten Beziehung zwischen der Intensität des Zn-Kα-Strahls und dem Beschichtungsgewicht gemessen wird.
Andererseits ist es hinsichtlich der Zusammensetzung des Beschichtungsfilms, da die Charakteristiken des Beschichtungsfilms und der Fe-Gehalt im Beschichtungsfilm in enger Beziehung zueinander stehen, notwendig, den Fe-Gehalt im Beschichtungsfilm zu messen. Hierzu ist eine sogenannte Technik der Verwendung der Röntgenbeugung bekannt, bei welcher der Beschichtungsfilm mit dem charakteristischen Röntgenstrahl bestrahlt wird, um die Intensität des am Fe-Zn-Legierungskristall im Beschichtungsfilm gebeugten Röntgenstrahls zu messen, wie in den Japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen Nr.169553/1985, 99688/1986 und 148355/1986 geoffenbart ist.
Eine Vorrichtung zur Durchführung von Messungen von Fluoreszenz- und Beugungsröntgenstrahlen ist in der JP-6122241A geoffenbart.
Auf jeden Fall war es bisher üblich, die Zusammensetzung und die Dicke des Beschichtungsfilms durch zwei voneinander unabhängige Verfahren zu messen, welche das Röntgenfluoreszenzverfahren und das Röntgenbeugungsverfahren beinhalten.
Demgemäß werden die Zusammensetzung und Dicke des Beschichtungsfilms unabhängig voneinander durch unabhängige Meßköpfe, die Röntgenröhren für jedes der Verfahren halten und zu optischen Meßsystemen gehören, die voneinander unabhängig sind, oder durch vollständig voneinander getrennte Meßvorrichtungen gemessen.
Wenn die beiden Verfahren unabhängig voneinander durchgeführt werden, wie oben beschrieben, kommt es jedoch zu Problemen, beispielsweise dadurch, daß bei der Installation der Meßvorrichtungen ein großer Installationsraum erforderlich ist, was zu einer Einschränkung für die Installation anderer notwendiger Ausrüstung führt. Außerdem erhöhen sich die Kosten der Hauptkörper der Meßvorrichtungen, und gleichzeitig wird die Zusatzausrüstung für die Meßvorrichtungen teuer.
Ferner ist es von den Standpunkten der Verfahrenssteuerung und des Erzielens der Charakteristiken wichtig, die Dicke und die Zusammensetzung des Beschichtungsfilms gleichzeitig und an der gleichen Stelle zu messen.
Da die Meßköpfe voneinander getrennt sind, ist jedoch eine gleichzeitige Messung an der gleichen Stelle unmöglich, usw.
Ferner stellen die Meßwerte der Dicke und der Zusammensetzung des Films in dem Fall, in dem die Messung durch Röntgenstrahlungs-Meßverfahren gemessen wird, insofern wesentliche Probleme dar, als es viele Fälle gibt, in denen die Dicke durch die Zusammensetzung beeinflußt wird und umgekehrt die Zusammensetzung durch die Dicke beeintlußt wird. Die Erfinder haben gefunden, daß beispielsweise bei der Dicke des Beschichtungsfilms (Beschichtungsgewicht) eines wärmebehandelten galvanisierten Stahlblechs, wenn das Beschichtungsgewicht durch das Röntgenfluoreszenzverfahren gemessen wurde, der Meßfehler (Standardabweichung) im Beschichtungsgewicht bei 60 g/m² etwa = 2,6 g/m² betrug und die Standardabweichung bei einem Fe-Gehalt von 10 % = 0,6 % Fe betrug, also nicht unbedingt zufriedenstellende Ergebnisse erzielt wurden.
In der EP-0 108 447 ist eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen einer Beugung und spektrographischer Daten geoffenbart. Es wird jedoch nicht erwähnt, wie diese Vorrichtung auf das vorliegende Problem der Messung der Dicke und der Zusammensetzung dünner Filme wirksam angewendet werden könnte.
In der Japanischen Anmeldung Nr.61-259151(A) ist eine Einrichtung zum gleichzeitigen Messen des Haftens von Zink bei einer Probe und des Ausmaßes seiner Legierung mit Eisen geoffenbart, wobei gleichzeitig von einer Probe erzeugte Röntgenfluoreszenzstrahlen und an der Oberfläche einer Probe gebeugte Röntgenstrahlen detektiert werden.
Eine Röntgenröhre ist gegenüber der Oberfläche einer Zinkplattierten Stahlplatte mit einer flachen Oberfläche vorgesehen. Röntgenstrahlen mit einem geeigneten Diffusionswinkel fallen auf eine Probe unter einem relativ großen Einfallswinkel α von der Röntgenröhre durch einen Schlitz ein, und parallele Röntgenstrahlen fallen auf die Probe unter einem relativ kleinen Einfallswinkel β durch einen Solarschlitz ein. Einige der charakteristischen Zink-Röntgenstrahlen, die durch die auf die Probe einfallenden Strahlen erzeugt werden, werden durch einen Schlitz von einem Detektor detektiert. Parallele Röntgenstrahlen werden in einer spezifischen Richtung gebeugt, die durch das Intervall der Kristallgitterfläche einer Legierung aus Eisen und Zink an der Fläche der Probe und den Einfallswinkel β bestimmt ist, und die gebeugten Röntgenstrahlen werden durch den Solarschlitz von einem Detektor detekiert.
Der Anmelder hat in der Japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr.88128/1986 (EP-A-0 197 057) ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem ein zu messendes Objekt mit einem charakteristische Röntgenstrahl und einem weißen (kontinuierlichen) Röntgenstrahl bestrahlt wird, und ein Beugungswinkel zwischen dem an einer intermetallischen Verbindung eines Legierungsfilms gebeugten Röntgenstrahl und dem charakteristischen Röntgenstrahl detektiert wird, um die Zusammensetzung des Legierungsfilms aus der Messung des Beugungswinkels zu bestimmen, und die Intensität des durch den weißen Röntgenstrahl von einem Metall, das vom Substratmetall im Legierungsfilm verschieden ist, gebildeten Röntgenfluoreszenzstrahls detektiert wird, so daß gleichzeitig die Dicke des Legierungsfilms aus der Intensität des Röntgenfluoreszenzstrahls und die Zusammensetzung des Legierungsfilms bestimmt wird.
Da die Zusammensetzung des Legierungsfilms aus dem Beugungswinkel des an der intermetallischen Verbindung gebeugten Röntgenstrahls detektiert wird, ist es jedoch bei diesem Verfahren notwendig, den Beugungswinkel unter Bewegung eines Detektors zu detektieren, durch Verwendung eines Goniometers oder dgl. Daher ist ein bewegbarer Teil erforderlich, und außerdem ist das Vorsehen eines hochgenauen bewegbaren Teils, wie eines Goniometers, am zu messenden Objekt notwendig. Diese Anordnung muß nicht unbedingt besonders geeignet sein, wenn sie on-line vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Eliminierung der oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik entwickelt, und sie hat das Ziel, ein Verfahren zum gleichzeitigen Messen der Dicke und der Zusammensetzung, oder des Gehalts, eines Films und eine Vorrichtung hierfür vorzusehen, wobei die Dicke und die Zusammensetzung verschiedener Filme gleichzeitig an ein und derselben Stelle mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann, indem ein Meßkopf mit vereinfachter Konstruktion ohne einen bewegbaren Teil verwendet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum gleichzeitigen Messen der Dicke eines Films, der eine Beschichtung auf einem Substrat bildet, und der Zusammensetzung, d.h. des Gehalts an einem Element, das eine Komponente des Films bildet, vorgesehen,
wobei der genannte Film, der das Meßobjekt bildet, mit einem einzelnen Röntgenstrahlungsstrahl von einer einzigen Röntgenstrahlungsquelle bestrahlt wird, und
die Intensität der von einer kristallinen Substanz im genannten Film gebeugten Röntgenstrahlen und die Intensität der Röntgenfluoreszenzstrahlen vom genannten Element, welche Intensitäten aus einer Wechselwirkung des Röntgenstrahlungsstrahls mit dem genannten Film an einem einzigen Fleck an der Oberfläche des Films resultieren, jeweils gleichzeitig durch zumindest zwei Röntgenstrahlungs-Intensitätsdetektiereinrichtungen, die entsprechende Einrichtungen für jede Intensitätsmessung enthalten, detektiert werden, und es ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und die Zusammensetzung des genannten Films am genannten Fleck gleichzeitig durch eine Berechnung, um die detektierten Intensitätswerte des gebeugten Röntgenstrahls und der Röntgenfluoreszenzstrahlen sowohl bei der Bestimmung der Dicke als auch bei der Bestimmung der Zusammensetzung zu kombinieren, bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen der Dicke eines Films, der eine Beschichtung auf einem Substrat bildet, und der Zusammensetzung, d.h. des Gehalts an einem Element, das eine Komponente des Films bildet, vorgesehen, welche Vorrichtung
eine einzige Röntgenstrahlungsquelle, die angeordnet ist, um mit einem einzelnen Röntgenstrahlungsstrahl einen Fleck an der Oberfläche des genannten Films zu bestrahlen,
einen ersten Röntgenstrahlungs-Intensitätsdetektor, der angeordnet ist, um die Intensität der am genannten Fleck als Folge der Bestrahlung durch den genannten einzelnen Strahl gebeugten Röntgenstrahlen zu detektieren, und
einen zweiten Röntgenstrahlungs-Intensitätsdetektor, der angeordnet ist, um, gleichzeitig mit der Detektion der gebeugten Röntgenstrahlen durch den ersten Detektor, die Intensität der vom genannten Fleck vom genannten Element als Folge der Bestrahlung durch den genannten einzelnen Strahl emittierten Röntgenfluoreszenzstrahlen zu detektieren, aufweist,
und es ist diese Vorrichtung gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die eingerichtet ist, um gleichzeitig die Dicke und die Zusammensetzung des genannten Films am genannten Fleck durch eine Berechnung zum Kombinieren der detektierten Intensitätswerte des gebeugten Röntgenstrahls und der Röntgenfluoreszenzstrahlen sowohl bei der Bestimmung der Dicke als auch bei der Bestimmung der Zusammensetzung zu bestimmen.
Um ein Verfahren zu erhalten, das zwei Faktoren, welche die Dicke und die Zusammensetzung eines Films beinhalten, kontinuierlich und zerstörungsfrei gleichzeitig an der gleichen Stelle so leicht wie möglich messen kann, haben die Erfinder wiederholte empirische Versuche durchgeführt, mit dem Ergebnis, daß die Erfinder folgendes gefunden haben.
(1) Zum Zweck der quantitativen Erfassung der Zusammensetzung des Beschichtungsfilms eines wärmebehandelten galvanisierten Stahlblechs, wobei unter Verwendung einer Röntgenbeugungsvorrichtung mit einer Röntgenröhre mit relativ hoher Leistung (Cr-Target: 3 kW) die Intensität des gebeugten Röntgenstrahls gemessen wurde, wurde eine Impulshöhenverteilungskurve detailliert untersucht, um eine geeignete Fensterbreite für die Impulshöhe zu ermitteln, die als Meßgröße einzuführen ist. Zu diesem Zeitpunkt wurde der gebeugte Röntgenstrahl (charakteristischer Röntgenstrahl: Cr-Kα-Strahl) für jede Kristallgitterebene einiger Typen von im Beschichtungsfilm enthaltenen Fe-Zn- Legierungskristallen als im Bereich einer spezifischen Impulshöhe liegend erkannt, und ähnlich wurde auch die Bildung des Zn- Kα-Strahls (Röntgenfluoreszenzstrahls) ermittelt. Wenn eine geeignete Fensterbreite für diesen Zn-Kα-Strahl ausgewählt wurde und die Beziehung zwischen der Dicke des Beschichtungsfilms (Beschichtungsgewicht) und der Intensität des Zn-Kα-Strahls untersucht wurde, fanden die Erfinder, daß zwischen diesen eine enge Beziehung vorlag.
(2) Wenn die Intensität des gebeugten Röntgenstrahls der im Beschichtungsfilm enthaltenen kristallinen Substanz und die Intensität des Röntgenfluoreszenzstrahls des Elements, das den Beschichtungsfilm bildet, auf ähnliche Weise für andere Beschichtungsfilme unter Verwendung verschiedener Typen von Röntgenröhren mit unterschiedlichen Targets (Target: Cu, Fe, Cr, Co, Mo oder W) untersucht wurde, fanden die Erfinder, daß enge Beziehungen zwischen den Intensitäten der betreffenden Röntgenstrahlung und der Zusammensetzung und der Dicke bestanden. Wenn die oben beschriebenen Messungen durchgeführt wurden, wurden außerdem in geeigneter Weise Kβ-Filter aus Ni, V, Mn, Fe oder dgl. entsprechend den Target-Typen und den die Meßobjekte bildenden Elementen, die im Beschichtungsfilm enthalten waren, verwendet.
(3) Die Erfinder haben gefunden, daß der Meßwert der Intensität des gebeugten Röntgenstrahls gemäß dem Röntgenbeugungsverfahren und der Meßwert der Intensität des Röntgenfluoreszenzstrahls gemäß dem Röntgenfluoreszenzverfahren unter bloßer Verwendung der einen Röntgenrröhre im einzigen Meßkopf (in einer Meßvorrichtung), wie oben beschrieben, erhalten werden können.
(4) Ferner fanden die Erfinder, daß die folgenden technischen Vorteile durch gleichzeitiges Durchführen der Messungen gemäß beiden Verfahren an der gleichen Stelle erhalten wurden. Im einzelnen wurde die Intensität des gebeugten Röntgenstrahls beim Röntgenbeugungsverfahren durch die Dicke des Films beeinflußt. Andererseits wurde die Intensität des Röntgenfluoreszenzstrahls beim Röntgenfluoreszenzverfahren häufig durch die Zusammensetzung des Films beeinflußt. Wenn beispielsweise der Fe-Gehalt (Zusammensetzung) und das Beschichtungsgewicht (Dicke) des Beschichtungsfilms eines wärmebehandelten galvanisierten Stahlblechs gemessen wurden, konnten, auch wenn die absoluten Werte der Fe-Zn-Legierungsschichten bei zwei Platten gleich waren, gleiche Werte der Intensitäten der gebeugten Röntgenstrahlen nicht erhalten werden, wenn die Beschichtungsgewichte bei den beiden Blechen unterschiedliche Werte aufwiesen. Andererseits konnten, auch wenn die Beschichtungsgewichte bei beiden Blechen untereinander gleich waren, dennoch keine gleichen Intensitäten der Röntgenfluoreszenzstrahlen erhalten werden, wenn die Fe-Dichten nicht gleich waren. Im einzelnen konnten die wahren Werte nicht erhalten werden, bis gegenseitige Korrekturen vorgenommen wurden. Um die wahren Werte zu erhalten, war es demgemäß notwendig, die mit beiden Verfahren erhaltenen Meßwerte gegenseitig zu korrigieren. Die Erfinder haben gefunden, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Messungen nach dem Röntgenbeugungsverfahren und nach dem Röntgenfluoreszenzverfahren gleichzeitig an der gleichen Stelle durchgeführt werden können, wodurch die gegenseitigen Korrekturen leicht vorzunehmen sind, so daß sich durch Wiederholen der gegenseitigen Korrekturen die Meßwerte des Fe-Gehalts und des Beschichtungsgewichts den wahren Werten näherten.
Die vorliegende Erfindung basiert auf den vorstehend erörterten Kenntnissen, und es wird gemäß der vorliegenden Erfindung der das zu messende Objekt bildende Film mit einer Röntgenquelle bestrahlt, um gleichzeitig die Intensität des durch die kristalline Substanz im Film gebeugten Röntgenstrahls und die Intensität des Röntgenfluoreszenzstrahls vom Element, das den Film bildet, durch zumindest zwei Röntgenstrahlungs-Intensitätsdetektiereinrichtungen zu detektieren. Darauf werden die Dicke und die Zusammensetzung an der gleichen Stelle gleichzeitig aus den detektierten Werten bestimmt. Demgemäß können Informationen nach dem Röntgenfluoreszenzverfahren und Informationen nach dem Röntgenbeugungsverfahren gleichzeitig an der gleichen Stelle erhalten werden, so daß die Dicke und Zusammensetzungen der verschiedenen Film-Typen gleichzeitig mit hoher Genauigkeit gemessen werden können.
Ferner kann die oben beschriebene Messung unter Verwendung eines Meßkopfs vom integrierten Typ mit einer vereinfachten Konstruktion ohne einen bewegbaren Teil vorgenommen werden, so daß der Mechanismus einfach und die Zuverlässigkeit hoch ist, und außerdem genügt eine Meßvorrichtung (Meßkopf) anstelle der beiden Meßvorrichtungen, die bisher erforderlich waren, wodurch der notwendige Installationsraum minimiert wird. Außerdem können die Kosten der Meßvorrichtung einschließlich der Hilfsausrüstung reduziert werden.
Weiters können die Dicke und die Zusammensetzung gleichzeitig an der gleichen Stelle gemessen werden, so daß die Meßwerte der Dicke und der Zusammensetzung gegenseitig korrigiert werden können, wodurch die Meßgenauigkeit beider verbessert wird.
Außerdem wird das Röntgenstrahlungs-Meßverfahren verwendet, so daß eine zerstörungsfreie und kontinuierliche Messung durchgeführt werden kann, und die Messung kann bei der Qualitätskontrolle und der Kontrolle der Herstellungsbedingungen für verschiedene metallbeschichtete Stahlbänder, farbbeschichtete Stahlbänder und dgl. eingesetzt werden.
Wegen der oben beschriebenen charakteristischen Merkmale sind die industriellen Vorteile, welche die vorliegende Erfindung mit sich bringt, hoch.
Es wird gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Dicke durch das Röntgenfluoreszenzverfahren gemessen, so daß jeder Typ eines den Film bildenden Elements hauptsächlich nur dann erfaßt werden kann, wenn es bei Bestrahlung durch den charakteristischen Röntgenstrahl eine Röntgenstrahlungsfluoreszenz erzeugt. Außerdem wird die Zusammensetzung durch das Röntgenbeugungsverfahren gemessen, so daß jeder Typ einer den Film bildenden kristallinen Substanz nur dann erfaßt werden kann, wenn sie bei der Bestrahlung mit dem charakteristischen Röntgenstrahl die Beugungserscheinung zeigt.
Kurz es ist wichtig, den Typ und die Leistung der Röntgenstrahlungsquelle entsprechend der Dicke und der Zusammensetzung des Films zu wählen und ferner geeignete Filter zu wählen sowie geeignete Detektoren zu verwenden, um die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung zu verbessern. Gleichzeitig ist es, wie die bisherigen Forschungen ergeben haben, bei der Messung der Zusammensetzung und der Dicke grundsätzlich wichtig, die Auswahl der kristallinen Substanz des Films als zu messendes Objekt, ihrer Beugungsebene und der den Film bildenden Elemente sowie die Auswahl der Typen des Röntgenfluoreszenzstrahls (K-Serie, L-Serie und weiters α-Strahl oder β-Strahl) genau zu prüfen.
Bei der Durchführung ist der tatsächliche physikalische Meßwert nicht die Dicke, sondern das Beschichtungsgewicht. Da das spezifische Gewicht des Films nahezu konstant ist, ist die Dicke jedoch leicht abzuleiten.
Die genaue Natur dieser Erfindung sowie andere Ziele und Vorteile derselben gehen leicht aus der als beispielsweise Darstellung anzusehenden folgenden Beschreibung, die sich auf die beigeschlossenen Zeichnungen bezieht, hervor, in denen gleiche Bezugszahlen in allen Figuren gleiche oder ähnliche Gegenstände bezeichnen und in denen:
Fig.1 eine teilweise ein Blockdiagramm einschließende Schnittansicht ist, die eine Ausführungsform der Meßvorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig.2 eine Schnittansicht ist, die einen Zustand zeigt, in dem der gebeugte Röntgenstrahl in der obigen Ausführungsform detektiert wird;
Fig.3 ein Blockdiagramm ist, das die Grundanordnung zum Detektieren des gebeugten Röntgenstrahls in der obigen Ausführungsform zeigt;
Fig.4 eine graphische Darstellung ist, die ein Beispiel der Beziehung zwischen der Impulshöhe und den entsprechenden Detektionsraten des charakteristischen Röntgenstrahls (gebeugten Röntgenstrahls) und des Röntgenfluoreszenzstrahls zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig.5 eine graphische Darstellung ist, welche die gegenseitige Beziehung zwischen dem chemisch analysierten Wert des Beschichtungsgewichts und dem Meßwert gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung der vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig.6 eine graphische Darstellung ist, welche die gegenseitige Beziehung zwischen dem chemisch analysierten Wert des Fe-Gehalts und dem Meßwert gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend detailliert mit Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben.
Fig.1 zeigt die allgemeine Anordnung der Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
In dieser Ausführungsform ist ein Meßkopf 10 vom integrierten Typ mit einer Röntgenröhre 12 und zumindest zwei Röntgenstrahldetektoren versehen (in dieser Ausführungsform werden vier Detektoren 14A, 14B, 14C und 14D verwendet).
Beispielsweise detektiert der Detektor 14A die Intensität des Röntgenfluoreszenzstrahls. Der Detektor 14C, der in einer Richtung eines Beugungswinkels entsprechend der Bragg-Formel vorgesehen ist, detektiert die Intensität des gebeugten Röntgenstrahls. Die Detektoren 14B und 14D, zwischen denen der Detektor 14C angeordnet ist, detektieren die Intensität des Hintergrunds. Als diese Detektoren 14A bis 14D können Allzweck-Detektoren, wie beispielsweise ein Proportionalzählrohr und ein Szintillationszählrohr, verwendet werden.
Ausgänge von den entsprechenden Detektoren 14A bis 14D werden in Impulshöhenanalysatoren 20A, 20B, 20C und 20D über Vorverstärker 16A, 16B, 16C und 16D und Hauptverstärker 18A, 18B, 18G und 18D eingegeben.
Ausgänge von den entsprechenden Impulshöhenanalysatoren 20A bis 20D werden durch Impulsfrequenzmesser 22A, 22B, 22C und 22D gezählt und danach in einen Recorder 24 eingegeben.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
Das Konzept der Analyse der kristallinen Substanz mit dem Röntgenbeugungsverfahren besteht darin, daß, wie in Fig.2 gezeigt, wenn der das Meßobjekt bildende Film 8 mit dem charakteristischen Röntgenstrahl 13, der aus einem Fenster der einen Röntgenröhre 12 kommt, bestrahlt wird, der an der im Film 8 enthaltenen kristallinen Substanz gebeugte Röntgenstrahl in der Richtung eines Beugungswinkels 20 entsprechend der Bragg-Formel erhalten wird. Dieser gebeugte Röntgenstrahl wird vom Detektor 14C detektiert, über den Weg Vorverstärker 16C - Hauptverstärker 18 C - Impulshöhenanalysator 20C - Impulsfrequenzmesser 22 C geführt, wie in Fig.3 gezeigt, im Recorder 24 aufgezeichnet und durch einen Drucker oder dgl. ausgegeben.
Wenn, wie in Fig.3 dargestellt, der in den Detektor 14C eintretende Röntgenstrahl durch den Impulshöhenanalysator 20C hinsichtlich der Impulshöhe analysiert wird, können der kontinuierliche Röntgenstrahl und der Röntgenfluoreszenzstrahl zusätzlich zum vom Film 8 gebeugten charakteristischen Röntgenstrahl erfaßt werden. Gemäß dem Röntgenbeugungsverfahren ist das links in Fig.4 gezeigte Fenster am Impulshöhenanalysator 20C eingestellt, und es wird nur der charakteristische Röntgenstrahl (gebeugte Röntgenstrahl) elektronisch diskriminiert, wodurch der charakteristische Wert des gebeugten Röntgenstrahls unter Verwendung der in Fig.3 gezeigten Vorrichtung erhalten wird. In diesem Fall wird, wie in Fig.4 gezeigt, wenn die Impulshöhe des Röntgenfluoreszenzstrahls die Impulshöhe des charakteristischen Röntgenstrahls nicht überlappt, und wenn der Röntgenfluoreszenzstrahl durch ein Element erzeugt wird, das zur Messung der Dicke des Films dient, das links in Fig.4 gezeigte Fenster ähnlich wie oben auf dem Impulshöhenanalysator 20A eingestellt, und wird der Röntgenfluoreszenzstrahl elektronisch dlskriminiert, wodurch gemäß dem Prinzip des Röntgenfluoreszenzverfahrens vom Nicht- Dispersionstyp die Intensität des Röntgenfluoreszenzstrahls, welche durch die Schaltung erhalten wird, die den Vorverstärker 16A - den Hauptverstärker 18A - den Impulshöhenanalysator 20A und den Impulsfrequenzmesser 22A enthält und ähnlich der in Fig.3 gezeigten ist, zur Messung der Dicke (Beschichtungsgewicht) verwendet werden kann.
Nun kann im Gegensatz zum gebeugten Röntgenstrahl der Röntgenfluoreszenzstrahl an nahezu allen zweidimensional liegenden Stellen detektiert werden, wenn nur der Detektor 14A an der Seite der Röntgenröhre 12 in bezug auf die Filmfläche angeordnet ist, so daß es nicht notwendig ist, den Detektor 14A für den Röntgenfluoreszenzstrahl in einer spezifischen Distanz und in einer spezifischen Ausrichtung zu installieren. Demgemäß können, wie in der Ausführungsform gezeigt, die Detektoren (14B bis 14D) zur Messung des gebeugten Röntgenstrahls und der Detektor (14A) zur Messung des Röntgenfluoreszenzstrahls getrennt voneinander vorgesehen werden.
Der Beschichtungsfilm des wärmebehandelten galvanisierten Stahlblechs, das Beschichtungsgewicht des Beschichtungsfilms und der mittlere Fe-Gehalt im Beschichtungsfilm variieren unabhängig voneinander. Diese Beschichtungsgewichte und der mittlere Fe- Gehalt werden durch die Meßvorrichtung mit einem Meßkopf 10 gemessen, der eine Röntgenröhre mit dem Cr-Target (breiter Fokustyp: 3 kW) als Röntgenröhre 12 und vier Proportionalzählrohre mit abgeschlossener Gasfüllung als Detektoren 14A bis 14D enthält. Als in bezug auf das Beschichtungsgewicht zu messende Größe wurde die Intensität der Röntgenfluoreszenzstrahlung des Zn-Kα-Strahls vom Detektor 14A detektiert, während als in bezug auf den mittleren Fe-Gehalt zu messende Größe die Intensität des an einer intermetallischen Fe-Zn-Verbindung (der Gitterebenenzwischenraum beträgt etwa 1,22 Å) im Beschichtungsfilm gebeugten Röntgenstrahls vom Detektor 14C gemessen wurde. In diesem Fall wurde die Intensität des Hintergrunds (Cr-Kx-Strahl) durch die Detektoren 14B und 14D gemessen, zwischen denen der Detektor 14C angeordnet ist, und die vom Detektor 14C gemessene Intensität des gebeugten Röntgenstrahls wurde hinsichtlich des Hintergrunds korrigiert. Außerdem wurde das Fenster des Impulshöhenanalysators 20A auf eine Fensterbreite zentriert um die mittlere Impulshöhe des Zn-Kα-Strahls eingestellt, während das Fenster der Impulshöhenanalysatoren 20B bis 20D auf eine Fensterbreite zentriert um die mittlere Impulshöhe des Cr-Kα-Strahls eingestellt wurde.
Ein Meßwert If der Intensität des Röntgenfluoreszenzstrahls auf Basis eines Ausgangs vom Impulshöhenanalysator 20A und ein Meßwert Id der Intensität des gebeugten Röntgenstrahls nach der Hintergrund-Korrektur wurden in vorherbestimmte analytische Kurven (vom rekursiven Typ) des Beschichtungsgewichts und des Fe-Gehalts eingesetzt, wodurch das Beschichtungsgewicht bzw. der Fe-Gehalt von einem Computer berechnet wurden. Die Berechnung durch den Computer basierte auf den folgenden Ausdrücken (1) und (2), und sie wurde in Übereinstimmung mit einem Programm zur gegenseitigen Korrektur des Beschichtungsgewichts und des Fe- Gehalts durchgeführt.
Ci = F&sub1; (Id, Wi-1) .....(1)
Wi = F&sub2; (If, Ci-1) .....(2),
worin Ci und Ci-1 die Fe-Gehalte Nr.i und i-1 sind, berechnet durch wiederholte Kalkulation, und Wi-1 und Wi die Beschichtungsgewichte Nr.i-1 und i sind, berechnet durch wiederholte Kalkulation.
Als Folge des vorhergehenden wurde gefunden, daß das Beschichtungsgewicht und der Fe-Gehalt des wärmebehandelten galvanisierten Stahlblechs gleichzeitig an der gleichen Stelle gemessen werden konnten. Ferner weisen, wie in Fig.5 und 6 gezeigt, die Meßwerte des Beschichtungsgewichts und des Fe-Gehalts nahezu keine Differenzen gegenüber den chemisch analysierten Werten auf, die jeweils als Standard dienen. Die Standardabweichungen bei einem Beschichtungsgewicht von 60 g/m² und bei einem Fe-Gehalt von 10 % betrugen 2,0 g/m² bzw. 0,5 % Fe, und es wurde festgestellt, daß die Ergebnisse genauer als die früher erzielten waren.
In der obigen Ausführungsform wurde die Röntgenröhre 12 als Röntgenstrahlungsquelle verwendet, der Typ der Röntgenstrahlungsquelle ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Ferner wird in der obigen Ausführungsform die vorliegende Erfindung bei der Messung des Beschichtungsgewichts des Beschichtungsfilms des wärmebehandelten galvanisierten Stahlblechs und des im Film enthaltenen mittleren Fe-Gehalts verwendet. Es ist jedoch klar, daß die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Meßobjekt beschränkt ist, und die vorliegende Erfindung bei der Messung anderer Filme, wie verschiedener metallbeschichteter Stahlbänder, farbbeschichteter Stahlbänder und dgl., auf ähnliche Weise wie oben eingesetzt werden kann.

Claims

1. Verfahren zum gleichzeitigen Messen der Dicke eines Films, der eine Beschichtung auf einem Substrat bildet, und der Zusammensetzung, d.h. des Gehalts an einem Element, das eine Komponente des Films bildet,

wobei der genannte Film (8), der das Meßobjekt bildet, mit einem einzelnen Röntgenstrahlungsstrahl (13) von einer einzigen Röntgenstrahlungsquelle (12) bestrahlt wird, und

die Intensität der von einer kristallinen Substanz im genannten Film gebeugten Röntgenstrahlen und die Intensität der Röntgenfluoreszenzstrahlen vom genannten Element, welche Intensitäten aus einer Wechselwirkung des Röntgenstrahlungsstrahls mit dem genannten Film an einem einzigen Fieck an der Oberfläche des Films resultieren, jeweils gleichzeitig durch zumindest zwei Röntgenstrahlungs-Intensitätsdetektiereinrichtungen (14C, 14A), die entsprechende Einrichtungen für jede Intensitätsmessung enthalten, detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und die Zusammensetzung des genannten Films am genannten Fleck gleichzeitig durch eine Berechnung, um die detektierten Intensitätswerte des gebeugten Röntgenstrahlungsstrahls und der Röntgenfluoreszenzstrahlen sowohl bei der Bestimmung der Dicke als auch bei der Bestimmung der Zusammensetzung zu kombinieren, bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und Zusammensetzung des genannten Films (8) über gegenseitige Korrekturen durch iteratives Berechnen unter Verwendung der folgenden Gleichungen bestimmt werden:

Ci = F&sub1; (Id, Wi-1)

Wi = F&sub2; (If, Ci-1),

worin Ci und Ci-1 die Gehalte Nr.i und i-1 des iterativ berechneten Elements sind, Wi-1 und Wi die iterativ berechneten Beschichtungsgewichte Nr. i-1 und i sind, Id die Intensität des gebeugten Strahls ist, und If die Intensität des Fluoreszenzstrahls ist.

3. Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen der Dicke eines Films, der eine Beschichtung auf einem Substrat bildet, und der Zusammensetzung, d.h. des Gehalts an einem Element, das eine Komponente des Films bildet, welche Vorrichtung eine einzige Röntgenstrahlungsquelle (12), die angeordnet ist, um mit einem einzelnen Röntgenstrahlungsstrahl (13) einen Fleck an der Oberfläche des genannten Films (8) zu bestrahlen,

einen ersten Röntgenstrahlungs-Intensitätsdetektor (14C), der angeordnet ist, um die Intensität der am genannten Fleck als Folge der Bestrahlung durch den genannten einzelnen Strahl gebeugten Röntgenstrahlen zu detektieren, und

einen zweiten Röntgenstrahlungs-Intensitätsdetektor (14A), der angeordnet ist, um, gleichzeitig mit der Detektion der gebeugten Röntgenstrahlen durch den ersten Detektor, die Intensität der vom genannten Fleck vom genannten Element als Folge der Bestrahlung durch den genannten einzelnen Strahl emittierten Röntgenfluoreszenzstrahlen zu detektieren, aufweist,

gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die eingerichtet ist, um gleichzeitig die Dicke und die Zusammensetzung des genannten Films am genannten Fleck durch eine Berechnung zum Kombinieren der detektierten Intensitätswerte des gebeugten Röntgenstrahls und der Röntgenfluoreszenzstrahlen sowohl bei der Bestimmung der Dicke als auch bei der Bestimmung der Zusammensetzung zu bestimmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter einen dritten Röntgenstrahlungs-Intensitätsdetektor (14B, 14D) aufweist, der zum Detektieren der Hintergrundintensität angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Röntgenstrahlungsquelle und alle genannten Röntgenstrahlungs-Intensitätsdetektoren in einem Meßkopf (10) vom integrierten Typ untergebracht sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Röntgenstrahlungsquelle eine Cr-Target-Röntgenröhre ist und die genannten Röntgenstrahlungs- Intensitätsdetektoren Proportionalzählrohre mit abgeschlossener Gasfüllung sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Film schmelzlegiertes Zink ist.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei welcher der Film schmelzlegiertes Zink ist.