FI75053B - X-ray diffraction method and device for measuring the state of tension - Google Patents
X-ray diffraction method and device for measuring the state of tension Download PDFInfo
- Publication number
- FI75053B FI75053B FI862765A FI862765A FI75053B FI 75053 B FI75053 B FI 75053B FI 862765 A FI862765 A FI 862765A FI 862765 A FI862765 A FI 862765A FI 75053 B FI75053 B FI 75053B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- detector
- source
- radiation
- ray
- cones
- Prior art date
Links
Abstract
Description
75053 1 Röntgendiffraktiomenetelmä ja - laite jännitysten mittaamiseksi Röntgendiffraktionsförfarande och -anordning för mätning av spänningar 5 10 Keksinnön kohteena on röntgendiffraktiomenetelmä metallien, etenkin terästen tai vastaavien jännitystilan mittaamiseksi, jossa menetelmässä tutkittavaan näytteeseen kohdistetaan sen pinnan normaaliin nähden ainakin kahdessa suunnassa primääriset röntgensädekeilat ja jossa menetelmässä käytetään detektoria, jolla havaitaan mainittujen primääriröntgensädekeilojen 15 vaikutuksesta näytteen tutkittavasta kohdasta diffraktoituneet röntgensädekeilat .The invention relates to an X-ray diffraction method for measuring the stress state of metals, in particular steels or the like, in which at least two , which detects X-ray beams diffracted from the test site of the sample by the action of said primary X-ray beams 15.
Lisäksi keksinnön kohteena on keksinnön jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukaisen menetelmän toteuttamiseen tarkoitettu laite, joka käsittää runko-20 osan, johon on kiinnitetty röntgensäteilylähde ja detektorijärjestely ja joka laite käsittää edelleen laitteiston detektorijärjestelystä saatavien signaalien käsittelemiseksi ja jännityksen mittaustulosten laskemiseksi ja näyttämiseksi ja/tai rekisteröimiseksi.The invention further relates to a device for carrying out the method according to any one of claims 1 to 6, comprising a body part 20 to which an X-ray source and a detector arrangement are attached, further comprising means for processing signals from the detector arrangement and calculating and displaying and / or recording voltage measurement results.
25 Ainetta rikkomaton jännitysmittauksen tarve on kasvanut voimakkaasti viime vuosina. Ainoa ainetta rikkomaton jännitysmittausmenetelmä, joka on laajemmassa käytössä, perustuu röntgensäteiden diffraktioon kiteisessä materiaalissa. Tunnettujen mittauslaitteiden suurimmat puutteet ovat niiden suuri koko ja hitaus, mikä vaikeuttaa työskentelyä etenkin kenttäolosuhteissa.25 The need for non-destructive stress measurement has grown strongly in recent years. The only non-destructive stress measurement method in wider use is based on X-ray diffraction in a crystalline material. The main disadvantages of known measuring devices are their large size and slowness, which makes it difficult to work, especially in field conditions.
30 Röntgendiffraktioon perustuvat jännitysmittausmenetelmät mittaavat kiteisen materiaalin pinnan jännityksiä. Röntgensäteiden tunkeutumasyvyys on noin 5-25 yim:n luokkaa. Pinnassa olevat jännitykset ovat rakenteiden kestävyyden kannalta merkittäviä, koska vauriot saavat alkunsa yleensä 35 pintakerroksista; esimerkiksi jännityskorroosio, haurasmurtuma, väsyminen, jne.30 X-ray diffraction stress measurement methods measure the surface stresses of a crystalline material. The penetration depth of X-rays is in the order of about 5-25 μm. Surface stresses are significant for the durability of structures because damage usually originates from 35 surface layers; for example, stress corrosion, brittle fracture, fatigue, etc.
2 75053 1 Edellä Ilmenneiden haittojen eliminoimiseksi hakija on esittänyt (FI pat. n:o 61 268) ns. parannetun kameramenetelmän, jonka vaatimien laitteiden koko on aikaisempaa pienempi ja rakenne yksinkertainen verrattuna sitä ennen yleisessä käytössä olleisiin diffraktometrilaitteisiin.2 75053 1 In order to eliminate the above-mentioned disadvantages, the applicant has submitted (FI pat. No. 61 268) the so-called an improved camera method with a smaller equipment size and a simple structure compared to previously used diffractometer equipment in general use.
5 Röntgensäteiden diffraktioon perustuvia jännitysmittauslaitteita on periaatteeltaan kahdentyyppisiä: kamera- ja diffraktometrilaitteita. Kamera-konstruktiolla päästiin aiemmin yksinkertaisimpaan ja pienimpaän laite-konstruktioon, mutta sen haittana on filmin valotuksen ja kehityksen vaati-10 ma suhteellisen pitkä aika. Diffraktometreillä mitataan röntgensäteiden intensiteettiä 29-kulman funktiona joko verrannollisuus- ja tuikelaskuril-la. Laskurilla joudutaan pyyhkäisemään tietyn 29-kulma-alueen yli, mikä vaatii tarkan goniometrilaitteen, josta johtuen diffraktometrit ovat liian suuria, monimutkaisia ja kalliita laitteita kenttätyöskentelyyn. Diffrakto-15 metrien kokoa on saatu jonkin verran pienennettyä ja mittausnopeutta lisättyä ns. paikan tuntevilla detektoreilla.5 There are basically two types of voltage measuring devices based on X-ray diffraction: camera devices and diffractometer devices. The camera design achieved the simplest and smallest device design in the past, but its disadvantage is the relatively long time required to expose and develop the film. Diffractometers measure X-ray intensity as a function of 29-angle with either a proportionality and scintillation counter. The counter has to be swept over a certain 29-angle range, which requires an accurate goniometer device, which makes the diffractometers too large, complicated, and expensive devices for field work. The size of the diffract-15 meters has been somewhat reduced and the measurement speed has been increased. with location-aware detectors.
Em. FI-patentin 61 268 mukaista kameramenetelmää ja -laitteistoa on hakija kehittänyt edelleen FI-patentissa 67 956 esitetyssä menetelmässä ja lait-20 teistossa, jossa detektoripintana käytetään tuikepinnoitteita tai integroitujen piirien valmistustekniikalla tehtyä detektoripintaa, joilla pinnoitteilla näytteestä heijastuneet röntgensäteet muutetaan joko fotosig-naaliksi, jotka siirretään optisten kuitujen avulla ilmaisimelle tai suoraan tai välillisesti sähkösignaaliksi. Em. Fl-patentin 67 956 mukaisel-25 le laitteistolle on pääasiallisesti tunnusmerkillistä se, että mainittu detektoripinta sijaitsee symmetrisesti kollimaattorin molemmin puolin ja detektoripinnalla on tuikepinnoitteista muodostuvat tai integroitujen piirien valmistustekniikalla tehdyt osat, joilla detektoripintaan osunut röntgensäteily muutetaan fotosignaaleiksi ja/tai sähkösignaaleiksi ja 30 joka laite käsittää edelleen yksikön tai yksiköt, joilla fotosignaalin ja/tai sähkösignaalin perusteella johdetaan mitattavat jännitykset.Em. The camera method and apparatus according to FI patent 61 268 have been further developed by the applicant in the method and apparatus disclosed in FI patent 67 956, in which scintillation coatings or a detector surface made by integrated circuit manufacturing techniques are used as the detector surface, by which the X-rays reflected from the sample are either transmitted by optical fibers to the detector or directly or indirectly as an electrical signal. Em. The apparatus according to F1 patent 67 956 is mainly characterized in that said detector surface is located symmetrically on both sides of the collimator and the detector surface has parts made of scintillator coatings or integrated circuits further a unit or units for deriving the voltages to be measured on the basis of the photographic signal and / or the electrical signal.
Em. FI-patenttien 61 268 ja 67 956 mukaiset menetelmät ja laitteet muodostivat huomattavan edistysaskeleen metallien, etenkin austeniittisten teräs-35 ten jännitystilan mittaustekniikassa. Nyt esillä olevan keksinnön tarkoituksena on kehittää edelleen mainituissa patenteissa esitettyjä menetelmiä ja laitteita.Em. The methods and devices according to FI patents 61,268 and 67,956 constituted a significant advance in the technology for measuring the stress state of metals, especially austenitic steels. It is an object of the present invention to further develop the methods and apparatus disclosed in said patents.
Il 3 75053 1 Esillä olevan keksinnön erityistarkoituksena on aikaansaada sellainen menetelmä ja laite, jonka koko on kertaluokkaa tai useita kertaluokkia pienempi kuin em. tunnettujen laitteiden.Il 3 75053 1 It is a particular object of the present invention to provide a method and apparatus having an order of magnitude or several orders of magnitude smaller than the above-mentioned known devices.
5 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on kehittää edelleen mainittuja tunnettuja röntgendiffraktioon perustuvia menetelmiä laitteita niin, että saadaan aikaan entistä nopeampi mittalaite, millä on tarkoitus päästä siihen, että mittalaitteen sovellutusaluetta voidaan entisestään huomattavasti laajentaa. Keksinnön lisätarkoituksena tässä suhteessa on tehdä 10 mahdolliseksi kannettava mittalaitteisto, jota voidaan käyttää vaikeissa kenttäolosuhteissa ja ahtaissa paikoissa, kuten rakenteiden ja koneiden sisällä, esim. putkien sisällä jännitysten mittaamista varten.It is an object of the present invention to further develop said known devices based on X-ray diffraction so as to provide an even faster measuring device, which is intended to achieve a considerable extension of the field of application of the measuring device. A further object of the invention in this respect is to make possible a portable measuring device which can be used in difficult field conditions and in confined spaces, such as inside structures and machines, e.g. inside pipes for measuring stresses.
Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada entistä nopeampi 15 mittalaitteisto, jolla voidaan kerätä suuriakin määriä jännityshavaintoja ja tallettaa ne muistiin, esim. tilastollista käsittelyä varten.The object of the present invention is to provide an even faster measuring device with which even large amounts of stress observations can be collected and stored in memory, e.g. for statistical processing.
Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, 20 että röntgensäteilylähteenä, jolla mainitut primäärisäteilykeilat aikaansaadaan, käytetään sopivaa radioisotooppilähdettä, että mainittuna detektorina, jolla mainitut diffraktoituneet säteily-25 keilat havaitaan, käytetään paikantuntevaa detektoripintaa, sopivimmin puolijohdedetektoria, josta saatava fotosignaali ja/tai sähkösignaali johdetaan mittaussignaalin käsittelyjärjestelmään, ja että mainitulla järjestelmällä lasketaan paikantuntevan detektoripinnan 30 paikkahavaintojen ja detektorin aseman perusteella mitattavat jännitykset siinä tasossa, jossa primäärisädekellat lähetetään.In order to achieve the above and later objects, the method according to the invention is mainly characterized in that a suitable radioisotope source is used as the X-ray source with which said primary radiation beams are obtained, that said diffused the photographic signal and / or the electrical signal is fed to a measurement signal processing system, and that said system calculates the voltages to be measured on the basis of the location observations of the locating detector surface 30 and the position of the detector in the plane where the primary beam clocks are transmitted.
Keksinnön mukaiselle laitteelle on puolestaan pääasiallisesti tunnusomaista se, että säteilylähteenä on radioisotooppilähde, jolla on kohdistettavissa 35 primäärisädekeila tai -keilat tutkittavaan kohteeseen, että laitteessa , 75053 1 on detektorina paikknerotteinen puolijohdedetektori, kuten CCD-detektori tai lineaarivalodiodisarja-detektori, josta saatavat sähkösignaalit on järjestetty luettaviksi dataloggerilla tai vastaavalla ja että mittausdata tarvittaessa digitaaliseen muotoon muutettuna, on siirrettävissä tieto-5 koneelle tai mikroprosessorille jatkokäsittelyä varten.The device according to the invention, on the other hand, is mainly characterized in that the radiation source is a radioisotope source which can be aligned with a primary beam or beams to the object to be examined. data logger or the like and that the measurement data, if necessary converted to digital format, can be transferred to a data-5 machine or microprocessor for further processing.
Helposti liikuteltavien pienten radioisotooppilähteiden käyttö mittaustekniikassa tuotantoprosessien ohjaamiseen ja materiaalien tutkimiseen ja tarkastukseen on ollut ennestään tunnettua. Tästä esimerkkinä voidaan 10 mainita mm. säteilyn vaimentumiseen tai sirontaan perustuvat esim. liikkuvien paperirainojen neliöpainomittarit ja erilaiset tiheysmittarit sekä karakteristisen röntgensäteilyn herättämiseen perustuvat alkuaineanaly-saattorit. Radioisotooppilähteeseen perustuvia röntgendiffraktiolaitteis-toja kiteisten aineiden sisäisten jännitysten, tekstuurin, faasisuhteiden 15 tai raekoon määritykseen ei ole tietääksemme esitetty.The use of easily movable small radioisotope sources in measurement technology to control production processes and to study and inspect materials has been known in the past. As an example of this, 10 can be mentioned e.g. radiation weight meters and various densitometers based on, for example, moving paper webs based on radiation attenuation or scattering, as well as elemental analyzers based on characteristic X-ray excitation. X-ray diffraction equipment based on a radioisotope source for determining the internal stresses, texture, phase ratios or grain size of crystalline materials has not been shown to our knowledge.
Keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteiston toteutuksessa, kun päämääränä on ennen kaikkea mittausajan ja laitekoon pienentäminen, on otettava huomioon seuraavat olennaiset seikat: 20In the implementation of the method and apparatus according to the invention, when the aim is above all to reduce the measurement time and the size of the apparatus, the following essential factors must be taken into account:
Keksinnössä isotooppisäteilylähteen emittoima energia on valittava siten, että sen taso osuu tutkittavan aineen röntgenabsorbtiokynnysten alapuolelle niin, ettei fluoresenssi kilpaile diffraktion kanssa.In the invention, the energy emitted by the isotope radiation source must be chosen so that its level falls below the X-ray absorption thresholds of the test substance so that the fluorescence does not compete with the diffraction.
25 Keksinnössä on edullista käyttää hyväksi rinnakkaismittauksia siten, että useita erisuuntaisia käänteishilavektoreita mitataan samanaikaisesti, mikä voidaan toteuttaa valaisemalla tutkittavaa kohtaa näytteestä useasta eri lähteestä tulevalla säteilyllä ja katsomalla diff-raktoitunutta säteilyä usealla eri detektorilla kuitenkin pitäen 30 huolta siitä, etteivät eri mittaukset häiritse toisiaan.In the invention, it is advantageous to take advantage of parallel measurements so that several inverse lattice vectors are measured simultaneously, which can be accomplished by illuminating the test site with radiation from several different sources and observing diffracted radiation with several different detectors, while ensuring that different measurements do not interfere.
Keksinnössä käytetään paikkaeroitteisesti mahdollisimman efektiivistä paikkaerotteista detektoria, joka rekisteröi eri kulmiin diffraktol-tuneet kvantit samanaikaisesti, sopivimmin CCD-detektoria tai lineaa-35 rista valodiodisarjaa.The invention uses a position-differential detector as efficiently as possible, which registers the quantifiers diffracted at different angles simultaneously, preferably a CCD detector or a linear LED series.
5 75053 1 Keksinnössä käytetään mahdollisimman suuren pintakirkkauden omaavaa isotooppilähdettä tai -lähteitä.The invention uses an isotope source or sources with the highest possible surface brightness.
Keksinnössä käytetään edullisesti rengasmaista isotooppilähdettä ja 5 rengaslähteen ja tutkittavan pinnan väliin sijoitetaan saapuvaa säteilyä rajoittavia rakoja, joiden avulla rakojen kohdalle sijaitseville näennäisille säteilylähteille voidaan antaa fokusointi-ehtojen vaatima sijainti ja asento.The invention preferably uses an annular isotope source and places incoming radiation-limiting gaps between the ring source and the surface to be examined, by means of which the apparent radiation sources located at the gaps can be given the position and position required by the focusing conditions.
10 Kun keksinnön mukaisesti suoritettavassa mittauksessa tarvittava erotuskyky on kiinnitetty, valitaan kaikki geometriseen effektiivisyyteen vaikuttavat tekijät, so. lähde-näyte-detektori-etäisyydet, lähteen koko ja muoto seka valaistun näytealueen koko ja muoto intensiteetin kannalta niin edullisiksi kuin vaadittu erotuskyky sallii. Tällöin on hyödynnettävissä myös fokus-15 sointimahdollisuudet siten, että näytteen eri kohdista diffraktoituvat samaan kideheijastukseen kuuluvat kvantit osuvat samaan kohtaan röntgensäteilylle herkällä detektoripinnalla.Once the resolution required for the measurement according to the invention has been fixed, all the factors affecting the geometric efficiency are selected, i. the source-sample-detector distances, the size and shape of the source, and the size and shape of the illuminated sample area as advantageous in intensity as the required resolution allows. In this case, it is also possible to utilize the focusing possibilities of the focus-15 so that the quantums belonging to the same crystal reflection diffracted from different points of the sample hit the same point on the X-ray sensitive detector surface.
Mittausajan minimointi keksinnössä voidaan viedä sitä pitemmälle, mitä 20 täsmällisemmin isotooppilähdettä käyttävään röntgendiffraktioon perustuva mittausprobleema on määritelty.The minimization of the measurement time in the invention can be taken further the more precisely the measurement problem based on X-ray diffraction using an isotope source is defined.
Röntgengeneraattori suurjännitelähteineen painaa tyypillisesti 50-100 kg. Kun keksinnön mukaisesti käytetään yhdistelmänä sopivaa radioisotooppi-25 lähdettä, jonka paino on vain luokkaa 10 g ja palkantuntevia puolijohde-detektoreja, joista saadaan suoraan fotosignaali tai vielä edullisimmin sähkösignaali, joka sisältää mittaustiedot, voidaan laitteen painoa ja kokoa pudottaa tunnettuihin laitteisiin nähden useita dekadeja, joka tapauksessa hyvin dramaattisesti. Lisäksi keksinnössä yksityistä mittaueta tai 30 useammissa tasoissa tapahtuvaa mittaussarjaa varten tarvittava mlttausaika on vain sekuntien tai sekuntien murto-osien luokkaa niin, että pienikokoisella mittauslaitteella voidaan kerätä suuri määrä mittaustuloksia sellaisista kohteista, joihin aikaisemmin ei voitu käyttää lainkaan röntgen-dlffraktioon perustuvia jännityksenmittausmenetelmiä. Mittaustulokset 35 ovat tallennettavissa tietokoneen tai vastaavan muistiin myöhempää käsittelyä varten. Näiden kaikkien etujen samanaikainen toteutuminen merkitsee huomattavaa edistysaskelta jännitysmittaustekniikan alueella.An X-ray generator with high voltage sources typically weighs 50-100 kg. When a suitable radioisotope-25 source weighing only on the order of 10 g and pay-as-you-know semiconductor detectors are used in combination to provide a direct photovoltaic or, more preferably, an electrical signal containing measurement data, the weight and size of the device can be reduced by several decades compared to known devices. case very dramatically. Furthermore, in the invention, the measurement time required for a private measurement or a multi-level measurement series is only in the order of seconds or fractions of seconds, so that a small measuring device can collect a large number of measurement results from objects for which X-ray stress measurement was not previously possible. The measurement results 35 can be stored in the memory of a computer or the like for later processing. The simultaneous realization of all these advantages represents a significant advance in the field of stress measurement technology.
6 75053 1 Seuraavassa selostetaan keksinnön fysikaalista taustaa sekä sen eräitä edullisia sovellutusesimerkkejä viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioihin.6 75053 1 The physical background of the invention and some preferred application examples thereof will now be described with reference to the figures of the accompanying drawing.
5 Kuvio A esittää kaaviollisesti tietyn aineen atomitasojen keskinäistä etäisyyttä jännityksettömässä tilassa ja kuvio B esittää vastaavaa etäisyyttä jännityksen alaisessa tilassa.Figure A schematically shows the distance between the atomic levels of a given substance in the unstressed state and Figure B shows the corresponding distance in the stressed state.
Kuvio C havainnollistaa röntgensäteiden tutkittavasta kohteesta heijas-10 tumisen periaatetta.Figure C illustrates the principle of reflection of X-rays from the object under study.
Kuvio D havainnollistaa jännitysmittausröntgenmenetelmässä käytettyjä eri parametreja.Figure D illustrates the various parameters used in the stress measurement X-ray method.
15 Kuvio 1 esittää kaaviollisesti pystyleikkauksena keksinnön mukaista laitteistoa ja sen geometriaa. Kuvio 1 on samalla leikkaus kuvioon 2 merkityn viivan I-I kohdalta.Figure 1 schematically shows in vertical section the apparatus according to the invention and its geometry. Fig. 1 is at the same time a section at the line I-I marked in Fig. 2.
Kuvio 2 on leikkaus A-A kuviossa 1.Figure 2 is a section A-A in Figure 1.
2020
Kuvio 3 on leikkaus B-B kuviossa 1.Figure 3 is a section B-B in Figure 1.
Kuvio 4 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaisen mittausmenetelmän periaatetta ja mlttausgeometrlaa.Figure 4 schematically shows the principle and measuring geometry of the measuring method according to the invention.
2525
Kuvio 5 esittää kuviota 4 vastaavalla tavalla keksinnön mukaisessa mittausmenetelmässä olennaisia geometrisia suureita.Fig. 5 shows, in a manner similar to Fig. 4, essential geometrical quantities in the measuring method according to the invention.
Kuvio 6 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista mittausmenetelmää mittaus-30 tietojen keräys-, käsittely- ja tulostuslaitteineen.Figure 6 shows a block diagram of a measuring method according to the invention with measuring-30 data collection, processing and printing devices.
Tämän keksinnön perustana olevassa röntgenmenetelmässä käytetään atomi-tasojen välistä etäisyyttä d mittapltuutena (kuvio A). Aallonpituuden λ omaavat röntgensäteet heijastuvat atomltasoleta osuessaan tasoihin kulmassa 35 Θ, joka saadaan Braggln laista 1 d sin θ - λ (1) 7 75053 1 kuten kuvio C esittää.In the X-ray method underlying the present invention, the distance d between the atomic planes is used as a measuring length (Fig. A). X-rays having a wavelength λ are reflected from the atomic plane when they hit planes at an angle of 35 Θ, which is obtained from Braggl's law 1 d sin θ - λ (1) 7 75053 1 as shown in Fig. C.
Kuvioiden A ja B esittämässä tapauksessa atomitasoja vastaan kohtisuora normaalijännitys σ suurentaa atomitasojen välin arvosta dQ arvoon dQ .In the case shown in Figures A and B, the normal stress σ perpendicular to the atomic planes increases the interval between the atomic planes from dQ to dQ.
5 Braggin lain (1) avulla voidaan molemmat etäisyydet dQ ja dg laskea käyttämällä ao. Braggin kulmaa Θ, joka mitataan röntgensädediffraktion avulla, ja täten saadaan normaali muodonmuutos lasketuksi kaavasta d - d exx -2-2 1 10 do5 Using Bragg's law (1), both distances dQ and dg can be calculated using the Bragg angle Θ in question, which is measured by X-ray diffraction, and thus the normal deformation can be calculated from the formula d - d Exx -2-2 1 10 do
Vastaava jännitys σ , joka aiheuttaa muodonmuutoksen e , on nyt määri-The corresponding stress σ, which causes the deformation e, is now
XX XXXX XX
tettävissä Hooken lain 15 ϊχ - E ·χχ· (3) avulla, missä E on kimmomoduli.can be determined by Hooke's law 15 ϊχ - E · χχ · (3), where E is the modulus of elasticity.
Yleisemmin röntgenmenetelmä tuottaa normaalijännityskomponentin σχχ vali-20 tussa suunnassa x, kun vähintään kaksi xz-tasossa olevaa muodonmuutosta e( ψ) mitataan (kuvio D). Yleisestä Hooken laista saadaan „ - E e( ♦„> - e( *1> (4) 1 + v sin »l^-sin 25 missä v on Poissonin suhdeluku.More generally, the X-ray method produces a normal stress component σχχ in the selected direction x when at least two deformations e (ψ) in the xz plane are measured (Fig. D). The general Hooke's law gives „- E e (♦„> - e (* 1> (4) 1 + v sin »l ^ -sin 25 where v is the Poisson's ratio.
Kimmoteorian tasapainoehdoista seuraa, että kappaleen jännitystila on määrätty, kun sen pinnan jännitystila tunnetaan. Kun pinnalla ei voi esiin-30 tyä pintaan vastaan kohtisuoraa veto- tai puristusjännitystä, määräytyy jännitystilaan liittyvä venymäellipsoidi, kun on mitattu vähintään kolme oikein valittua suhteellista venymää eli jokin atomitasojen välimatka d neljässä oikein valitussa suunnassa.It follows from the equilibrium conditions of elastic theory that the stress state of a body is determined when the stress state of its surface is known. When no tensile or compressive stress perpendicular to the surface can be encountered on the surface, the elongation ellipsoid associated with the stress state is determined when at least three correctly selected relative elongations are measured, i.e., some distance d between the atomic planes in four correctly selected directions.
35 Kuviossa 1 on esitetty eräs edullinen keksinnön mukainen ferriittisille teräksille soveltuva jännitysmittauslaite, joka käsittää rengasmaisen radioaktiivisen lsotooppilähteen 10, joka on sopivimmin Fe^. Rengaslähde 8 75053 1 10 on sijoitettu siten, että sen pyörähdysakseli yhtyy tutkittavan pinnan normaaliin, joka kulkee tutkittavan pisteen P kautta. Rengaslähteen 10 sMteilypinnan 11 välittömässä läheisyydessä on ensimmäinen kaihdinlevy 12, jossa on rengaslähteen 10 muotoa vastaavasti ympyrän kehällä pareittain 5 vastakkain aukkoparit 12a^,12b^;12β2*1202 ja \2a^,l2by Kaihdinlevyn 12 etäisyys tutkittavasta pinnasta on valittu siten, että säteen suunnassa ahtaammat aukot 120^,120^ ja 12b^ sekä näiden diffraktiokuvat detektorilla Xbld,Xb2d ^bSd s*Jaitsevat pareittain samalla tutkittavaa pintaa pisteessä P sivuavalla ympyrällä. Säteen suunnassa leveämmät aukot 12a^,12a2 10 ja 12a^ voivat olla niin leveät, että isotooppilähteen näkyvyyttä ei ainakaan olennaisesti rajoiteta. Tutkittavan näytteen 14 ja ensimmäisen kaihdinlevyn 12 välissä on tasoltaan ensimmäisen kaihdinlevyn 12 suuntainen toinen kaihdinlevy 13. Toisessa kauhdinlevyssä on ympyrän kehälle sijoitettuina ensimmäisen kaihdinlevyn 12 aukkoja 12a ja 12b vastaavilla kohdilla 15 mutta pienemmällä säteellä aukkoparit 13a^,13b^;13β2»13b2 ja lSa^.lSb^.Figure 1 shows a preferred stress measuring device for ferritic steels according to the invention, comprising an annular radioactive isotope source 10, preferably Fe 2. The ring source 8 75053 1 10 is positioned so that its axis of rotation coincides with the normal of the test surface passing through the test point P. In the immediate vicinity of the radiating surface 11 of the ring source 10 there is a first blind plate 12 having a pair of aperture pairs 12a ^, 12b ^; 12β2 * 1202 and \ 2a ^ narrower apertures 120 ^, 120 ^ and 12b ^ and their diffraction images with the detector Xbld, Xb2d ^ bSd s * Divide in pairs at the same time by a circle adjacent to the surface to be examined at point P. The radially wider openings 12a 2, 12a 2 10 and 12a 2 may be so wide that the visibility of the isotope source is not at least substantially limited. Between the sample 14 to be examined and the first blind plate 12 there is a second blind plate 13 parallel to the first blind plate 12. The second blind plate has circumferentially arranged openings 12a and 12b at points 15 but with a smaller radius. .lSb ^.
Mainituilla kaihdinlevyillä 12 ja 13 kohdistetaan tutkittavaan näytteeseen 14 sen kohtaan P kolmessa eri tasossa χ^-χ^, X2-X2* x3-x3 isotooppilähtees-tä 10,11 peräisin olevan röntgensäteilyn säteilykeilat ja ^p’ J°^en näennäiset lähdepinnat sijaitsevat kapeiden aukkojen 12b^,12b2·12b^,13a^, 20 13a2»13a2 kohdalla. Tasot χ^-χ^, x2-x2 ja x^-x^ ovat kohtisuorassa näytteen 14 pintaa tai kohtaan P asetettua tangenttltasoa vastaan ja mainitut tasot ovat 60°:n kulmassa keskenään.Said blind plates 12 and 13 apply to the sample 14 to be examined at its point P in three different planes the radiation beams of X-rays from the isotope source χ ^ -χ ^, X2-X2 * x3-x3 and the apparent source surfaces of ^ p 'J ° ^ are located in narrow at the openings 12b ^, 12b2 · 12b ^, 13a ^, 20 13a2 »13a2. The planes χ ^ -χ ^, x2-x2 and x ^ -x ^ are perpendicular to the surface of the sample 14 or to the tangent plane set at P, and said planes are at an angle of 60 ° to each other.
Se tosiasia, että ferriittisellä raudalla diffraktiopiikkejä on harvassa, 25 kun niitä keksinnössä synnytetään radioisotooppilähteen Fe-55-säteilyllä, johtaa havaintoon, että samaa näytealaa voidaan valaista useasta eri suunnasta ja katsoa usealla eri detektorilla samanaikaisesti ilman, että eri mittaukset häiritsevät toisiaan.The fact that ferritic iron has few diffraction peaks when generated by Fe-55 radiation from a radioisotope source in the invention leads to the finding that the same sample area can be illuminated from several different directions and viewed with several different detectors simultaneously without different measurements interfering with each other.
30 Kuten kuvioista 1, 2 ja 3 selviää, on kollimaattorilevyissä 12 ja 13 niiden säteen suunnassa leveämpiä (12a,13a) ja kapeampia (12b,13b) kollimaattori-aukkoja. Kollimaattorilevyjen mainitut aukot ja niiden paikat on valittu SEEMANN-BOHLIN fokusointiperiaatteen mukaan siten, että molempien diffrak-toituneiden säteiden Xjj ja X2^ epätarkkuus detektorin 15 röntgensäteilylle 35 herkällä pinnalla 15' on yhtä suuri. Tässä tarkoituksessa on ensimmäisessä kollimaattorilevyssä 12 leveämpi aukko 12a ja vastaavalla kohtaa säteily-keilan X^ tiellä toisessa kollimaattorilevyssä 13 kapeampi aukko 13b 11 , 75053 Ί detektoriin 15 nähden vastakkaisen primäärisäteen kohdalla ja päinvastoin detektorin 15 puoleisen säteen X_ kohdalla, jossa ensimmäisessäAs shown in Figures 1, 2 and 3, the collimator plates 12 and 13 have wider (12a, 13a) and narrower (12b, 13b) collimator openings in their radial direction. Said apertures of the collimator plates and their locations are selected according to the SEEMANN-BOHLIN focusing principle so that the inaccuracy of both diffracted beams Xjj and X2 ^ on the X-ray sensitive surface 15 'of the detector 15 is equal. To this end, the first collimator plate 12 has a wider aperture 12a and a corresponding aperture 13b 11, 75053 Ί at the corresponding point in the path of the radiation beam X 1 at the primary beam opposite to the detector 15 and vice versa at the first beam X_ on the detector 15 side.
ZPZP
kollimaattorilevyssä 12 on pienempi aukko 12b ja toisessa kollimaattori-levyssä 13 leveämpi aukko 13a kohdakkain.the collimator plate 12 has a smaller opening 12b and the second collimator plate 13 has a wider opening 13a.
55
Seuraavassa selostetaan kuvioihin 4 ja 5 viitaten keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen mittausgeometrlan olennaiset suureet, joista on johdettavissa paikkaerotteisen detektorin 15 avulla jännitysmittaustulokset.In the following, with reference to Figures 4 and 5, the essential quantities of the measuring geometry of the method and device according to the invention will be described, from which the voltage measurement results can be derived by means of a position-separated detector 15.
10 Kuviossa 4 ψ1 ja ψ 2 esittävät heijastavien hilatasojen kallistuskulmia ja ja N'2 heijastavien hilatasojen vastaavia normaalitasoja.10 In Fig. 4, ψ1 and ψ 2 show the tilt angles of the reflective lattice planes and and N'2 the corresponding normal planes of the reflective lattice planes.
Näytteen 14 pinnan tai tutkittavan kohdan P kohdalle asetetun tangentti-tason normaalitasoa on merkitty N:llä. ja X2 esittävät radioisotooppi- 15 lähteestä 10 tulevia kollimaattorilevyillä 12 ja 13 keskitettyjä primääri-röntgensädekeiloja ja vastaavasti X^ ja X2J esittävät vastaavasti näytteestä 14 tutkittavasta kohdasta P diffraktoituneita säteilykeiloja.The normal plane of the tangent plane set at the surface of the sample 14 or at the point P to be examined is denoted by N. and X2 show the primary X-ray beams centered on the collimator plates 12 and 13 from the radioisotope source 10, and X1 and X2J, respectively, show the radiation beams diffracted from the sample P at the point 14 to be examined.
Kuviossa 5 on merkitty D:llä detektorin 15 röntgensäteilylle herkän pinnan 20 kohtisuoraa etäisyyttä tutkittavasta näytteen 14 kohdasta P ja ja R2 esittävät etäisyyksiä detektoripinnan sen normaalitason suhteen, joka kulkee tutkittavan kohdan P kautta kohtiin, joihin diffraktoituneiden sädekeilojen maksimit osuvat.In Fig. 5, the perpendicular distance of the X-ray sensitive surface 20 of the detector 15 from the point P and 14 of the sample 14 to be examined is denoted by the normal plane passing through the point P under the points where the maximum of the diffracted beam beams coincide.
25 Seuraavasta esityksestä selviävät muiden kuvioissa 4 ja 5 esitettyjen suureiden merkitykset.25 The following representation shows the meanings of the other variables shown in Figures 4 and 5.
Jännitys voidaan laskea seuraavien kaavojen avulla: 30 Ψ1 “ ® “Ψ o (5) Ψ2 = Θ + % (6) jolloin em. yhtälöiden perusteella ^ . E Δ d2n- Δ d1 (7) (1 + V)d x sin » sin29 35 10 75053 1 Mitattavat suureet ovat R^/D ja R2/D (kuvio 5). Braggin laista (1) saadaan Δ d Δ 20 (8) 5 Δ 20 = 20 - 20Q, (9) jolloin . = E Δ 2Θ . Δ 20. (10) υ 1 + V x 2tg0(sin Ψ 0sin29) detektoripinnalla 15' havaittavan viivan siirrokset Δ20 ratkaistaan seuraavasti ^ Δ2Θ = +cos% q ^ (11)The stress can be calculated using the following formulas: 30 Ψ1 “®“ Ψ o (5) Ψ2 = Θ +% (6) whereby based on the above equations ^. E Δ d2n- Δ d1 (7) (1 + V) d x sin »sin29 35 10 75053 1 The measured quantities are R 1 / D and R 2 / D (Figure 5). From Bragg 's law (1) we get Δ d Δ 20 (8) 5 Δ 20 = 20 - 20Q, (9) where. = E Δ 2Θ. Δ 20. (10) υ 1 + V x 2tg0 (sin Ψ 0sin29) on the detector surface 15 'the displacements of the observed line Δ20 are solved as follows ^ Δ2Θ = + cos% q ^ (11)
DD
missä Ar * R - Rqwhere Ar * R - Rq
Rp = säde jännityksettömästä aineesta (12) 20 + merkki Debye-viivalle 2 - merkki Debye-viivalle 1Rp = radius of unstressed material (12) 20 + sign for Debye line 2 - sign for Debye line 1
Edellä on esitetty yhtälöt, joiden perusteella on ratkaistavissa jännitykset yhdessä tai useammassa mittaustasossa xj-xj sillä perusteella, 25 mille etäisyydelle ja R2 diffraktoituneiden säteilykeilojen X^ ja X2J maksimit osuvat detektorin 15 röntgensäteilylle herkällä, paikantun-tevalla detektorin pinnalla 15'.The above equations are used to solve the stresses in one or more measuring planes xj-xj on the basis of the distance 25 and the maxima of the diffracted radiation beams X1 and X2J on the X-ray sensitive, locating surface 15 'of the detector 15.
Kuviossa 6 on esitetty kaaviollisesti lohkokaaviona mittaustulosten käsit- 30 tely- ja näyttölaitteistot. Kuvion 6 mukaisesti detektoreja 15j on N kappaletta, joten jännityksiä on kuvion 6 mukaisella laitteistolla mitattavissa N:ssä eri tasoissa x^-x^...x^-x^.Figure 6 is a schematic block diagram of the equipment for processing and displaying the measurement results. According to Fig. 6, there are N detectors 15j, so that the voltages can be measured in N different levels x ^ -x ^ ... x ^ -x ^ with the apparatus according to Fig. 6.
Keksinnön mukaisesti detektoreina 15 käytetään esim. kaupallisesti saatavissa olevia optisia ja samalla röntgensäteilylle herkkiä paikantuntevia detektoreja, esim. puolijohdedetektoreja, kuten Philipsin CCD:tä NXA1010 tai Hamamatsun lineaarivalodiodisarjaa (linear photodiode array) S2304-512FAccording to the invention, e.g. commercially available optical and at the same time X-ray sensitive locating detectors, e.g. semiconductor detectors such as Philips CCD NXA1010 or Hamamatsu's linear photodiode array S2304-512F are used as detectors 15
IIII
π 75053 "I tai S2304-104F, joissa enslnmalnituissa on 512 vast. 1024 erillistä valo-diodia lineaarisena sarjana. Näiden keksinnössä sovellettavien "selfscanning photodiode arrays:n" suhteen viitataan seuraavaan lähteeseen Adv. in X-ray Anal., Voi. 19, ss 587-596; Louis N. Koppel: "Direct X-ray 5 Response of Self-Scanning Photodiode Arrays". Mainittu sarja on sovitettu mitattavien suureiden R^ ja R2 suuntaiseksi, ja se valodiodi, jonka kohdalle diffraktoituneet säteet X^ ja tai niiden maksimit osuvat, johtavat ja antavat impulssin, josta tiedot si»s2,s3*,sn J°^etaan dataloggerille 21, joka lukee detektoria ja detektoreja 15^ vuorotellen. Dataloggerissa 10 21 mittausdata muutetaan digitaaliseen muotoon ja siirretään tietokoneelle 22, joka on ohjelmoitu edellä esitettyjen yhtälöiden perusteella laskemaan ja näyttämään mitattavat jännitykset. Mittaustulokset näytetään tai tulostetaan kirjoittimelle 23. Tietokone 22 voidaan ohjelmoida käsittelemään mittaustuloksia esim. tilastollisesti.π 75053 "I or S2304-104F with 512 or 1024 discrete light emitting diodes in a linear series. For these" selfscanning photodiode arrays "used in the invention, reference is made to Adv. in X-ray Anal., Vol. 19, pp. 587-596; Louis N. Koppel, “Direct X-ray 5 Response of Self-Scanning Photodiode Arrays.” Said series is aligned with the measured quantities R 1 and R 2, and the light emitting diode at which the diffracted rays X 1 and / or their the maxima hit, conduct and give an impulse from which the data si »s2, s3 *, sn J ° ^ are fed to a data logger 21 which reads the detector and the detectors 15 ^ alternately. the measurement results are displayed or printed to a printer 23. The computer 22 can be programmed to process the measurement results, e.g., statistically.
1515
Kuvion 6 mukaisesti detektoreja 15^-15^ jäähdytetään. Jäähdytyslaitteis-toa on merkitty viitenumerolla 16 ja jäähdytysväliainevirtausta viitteellä F. Mainittu jäähdyttäminen on tarpeen, että optisten detektorien pimeä virta (lämpökohina) saadaan riittävän pieneksi. Tarvittaessa voidaan 20 detektori 15 jäähdyttää jopa -100°C:een.According to Figure 6, the detectors 15 ^ -15 ^ are cooled. The cooling equipment is indicated by reference numeral 16 and the cooling medium flow by reference F. This cooling is necessary in order to make the dark current (thermal noise) of the optical detectors sufficiently small. If necessary, the detector 15 can be cooled down to -100 ° C.
Keksinnössä voidaan paikantuntevana detektorina käyttää myös sellaisia integroitujen piirien tekniikalla valmistettuja paikantuntevia detektoreja, joiden rakenteeseen on Integroitu enemmän tai vähemmän myös sig-25 naalinkäsittelyä ja muistia (RAM).In the invention, position detectors manufactured by integrated circuit technology can also be used as location detectors, in the structure of which more or less also sig-25 signal processing and memory (RAM) are integrated.
Kuten edellä todettiin, keksinnössä isotooppilähteen 10,11 emittoiman energian taso valitaan sopivimmin siten, että mainittu taso osuu tutkittavan aineen röntgenabsorptiokynnysten alapuolelle niin, ettei fluoresenssi 30 kilpaile diffraktion kanssa.As stated above, in the invention, the level of energy emitted by the isotope source 10,11 is preferably selected so that said level falls below the X-ray absorption thresholds of the test substance so that the fluorescence 30 does not compete with the diffraction.
Keksinnön puitteissa voidaan käyttää muitakin ennestään tunnettuja tai tulevaisuudessa kehitettyjä viivamaisia tai matriisimaisia paikantuntevia detektoreja, jotka ovat herkkiä sähkömagneettiselle säteilylle siis myös 315 röntgensäteilylle ja joista saadaan joko fotosignaali tai edullisimmin suoraan sähkösignaali, joka sisältää tiedon edellä mainituista suureista R^ ja R2» siis säteiden X^ ja X2J osumakohdista. Matriisimaisia detekto- 12 7 5 0 5 3 1 reja käytettäessä voidaan tarvittaessa rekisteröidä suurempi osa Debye-rengasta, josta on haluttaessa saatavissa lisäinformaatiota.Other previously known or future-developed linear or matrix-like locating detectors can be used within the scope of the invention, which are also sensitive to electromagnetic radiation, i.e. also 315 X-rays, and which provide either a photovoltaic signal or, most preferably, a direct electrical signal containing information on the above and X2J hit points. When using matrix-like detectors, a larger part of the Debye ring can be registered, if necessary, for which additional information is available if desired.
Keksinnön puitteissa voidaan käyttää myös erilaisia muitakin kuin rengas-5 maisia radioisotooppilähteitä. Edullisin ferriittisten terästen mittauksessa soveltuva radioisotooppilähde on em. Fe^-lähde useiden eri syiden takia.Various non-ring-5 radioisotope sources can also be used within the scope of the invention. The most preferred radioisotope source suitable for measuring ferritic steels is the above-mentioned Fe 2+ source for several reasons.
Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksin-10 nöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetyistä.In the following, the claims are defined, within the scope of the inventive idea defined by them, the various details of the invention may vary and differ from those set forth above by way of example only.
15 20 25 30 3515 20 25 30 35
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI862765A FI75053C (en) | 1986-06-30 | 1986-06-30 | ROENTGENDIFFRAKTIONSFOERFARANDE OCH -ANORDNING FOER MAETNING AV SPAENNINGAR. |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI862765A FI75053C (en) | 1986-06-30 | 1986-06-30 | ROENTGENDIFFRAKTIONSFOERFARANDE OCH -ANORDNING FOER MAETNING AV SPAENNINGAR. |
FI862765 | 1986-06-30 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FI862765A0 FI862765A0 (en) | 1986-06-30 |
FI75053B true FI75053B (en) | 1987-12-31 |
FI75053C FI75053C (en) | 1988-04-11 |
Family
ID=8522854
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FI862765A FI75053C (en) | 1986-06-30 | 1986-06-30 | ROENTGENDIFFRAKTIONSFOERFARANDE OCH -ANORDNING FOER MAETNING AV SPAENNINGAR. |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FI (1) | FI75053C (en) |
-
1986
- 1986-06-30 FI FI862765A patent/FI75053C/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FI862765A0 (en) | 1986-06-30 |
FI75053C (en) | 1988-04-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10247683B2 (en) | Material measurement techniques using multiple X-ray micro-beams | |
US7583788B2 (en) | Measuring device for the shortwavelength x ray diffraction and a method thereof | |
US6680996B2 (en) | Dual-wavelength X-ray reflectometry | |
US8923480B2 (en) | X-ray diffraction instrument | |
US5125016A (en) | Procedure and measuring apparatus based on X-ray diffraction for measuring stresses | |
GB2299251A (en) | Detecting crystalline material using X-ray diffraction | |
JPH11502025A (en) | Apparatus for simultaneous X-ray diffraction and X-ray fluorescence measurement | |
US3936638A (en) | Radiology | |
GB2083215A (en) | Apparatus for x-ray diffraction | |
US20100254514A1 (en) | Detection of x-ray scattering | |
US20120140888A1 (en) | X-ray diffraction instrument | |
WO2004086018A1 (en) | X-ray fluorescence analyzer | |
US7564947B2 (en) | Tomographic energy dispersive X-ray diffraction apparatus comprising an array of detectors of associated collimators | |
US2277756A (en) | Method and apparatus for measuring thickness | |
FI75053B (en) | X-ray diffraction method and device for measuring the state of tension | |
KR920003050A (en) | Inspection method of external phase precipitate of single crystal material | |
FI67956C (en) | ROO GENDER FACTORY WITHOUT FUNCTIONAL ORGANIZATION FOR MAINTENANCE OF SPA | |
EP0178849B1 (en) | Method of analyzing composition of optical fiber base material to be measured by radioactive rays | |
US4924100A (en) | Strain and temperature measurement | |
CN106093080A (en) | A kind of metal alloy compositions scattering ratio measuring method based on digital radial imaging technology explorer response curve | |
US6596994B1 (en) | Beam position monitor | |
JP2000206061A (en) | Fluorescent x-ray measuring device | |
JPH07260598A (en) | X-ray stress measuring device and x-ray stress measuring method | |
JPH1151883A (en) | Method and equipment for fluorescent x-ray analysis | |
NO168001B (en) | DEVICE, BASED ON X-ray diffraction, for measuring mechanical stress state in metal. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM | Patent lapsed | ||
MM | Patent lapsed |
Owner name: INSINOEOERITOIMISTO MEXPERT OY |