FI75053C - Roentgendiffraktionsfoerfarande och -anordning foer maetning av spaenningar. - Google Patents

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 .

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.

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.

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.

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.

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.

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. 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.

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.

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.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada entistä nopeampi 15 mittalaitteisto, jolla voidaan kerätä suuriakin määriä jännityshavaintoja ja tallettaa ne muistiin, esim. tilastollista käsittelyä varten.

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.

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.

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.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteiston toteutuksessa, kun päämääränä on ennen kaikkea mittausajan ja laitekoon pienentäminen, on otettava huomioon seuraavat olennaiset seikat: 20

Keksinnössä isotooppisäteilylähteen emittoima energia on valittava siten, että sen taso osuu tutkittavan aineen röntgenabsorbtiokynnysten alapuolelle niin, ettei fluoresenssi kilpaile diffraktion kanssa.

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.

Keksinnössä käytetään paikkaeroitteisesti mahdollisimman efektiivistä paikkaerotteista detektoria, joka rekisteröi eri kulmiin diffraktol-tuneet kvantit samanaikaisesti, sopivimmin CCD-detektoria tai lineaa-35 rista valodiodisarjaa.

5 75053 1 Keksinnössä käytetään mahdollisimman suuren pintakirkkauden omaavaa isotooppilähdettä tai -lähteitä.

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.

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.

Mittausajan minimointi keksinnössä voidaan viedä sitä pitemmälle, mitä 20 täsmällisemmin isotooppilähdettä käyttävään röntgendiffraktioon perustuva mittausprobleema on määritelty.

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.

6 75053 1 Seuraavassa selostetaan keksinnön fysikaalista taustaa sekä sen eräitä edullisia sovellutusesimerkkejä viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioihin.

5 Kuvio A esittää kaaviollisesti tietyn aineen atomitasojen keskinäistä etäisyyttä jännityksettömässä tilassa ja kuvio B esittää vastaavaa etäisyyttä jännityksen alaisessa tilassa.

Kuvio C havainnollistaa röntgensäteiden tutkittavasta kohteesta heijas-10 tumisen periaatetta.

Kuvio D havainnollistaa jännitysmittausröntgenmenetelmässä käytettyjä eri parametreja.

15 Kuvio 1 esittää kaaviollisesti pystyleikkauksena keksinnön mukaista laitteistoa ja sen geometriaa. Kuvio 1 on samalla leikkaus kuvioon 2 merkityn viivan I-I kohdalta.

Kuvio 2 on leikkaus A-A kuviossa 1.

20

Kuvio 3 on leikkaus B-B kuviossa 1.

Kuvio 4 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaisen mittausmenetelmän periaatetta ja mlttausgeometrlaa.

25

Kuvio 5 esittää kuviota 4 vastaavalla tavalla keksinnön mukaisessa mittausmenetelmässä olennaisia geometrisia suureita.

Kuvio 6 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista mittausmenetelmää mittaus-30 tietojen keräys-, käsittely- ja tulostuslaitteineen.

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 2 d sin θ - λ (1) 7 75053 1 kuten kuvio C esittää.

Kuvioiden A ja B esittämässä tapauksessa atomitasoja vastaan kohtisuora normaalijännitys σ suurentaa atomitasojen välin arvosta dQ arvoon 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 (2) 10 do

Vastaava jännitys σ , joka aiheuttaa muodonmuutoksen e , on nyt määri-

XX XX

tettävissä Hooken lain 15 ϊχ - E ·χχ· (3) avulla, missä E on kimmomoduli.

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.

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.

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^.

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.

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.

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 ensimmäisessä

ZP

kollimaattorilevyssä 12 on pienempi aukko 12b ja toisessa kollimaattori-levyssä 13 leveämpi aukko 13a kohdakkain.

5

Seuraavassa selostetaan kuvioihin 4 ja 5 viitaten keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen mittausgeometrlan olennaiset suureet, joista on johdettavissa paikkaerotteisen detektorin 15 avulla jännitysmittaustulokset.

10 Kuviossa 4 ψ1 ja ψ 2 esittävät heijastavien hilatasojen kallistuskulmia ja ja N'2 heijastavien hilatasojen vastaavia normaalitasoja.

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.

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.

25 Seuraavasta esityksestä selviävät muiden kuvioissa 4 ja 5 esitettyjen suureiden merkitykset.

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 75053 10 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)

D

missä Ar * R - Rq

Rp = säde jännityksettömästä aineesta (12) 20 + merkki Debye-viivalle 2 - merkki Debye-viivalle 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'.

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^.

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) S2304-512F

II

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.

15

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.

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).

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.

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.

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.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksin-10 nöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetyistä.

15 20 25 30 35

Claims (10)

1 Patenttivaatimukset

1. Röntgendiffraktiomenetelmä metallien, etenkin terästen tai vastaavien jännitystilan mittaamiseksi, jossa menetelmässä tutkittavaan näytteeseen 5 (14) kohdistetaan sen pinnan normaaliin (N) nähden ainakin kahdessa suun nassa primääriset röntgensädekeilat (X^ ,X^ ) 1ossa menetelmässä käytetään detektoria (15), jolla havaitaan mainittujen primäärlröntgensäde-keilojen ^Xjp»X2p^ vaikutuk8esta näytteen (14) tutkittavasta kohdasta (P) diffraktoituneet röntgensädekeilat (X^.Xj^)» tunnettu siitä, 10 että röntgensäteilylähteenä, jolla mainitut primäärisäteilykeilat (x^p»X2p^ aikaansaadaan, käytetään sopivaa radioisotooppilähdettä (10,11), että mainittuna detektorina (15), jolla mainitut diffraktoituneet säteily-15 keilat (χ^*Χ2{ΐ^ laveitaan, käytetään paikantuntevaa detektoripintaa (15'), sopivimmin puolijohdedetektoria, josta saatava fotosignaali ja/tai sähkö-signaali johdetaan mittaussignaalin käsittelyjärjestelmään (20), ja että mainitulla järjestelmällä lasketaan paikantuntevan detektoripinnan 20 (15') paikkahavaintojen (R^R^) ja detektorin aseman perusteella mitat tavat jännitykset siinä tasossa (x^-x^), jossa primäärisädekeilat (Xip>X2p) lähetetään.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 25 että menetelmässä radioisotooppilähteenä käytetään Fe^-säteilylähdettä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään tutkittavan näytteen (14) suhteen mittauksen aikana stationäärlsenä pidettävää isotooppilähdettä (10,11), josta kohdis- 30 tetaan tutkittavan näytteen normaalin (N) molemmin puolin primääriröntgen- sädekeilojen pari (xip»X2p)» jot^a molemmat keilat kohdistetaan kaihdin- levyillä (12,13) näytteen (14) tutkittavaan alueeseen ja että mainitun primäärisädekeilaparin (Xjp»X2p) välisen sektorin (2Ψο) ulkopuolelle sijoitetaan paikkaerotteinen detektoripinta (15*), jonka avulla havaitaan 35 primääriröntgensäteiden (Xjp»X2p^ johdosta syntyneiden diffraktoituneiden säteiden (X,_.,XOJ) osumakohdat (R. ,R_). id zd i Z h 75053 Ί 4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään stationääristä, sopivimmin rengasmaista, radioisotooppilähdettä (10), jolla aikaansaadaan useita (N kpl) pareja primäärisiä röntgensädekeiloja Jot^a kohdistetaan samanaikai- 5 sesti tutkittavaan kohteeseen (P) ja että menetelmässä sovelletaan useita (N kpl) paikkaerotteisia detektoreja (15^..15^), joilla mitattavat jännitykset havaitaan useissa eri tasoissa (x^-x^...x^-x^).

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu 10 siitä, että menetelmän geometriseen efektiivisyyteen vaikuttavat tekijät, kuten lähde-näyte-detektorietäisyydet, näennäisten lähteiden, kaihtimien aukkojen, koko ja muoto sekä valaistun näytealueen (P) koko ja muoto intensiteetin kannalta valitaan niin edulliseksi kuin vaadittu erotuskyky sallii ja että primääriröntgensädekeilapari (Xj ) tai -patit fokusoi-15 daan siten, että näytteen eri kohdista diffraktoituneet samaan kideheijas-tukseen kuuluvat kvantit osuvat samaan kohtaan paikan tuntevalla detektori-pinnalla (15 1).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että isotooppisäteilylähteen (10,11) emittoiman säteilyenergian taso valitaan tutkittavan aineen röntgenabsorptiokynnysten alapuolelle niin, ettei fluoresenssi häiritse menetelmässä havaittavia röntgendiffrak-tiosädekeiloja ’

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukaisen menetelmän toteuttamiseen tar koitettu laite, joka käsittää runko-osan, johon on kiinnitetty röntgen-säteilylähde (10) ja detektorijärjestely (15) ja joka laite käsittää edelleen laitteiston (20) detektorijärjestelystä (15) saatavien signaalien (s) käsittelemiseksi ja jännityksen mittaustulosten laskemiseksi ja näyttä-20 miseksi ja/tai rekisteröimiseksi, tunnettu siitä, että säteily-lähteenä on radioisotooppilähde (10,11), jolla on kohdistettavissa pri-määrisädekeila tai -keilat (^ip»^2p^ tutkittavaan kohteeseen (P), että laitteessa on detektorina paikkaerotteinen puolijohdedetektori, kuten CCD-detektori tai lineaarivalodiodisarja-detektori, josta saatavat 25 sähkösignaalit on järjestetty luettaviksi dataloggerilla (21) tai vastaavalla ja että mittausdata tarvittaessa digitaaliseen muotoon muutettuna, on siirrettävissä tietokoneelle (22) tai mikroprosessorille jatkokäsittelyä varten. II 15 7505 3

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään stationääristä isotooppisäteilylähdettä (10,11), sopivimmin Fe^-säteilylähdettä, että säteilylähteen (10,11) ja tutkittavan kohteen (P) välille on sovitettu kaihdinjärjestely (12,13), jolla on koh-5 distettu tutkittavan kohteen (P) pinnan normaalin (N) molemmin puolin, sopivimmin samassa kulmassa ( Ψ^), primääriröntgensädekeilat ^jp»^2p^ tutkittavaan kohteeseen ja että mainittujen primäärisäteiden välisen sektorin ulkopuolelle on sovitettu paikkaerotteinen detektori, jonka paikka-erotteisuussuunta on mainittujen primääriröntgensäteiden (X^^p^ tason 10 suuntainen ja poikittaissuuntainen diffraktoituvien säteiden suunnan kanssa.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että säteilylähteenä käytetään jatkuvaa tai paloittain jatkuvaa rengas-15 lähdettä (10), jonka tuntumaan on sovitettu ensimmäinen kaihdinlevy (12), jossa on sen keskipisteen suhteen olennaisesti samansäteisiä aukkoja (12a, 12b), jotka ovat pareittain vastakkain ja että mainitun ensimmäisen kaihdin-levyn (12) ja tutkittavan kohteen (P) keskivälillä on ensimmäisen kaihdin-levyn (12) kanssa olennaisesti yhdensuuntainen ja samankeskinen toinen 20 kaihdinlevy (13), jossa on ensimmäisen kaihdinlevyn (12) aukkojen kanssa ja tutkittavan kohteen (P) kanssa samalla viivalla olevat aukot, jotka aukkoparit ohjaavat ja rajaavat primääriröntgensädekeilojen parit (Χ^,Χ^) tutkittavaan kohteeseen.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 7-9 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite käsittää useita (N kpl) detektoreja (15^), jotka vastaanottavat primääriröntgensädekeiloista (Xip»X2p) johtuvat diffraktoituneet sädekeila-parit (xld>X2d^ Ja että mainittuja detektoreja (15^) luetaan dataloggerilla (21), jolla mittausdata muutetaan digitaaliseen muotoon ja siirretään 30 tietokoneelle (22) tai vastaavalle jännitysten laskua varten ja edelleen tulostettavaksi. 35 16 7 50 5 3