JP7237210B2 - 多結晶製品の材料特性を特定するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分おいて書きに記載の、多結晶製品、特に金属製品の材料特性を特定するための方法および請求項１７の前提部分おいて書きに記載の、対応する或いは同じ目的のために使用される装置に関する。

従来技術より、金属ストリップおよび金属シート、特に熱間圧延および冷間圧延および／または焼きなましされたＦｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉその他の金属の合金が、連続的な製造の途中でさらに監視若しくは点検され、それにより出来上がった製品の特性を管理することが公知である。同じように、このことは例えばＡｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２製の基板などのセラミック材料についても言える。プロセスパラメータ、特に熱間圧延ライン、冷間圧延ライン、焼きなましライン及び検査ラインにおけるシート温度および／またはシート速度を制御することで、Ｘ線撮像による異方性材料特性のオンライン特定を用いながら製品特性を最適化することができる。

異方性の結晶性材料特性を特定するためにＸ線構造解析を用いることは、実験室規模では従来技術の一つに挙げられる。この方法は、精確に集束された或いはコリメートされた略平行なＸ線ビームがサンプルに向けられ、サンプルの結晶格子で回折されることに基づいている。その回折角は、ブラッグの式に従い、格子定数とＸ線の波長に依存する。生じた回折像は、検出器により撮像される。検出器により撮像された回折像の品質と情報内容は、検出器に到達する光子の数に依存し、従って、Ｘ線の強度と露光時間に依存する。

特許文献１より、圧延されたシートおよびストリップを、これらを透過させるように照射するＸ線ビームを用いて組織解析する方法および装置が知られている。この場合、調査される材料の結晶格子構造におけるＸ線ビームの回折が解析され、そこから組織の数値が計算される。このとき使用される検出器は、エネルギー分散型であり、多色Ｘ線で動作する。このような技術は、同じく、Ｈｅｒｍａｎｎ－Ｊ． Ｋｏｐｉｎｅｃｋらによる論文（「Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｒｏｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｉｐｓ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，第１２巻，第１号，１９９３年）からも知られている。

さらに、Ｘ線構造解析に関連して、単色Ｘ線を必要とする角度分散型の検出器を使用することも知られている。角度分散型の方法に必要な単色Ｘ線は、通常、目的の波長のみを通過させる結晶フィルタにより引き出される。次に、Ｘ線ビームは、Ｘ線光学ユニット、コリメータまたはキャピラリによって集束されたビームまたはコリメートされたビームにまとめられる。

透過法または反射法における産業用オンラインＸ線構造解析では、解析可能で統計的に意味のある調査対象材料の回折像を生成するために、できるだけ短い時間で最大限可能なサンプル量を照射しなければならない。利用できるＸ線源の有効に使える強度が低いために、これまでのところ、検出器に長い露光時間が必要になり、その長い露光時間が、この方法を薄いストリップと吸収が少ないワークに制限している。この測定をプロセス制御に用いる場合には、制御の応答時間が長くなり、その結果、プロセスフローの妨げ並びに生産性と製品品質の低下をまねくことになる。

有効に使えるＸ線が少ないのは、Ｘ線管が強く発散する円錐状の一次ビームを生成することに起因するものである。従って、Ｘ線光子の一部しかサンプル方向に放出されない。集束に用いられるＸ線光学ユニットとキャピラリは、Ｘ線強度のかなりの部分を吸収する。しかも、とりわけキャピラリは、例えばタングステンＫα放射線等の短波長のＸ線を用いる場合、キャピラリ壁における全反射の角度が不十分なせいで効果的ではない。

特許文献３より、Ｘ線構造分析を使用して金属ストリップ上の亜鉛メッキ層の厚さを調査することが知られている。それで、この文献によれば、金属ストリップ上のコーティングされた亜鉛層がその厚さに関して解析されるが、亜鉛層の組織および金属ストリップの組織は調査されない。
特許文献２は、冶金学的な製造中の金属製品の特性の、Ｘ線回折の原理に従った非接触で非破壊的な特定を開示する。そこでは、Ｘ線源とＸ線検出器を用いて金属製品の微細構造が決定され、Ｘ線源とＸ線検出器は、それぞれ稼動しながら冷却される撮像チャンバ内に配置され、点検対象の金属製品は、Ｘ線源とＸ線検出器の間を通過させるように移動させられる。その際にＸ線を束ねるために用いられるコリメータは、サンプルの法線方向にのみビームを通過させる管および／またはディスクから構成される。従って、発散するＸ線の大部分が遮蔽される。その一方、特に透過法では、高い吸収性のせいで、露光時間を短縮させ且つサンプル厚もさらに分厚くできる高コントラストで統計的に意味のある高解像度の回折像を生成するためには、高いビーム強度が必要である。
特許文献４およびＴａｍｕｒａらの論文（「Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ」Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，第７３巻，第３号，２００２年３月１日発行，第１３６９－１３７２頁）より、それぞれ、請求項１の前提部分おいて書きに記載の一般の方法および請求項１７の前提部分おいて書きに記載の一般の装置が知られている。

欧州特許第０３５２４２３号明細書 国際公開第２０１７／２０２９０４号 欧州特許出願公開第１２３３２６５号明細書 欧州特許出願公開第３３７２９９４号明細書

従って、本発明は、多結晶製品のその材料特性に関する解析を最適化するとともに、より多くの異なる製品類に拡張することを課題とする。

この課題は、請求項１の特徴を有する方法および請求項１７の特徴を有する装置により解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項に規定されている。

本発明は、少なくとも一つのＸ線源および少なくとも一つのＸ線検出器を用いたＸ線回折により、多結晶製品、特に金属製品の製造または品質検査中に多結晶製品、特に金属製品の材料特性を特定するための方法を提供する。この方法では、Ｘ線源により生成されたＸ線が、多結晶製品の表面に向けられ、そこから生じたＸ線の回折像が、Ｘ線検出器により撮像される。ここで使用されるＸ線ミラーは、回転対称に形成され、その内周面に鏡面を有し、Ｘ線源から出た後に、Ｘ線は、Ｘ線ミラーを通して誘導され、Ｘ線は、Ｘ線ミラーの鏡面でブラッグ反射され、このＸ線ミラーによって単色化されるとともに多結晶製品および／またはＸ線検出器に向けて集束された後、金属製品の表面に当たり、Ｘ線検出器は、面検出器の形態で形成されている。

同様に、本発明は、多結晶製品、特に金属製品の製造または品質検査中にＸ線回折を用いて多結晶製品、特に金属製品の材料特性を特定するための装置も提供する。このような装置は、少なくとも一つのＸ線源と、少なくとも一つのＸ線検出器とを有し、Ｘ線源により生成されたＸ線が多結晶製品の表面へと放出可能とされ、そこから生じたＸ線の回折像がＸ線検出器により検出可能とされている。この装置はさらに、中央の開口部を有する回転対称のキャリア本体を有するＸ線ミラーを有し、当該Ｘ線ミラーは、Ｘ線源により生成されたＸ線が当該Ｘ線ミラーを通過しながら誘導可能とされるように設けられ、キャリア本体の周面に鏡面が形成され、Ｘ線は、Ｘ線ミラーによって単色化されるとともに多結晶製品および／またはＸ線検出器に向けて集束される。このＸ線検出器は、面検出器の形態で形成されている。

本発明によって材料特性を特定することができる多結晶製品は、金属のストリップおよびシート、例えば、熱間圧延と冷間圧延および／または焼きなましされたＦｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉその他の金属の合金であり得る。これらに代えて、多結晶製品は、セラミック材料、特にＡｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２製の基板から構成されていてもよい。

本発明は、基本的に、Ｘ線ミラーおよびそれに付属の鏡面を使用することによって、生成されたＸ線が調査対象の多結晶製品に向けて集束されるか或いはＸ線検出器上に集束されるかの少なくともいずれかであり、その際に、Ｘ線管の多色の放射線が殆ど損失無く単色化されるという知見に基づいている。これにより、調査対象の製品に向けられるＸ線の、有効に作用若しくは使用可能な強度が有利にも増加することになる。

本発明で使用に供されるＸ線ミラーは、モノクロメータに取って代わり、その結果、通常であればモノクロメータ若しくはＫβ除去フィルタによって引き起こされる吸収損失を回避する。加えて、一次のＸ線が集束または平行化される。従来の多層膜系と比較すると、上述のＸ線ミラーの構造は、例えば真空を常に保ち続ける必要がないため、ビーム収量の点で遥かに効果的であり、動作時に、より高い費用対効果で使用することができる。

本発明のさらなる利点は、Ｘ線管により生成される一次ビームの強度の比較的良好な収量を通じて、制御の応答時間が短縮され、さらに、Ｘ線構造解析の原理をより分厚い製品（例えば金属のストリップ）およびより多くの吸収が生じる材料にまで拡張できることにある。本発明を用いることで、低損失のＸ線ビームの集束若しくは平行化の効果がもたらされ、これにより、回折される光子数が多くなり、それに伴いＸ線の有効強度が増加し、回折像の質が向上して、それによりＸ線測定の統計的な信頼性が高まることになる。

本発明の有利な発展形態において、Ｘ線ミラーの鏡面は、Ｘ線源から放出されるＸ線の中心軸線に関して球形に湾曲させて或いは円筒形に形成されている。ここで、Ｘ線ミラーの鏡面は、例えば上記の回転対称のキャリア本体（このキャリア本体は、本発明の装置の一部である。）の内周面に着設されたフィルム状コーティングの形態による高配向性グラファイト結晶から構成されていてもよい。いずれの場合であれ、Ｘ線管から放出された放射線は、湾曲したグラファイト結晶フィルム上でブラッグ反射により集束されるとともに単色化される。焦点は、フィルムの曲率（湾曲）によって設定される。

Ｘ線ミラーのキャリア本体に関しては、このキャリア本体が、好ましくはトーラスの形に、つまりトロイダル形状または断面において円環状に形成されていることをここで別途指摘しておく。いずれの場合であれ、この形状の場合、キャリア本体の中央の開口部を通してＸ線がＸ線ミラーの内側に入り込み、Ｘ線ミラーを通り抜けてくることもできることが重要である。

本発明の有利な発展形態において、Ｘ線源のＸ線管は、タングステンアノード、モリブデンアノードまたは銀アノードの少なくともいずれかを有していてもよい。この場合、Ｘ線ミラーの鏡面は、特にその湾曲（曲率）が次のように形成されている。すなわち、Ｘ線管により生成されたＸ線が、ブラッグ反射の際に、そのエネルギー領域に関してアノード材料の予め決まった輝線近くに選択されるように形成されている。

Ｘ線源のＸ線管がタングステンアノードを有する場合、Ｘ線のエネルギー領域は、タングステンのＫα線近くに、６０ｋｅＶの値または６０ｋｅＶの領域に選択される。

Ｘ線源のＸ線管がモリブデンアノードを有する場合、Ｘ線のエネルギー領域は、モリブデンＫα線近くに、１７．５ｋｅＶの値または１７．５ｋｅＶの領域に選択される。

Ｘ線源のＸ線管が銀アノードを有する場合、Ｘ線のエネルギー領域は、銀のＫα線近くに、２５．５ｋｅＶの値または２５．５ｋｅＶの領域に選択される。

上述したタングステン、モリブデンまたは銀の材料に関しては、Ｘ線源のＸ線管のアノードは、これらの材料から製造されているのでもよいし或いは少なくともこれらの材料を含むのでもよいことをここで別途指摘しておく。

本発明による多結晶製品の材料特性の特定は、透過法の原理に従って又は反射法の原理若しくは再帰反射法の原理に従って行なうことができる。

透過法の原理では、単色化された及び／又は集束されたＸ線は、多結晶製品を貫いて通り抜けてくる。この場合、一方ではＸ線源が、他方ではＸ線検出器が、それぞれ多結晶製品の異なる側に配置されている。

本発明による方法の有利な発展形態において、この方法が透過法の原理に基づいているとき、多結晶製品は、最大３０ｍｍの厚さ、好ましくは最大２５ｍｍ、さらに好ましくは最大２０ｍｍ、さらに好ましくは最大１５ｍｍ、さらに好ましくは最大１０ｍｍ、さらに好ましくは最大５ｍｍの厚さを有している。上述の値に関しては、これがそれぞれ多結晶製品の厚さに関する可能な上限であり得ることは言うまでもない。

上で説明したように、本発明による方法は、反射法の原理若しくは再帰反射法の原理に従っても実行することができる。この場合、Ｘ線源とＸ線検出器は、多結晶製品の同じ側に配置され、Ｘ線源により生成されたＸ線は、少なくとも多結晶製品の表面近接層上または表面近接層内において反射される。

本発明による方法の有利な発展形態において、この方法が反射法の原理若しくは再帰反射法の原理に基づいているとき、多結晶製品は、少なくとも０．１ｍｍの厚さを有することができる。この多結晶製品は、好ましくは、０．２ｍｍ、さらに好ましくは０．３ｍｍ、さらに好ましくは０．４ｍｍ、さらに好ましくは０．５ｍｍ、さらに好ましくは０．６ｍｍ、さらに好ましくは０．７ｍｍ、さらに好ましくは０．８ｍｍ、さらに好ましくは０．９ｍｍ、さらに好ましくは１ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも２ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも３ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも４ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも５ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも６ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも７ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも８ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも９ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも１０ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも２０ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも１００ｍｍの厚さまたはさらに好ましくは２００ｍｍを上回る厚さを有することもできる。上述の値に関しては、これがそれぞれ多結晶製品の厚さに関する可能な下限であり得ることは言うまでもない。

本発明による方法が反射法の原理若しくは再帰反射法の原理に基づく可能性に関して、補足的に、多結晶製品の表面上のコーティングを調査し、それに基づいて少なくとも一つの材料特性を特定することもこれにより可能であるということを指摘しておいてもよい。

本発明のさらなる長所は、以下のようになる：
－サンプル上若しくは調査対象の多結晶製品上における有効に使用できるＸ線強度の増加。
－検出器上におけるより鮮明で詳細な回折像の生成。
－集束された高エネルギーのＸ線を透過法で用いることにより、厚さ＞＞１ｍｍのより分厚いストリップおよびワークへの適用領域の拡大。
－従来のＸ線ではこれまで調査できなかった吸収性のより高い材料（例えば、亜鉛、銅、真鍮その他の銅合金）へのさらなる適用領域の拡大。
－結晶方位についてのさらなる材料特性の特定；特に、例えば異方性の塑性特性および異方性の弾性特性、電磁気学的特性、再結晶度および／または粒径等の物理機械的なパラメータの特定。
－材料処理プラントにおける応答時間の短縮と制御の改善。

以下に、おおまかに簡略化された図面に基づき、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

第一の実施形態による本発明の装置を示す図である。 第二の実施形態による本発明の装置を示す図である。 調査対象の製品に向けてＸ線を集束させるためのそれぞれ異なる変形例を示す図である。 調査対象の製品に向けてＸ線を集束させるためのそれぞれ異なる変形例を示す図である。 調査対象の製品に向けてＸ線を集束させるためのそれぞれ異なる変形例を示す図である。 光量子フラックスによるビーム強度の例示的な説明図である。 本発明の装置を生産プラントに使用した場合の簡略化された応用例を示す図である。 生産プラントに本発明の装置を使用した場合のさらに他の例を示す図である。

以下に、多結晶製品の少なくとも一つの材料特性をその製造中またはそれに付随する品質検査中に決定するための本発明による装置１０およびそれに対応する方法の好ましい実施形態を図１－８を参照して示すとともに説明する。図中の同じ特徴には、それぞれ同じ符号が付されている。図面は、単に簡略化して特に縮尺無しで表されていることをここで別途指摘しておく。

図１には、多結晶製品、特に金属製品１の少なくとも一つの材料特性を透過法の原理に従って特定できるように用いられる本発明の装置１０の第一の実施形態が簡略化して示されている。

この装置１０は、少なくとも一つのＸ線源１１および少なくとも一つのＸ線検出器１３を有している。これに関して、図１は、Ｘ線源１１とＸ線検出器１３が、それぞれ多結晶製品１の異なる側に配置されていることを示している。

Ｘ線源１１は、アノード２２を備えたＸ線管１２を有する。このアノード２２は、タングステン、モリブデンまたは銀の材料から構成されている或いはこれらの材料の少なくとも一つを含むことができる。

装置１０は、Ｘ線源１１と調査対象の製品１の間に配置されたＸ線ミラー１７を有している。Ｘ線ミラー１７は、回転対称に形成され、その内周面に鏡面１８（図３参照）を有している。Ｘ線ミラー１７についてのさらなる詳細は、以下に別途説明する。Ｘ線源１１により生成されたＸ線１５には、中心軸線Ａがある。

Ｘ線源１１から放出されたＸ線１５は、先ずＸ線ミラー１７を通過しながら誘導される。このときＸ線１５は、ブラッグ反射され、Ｘ線は単色化されるとともに多結晶製品１に向けて集束された後、製品１の表面２に当たる。

図１では、Ｘ線ミラー１７の鏡面でのブラッグ反射により単色化されて多結晶製品１に向けて集束されたＸ線の一部は、“１５_ｍ，ｆ”の符号で表されている。追加的または代替的に、単色化されたＸ線１５_ｍ，ｆは、Ｘ線検出器１３に向けても集束させることができる。

図１の実施形態では、Ｘ線１５_ｍ，ｆは、多結晶製品１に当たった後、製品１を通り抜ける途中で材料の結晶格子において回折される。初めに予め説明したように、回折角は、ブラッグの式に従って材料の格子定数と入射するＸ線の波長に依存する。

図１では、生じたＸ線の回折像は、“１６”の符号で表されており、この回折像が次にＸ線検出器１３で撮像される。このとき、生じた回折像１６が中心軸線Ａに関して或いは中心軸線Ａに対して扇形に広げられる角度は、例えば、それぞれ“２θ_１”および“２θ_２”の符号で表されている。

Ｘ線検出器１３が位置する製品１の側には、Ｘ線検出器に隣接させて第二の遮蔽体１４（“ビームストップ”）が配置されている。第二の遮蔽体１４は、中心軸線Ａ上において製品１を通り抜けてくる、回折を受けないＸ線が遮られ、それによりＸ線がＸ線検出器１３に届かなくなる結果、起こり得る破損から検出器が保護されるという効果を発揮する。

透過法の原理に従う図１の実施形態を用いた多結晶製品１の調査方法は、露光時間並びにＸ線の波長と強度によっても、また、ビームを通過させる対象の製品１の厚さによっても制限されている。それにもかかわらず、透過法の原理に従ったこのような測定方法には、製品１の（材料の）特性をその厚さ全体に亘って把握することができるという長所がある。

いずれにせよ、透過法の原理に従った測定方法は、特に、厚さが薄い製品１、例えば、厚さが１０ｍｍより薄い、好ましくは５ｍｍより薄い、さらに好ましくは１ｍｍより薄い場合もある薄い金属シートまたは鋼板に適している。

図２には、多結晶製品、特に金属製品の少なくとも一つの材料特性を反射法ないし再帰反射法の原理に従って特定できるように用いられる本発明の装置１０の第二の実施形態が簡略化されて示されている。図１の実施形態とは違って、この場合には、Ｘ線検出器１３は、調査対象の多結晶製品１の、Ｘ線源１１と同じ側に配置されている。

反射法の原理に従った図２の実施形態を用いた多結晶製品１の調査方法の場合、製品１の表面２に斜めに入射するＸ線ビームが、ブラッグの式に従って結晶格子において反射される。ビームが通過する表面層の厚さは、入射角と露光時間だけでなく、Ｘ線源の波長と強度にも依存する。再帰反射法は、表面に近い領域にしか適用できないものの、この方法は、比較的厚い製品１、例えば、厚さが１０ｍｍより厚い、好ましくは１００ｍｍより厚い、さらに好ましくは２００ｍｍより厚い金属シートまたは鋼板の場合にも適用できる。

図１に図示されている場合と同様に、図２の実施形態では、生じた回折像は、“１６”の符号で表されており、この回折像は、多結晶体１の表面２で反射されたＸ線から生じる。詳しくはこのとき、得られる回折角も中心軸線Ａに対して計測され、例えば、それぞれ“２θ_１”および“２θ_２”の符号で表されている。

その他の点では、図２の実施形態では、Ｘ線ミラー１７により単色化されて集束されたＸ線１５_ｍ，ｆは、図１の場合と同様に生成することができるので、繰返しを避けるために図１に対する説明を参照されたい。

以下に、集束されたおよび／または単色化されたＸ線を生成するための装置１０の詳細とともに他の変形例を図３－５を参照しながら説明する。図３－５による変形例は、それぞれ択一的なものとして理解されるべきであり、図１による本発明の装置１０の第一の実施形態の場合にも、図２による第二の実施形態の場合にも使用することができる。

図３は、Ｘ線ミラー１７を通る簡略化された縦断面図を示す。

Ｘ線ミラー１７は、回転対称のキャリア本体２６を有し、このキャリア本体は、好ましくはトロイダル形状若しくはトーラスの形に形成されているか又は断面で円環状に形成されており、いずれの場合も中央の開口部２７を備えている。

キャリア本体２６の内周面２８には、前に既に述べたＸ線ミラー１７の鏡面１８が形成されているか或いは備えられている。

Ｘ線源１１および付属のＸ線管１２（図３の画像領域の左側に示されている）から放出されるＸ線１５の中心軸線Ａに関して、Ｘ線ミラー１７の鏡面１８は、好ましくは球形に湾曲させて形成されている。

Ｘ線ミラー１７の鏡面１８は、例えば、フィルム状コーティング２０の形態でキャリア本体２６の内周面２８に着設されている高配向性グラファイト結晶から構成されていてもよい。

これに代えて、高配向性グラファイト結晶が、キャリア本体２６の内周面２８に物理的または化学的に形成されているのでもよい。

いずれの場合も、高配向性グラファイト結晶またはグラファイト結晶フィルム２０は、それぞれ結晶学的な高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ，ＨＡＰＧ）から構成されていてもよい。

図３の変形例では、Ｘ線管１２とＸ線ミラー１７との間に、例えば、平板状のディスクの形態の第一の遮蔽体２４が配置されている。

図３における領域Ｉは、側面視した第一の遮蔽体２４を拡大したものを示し、この遮蔽体が、その面の拡がりを中心軸線Ａに対して直交させて、つまり、中心軸線Ａに対して９０°の角度にして配置されていることを明確に表している。

Ｘ線管１２から放出されたＸ線１５は、先ず第一の遮蔽体２４に当たる。このとき、第一の遮蔽体２４を用いることで、Ｘ線の一部がその外周側を通り越していき（脇を抜けていき）、それにより外側に向かって扇形に拡げられるという効果が得られる。

外側に扇形に拡げられたＸ線１５の一部は、そうして次にＸ線ミラー１７の中に入って行き、その中で鏡面１８上において反射される。図１について既に説明したように、Ｘ線のこの一部は、次に、Ｘ線ミラー１７の鏡面１８でのブラッグ反射によって単色化された後、単色化されて集束されたＸ線１５_ｍ，ｆとして（図３中右に向かって）多結晶製品１および／またはＸ線検出器１３に向かってＸ線ミラー１７を後にする。

図４による変形例は、第一の遮蔽体２４の形態においてのみ図３の変形例とは異なる。

図４の領域ＩＩは、正面視した第一の遮蔽体２４を拡大したものを示し、この遮蔽体が、貫通口２５を有した開口絞りＬとして形成されていることを明確に表している。それでもこの場合、第一の遮蔽体２４が、図３の領域Ｉに示されているように、その面の拡がりを中心軸線Ａに対して直交させて配置されていることには変りはない。

図４の変形例による第一の遮蔽体２４に形成された貫通口２５は、Ｘ線の一次ビームの軸線に近い（図４において“１５Ｚ”の符号で表されている）一部が、先ずこの貫通口２５を通り、次いで、Ｘ線ミラー１７の中央の開口部２７を通り抜け、その際に、Ｘ線ミラー１７の鏡面１８と接触したり相互作用したりすることがないという効果をもたらす。換言すれば、Ｘ線の一次ビームの軸線に近い一部１５Ｚは、調査対象の多結晶製品１に向かってＸ線ミラー１７の中央の開口部２７を通過し、その際に、Ｘ線ミラーの鏡面１８で反射されることがない。
第一の遮蔽体２４のさらに他の効果は、図３の変形例について既に説明したように、Ｘ線１５が、Ｘ線ミラー１７に向かって第一の遮蔽体２４の外周側を通り越していくとともに外側へと扇形に拡げられるという点にあり、その効果は、図４の変形例においても依然として保証されている。

図４の変形例ではさらに、例えば、Ｘ線管１２とＸ線ミラー１７との間に配置することのできるフィルタＦが設けられている。このフィルタＦは、いかなる場合であれ、好ましくは中心軸線Ａ上または少なくとも中心軸線Ａ近くに配置され、貫通口２５を通り抜けた後に中心軸線Ａ近くまたは中心軸線Ａ上を進んで行くＸ線の一部１５Ｚが適切に単色化されるようにする。

タングステンアノードの場合、フィルタＦは、材料がイッテルビウムまたはハフニウムであるか或いはそういった材料から構成されている。さらに、このフィルタＦに関して、このフィルタＦは、モリブデンアノードの場合に材料がジルコンである又はジルコンの材料から構成されているか、或いはこのフィルタＦは、銀アノードの場合に材料がロジウムであるか又はロジウムの材料から構成されているかの少なくともいずれかであることを指摘しておく。

図４に図示したものとは違って、フィルタＦは、例えば、Ｘ線ミラー１７の右側であって、いかなる場合であれ調査対象の多結晶製品１の手前側の他の位置に配置することもできる。

フィルタＦを用いることで、軸線付近のＸ線の一部１５Ｚが、多結晶製品１の表面２に当たる前に適切に単色化されるようになる。

図４による変形例の場合に第一の遮蔽体２４が開口絞りＬとして形成されるのに用いられる上述した貫通口２５の効果により、調査対象の多結晶製品１の表面２上において、Ｘ線の二つの光線部分、すなわち、Ｘ線ミラー１７を用いて単色化され集束されたＸ線１５_ｍ，ｆも、Ｘ線の一次ビームの、フィルタＦを通して単色化された軸線に近い一部１５Ｚも、いずれも当たるという結果になる。Ｘ線のエネルギーが同じこれら二つの部分を用いて、つまり、図１の装置１０の第一の実施形態による透過法の原理或いは図２の装置１０の第二の実施形態による反射法の原理を用いて、調査対象の多結晶製品１の材料特性が特定される。

図５による変形例は、第一の遮蔽体２４の形態においてのみ図４による変形例とは異なる。図５の変形例では、第一の遮蔽体２４は、特に管状のコリメータＫの形態で形成されている。この種のコリメータＫを用いることで、既に図４の変形例に対するものと同じ効果、つまり、その外周部分において、そこからＸ線ミラー１７に向かって外側に拡がるＸ線１５の扇形の拡がりと、Ｘ線の一次ビームの、軸線に近い一部１５Ｚの通過とのいずれもが得られる。

図５の変形例の場合でも、Ｘ線ミラー１７の鏡面１８と相互作用するに至らない、Ｘ線の一次ビームの、軸線に近い一部１５Ｚが適切に単色化されるのに用いられるフィルタＦが設けられている。

図４および図５による変形例に関してここで別途強調しておいてもよいのは、Ｘ線の一次ビームの軸線に近い一部１５Ｚが、発散角１０°までそこを通過させられるように開口絞りＬの貫通口２５の直径或いはコリメータＫの直径と縦方向長さが選択されているということである。

これに代えて、貫通口２５の直径或いはコリメータＫの直径と縦方向長さに関する寸法を、Ｘ線の一次ビームの、そこを通過させられる軸線に近い一部１５Ｚの発散角が１０°より小さくなるように、例えば９．５°、９°、８．５°、８°、７．５°、７°、６．５°、６°、５．５°、５°の値またはさらに小さい値をとるように選択することも可能である。上記の例示的な値は、それらの間の全ての可能な値（例えば９．８°、９．４°、９．３°、８．６°、８．１°等々）をも含めて、いずれも発散角に対する上限値であり、その発散角が、貫通口２５或いはコリメータＫを通り抜けてくるときのＸ線の一次ビームの軸線に近い一部１５Ｚに生じる。

図６のグラフには、タングステンアノードを有するＸ線管１２の一例に関して、光子エネルギーの関数としてのスペクトルによる光量子フラックスの二つのスペクトルＡ（Ｘ線光学系あり、コリメータとフィルタなし）とスペクトルＢ（コリメータとフィルタあり、Ｘ線光学系なし）とが示されている。これらのグラフから明らかとなるのは、光量子フラックスにより表されたビーム強度が、タングステン管のＫα蛍光線付近のエネルギー領域において、Ｘ線ミラー１７の形態のＸ線ミラー光学系を用いることで、おおよそ５倍にまで増加できるということである。

図７のグラフは、生産ラインの一例に関連させて、調査対象の多結晶製品１、ここでは例えば金属若しくは鋼からなる帯状の材料について、時間若しくは炉の長さの関数としてのプロセスの推移に関して本発明の装置１０の可能な配置を概略的に示している。

最後に、図８の描写を参照すると、図には、例えばスラブおよび／または鋼板などの帯状の材料１の生産ラインのさらに他の一例がかなり簡略化されて示されており、図中、紙面左側から右側に搬送が行なわれ、右端でリール１０６により巻き取られる。この生産ラインの他の可能な構成要素は、少なくとも一つのロールスタンド１００、冷却セクション１０４および輸送セクション１０４から構成される。この生産ライン内で本発明の装置１０を配置することのできるおよび／または本発明による方法に従った測定プロセスを実行することのできる可能な位置は、図８中、符号“Ｐ１”、“Ｐ２”及び“Ｐ３”により象徴的に表されている。これに関して、本発明による装置１０および対応する方法は、これらの位置Ｐ１－Ｐ３のうちの一つ又は複数において配置若しくは実行することができることは言うまでもない。

上で説明した本発明の装置１０の実施形態により、有効な一次ビーム強度を改善することができるとともに、それに伴って、調査される多結晶製品１上で生じる回折光線若しくは多結晶製品１を通過しながら生じる回折光線も改善することができる。これにより、さらなる以下の長所が得られる：
－装置１０との関連で提供され得る制御応答時間の短縮。
－付加的な異方性材料特性の特定、特に結晶方位、再結晶率および粒径の特定に関する制御の改善。
－より分厚いストリップおよびワークへの応用の拡張。
－ＨＯＰＧ／ＨＡＰＧ光学系を使用することで、これまで使用されてきたＫβ吸収フィルタに比べて著しい強度の向上がもたらされる。さらに、多層膜ミラーに比べて動作時および入手時にコスト上の利点が生じる。
－より短い露光時間、従って、移動する製品、特に焼きなましプラント若しくは圧延機内を走行するストリップ上におけるより高い解像度。
－より吸収性の高いワークへの応用の拡張。
－より強いコントラスト、より高い解像度およびより改善された計数統計を通じたより良好な測定結果。
－回折像からの直接的で斬新な高速の数学的組織解析。組織解析の結果に基づいてオンラインで機械的な特性値、例えば、弾性的な異方性の挙動若しくは塑性的な異方性の挙動（ｒ値）を特定することができるので、連続的な品質保証が確保される。
－回折像からさらに粒径について述べることができる。
－角度分散型のデータ取得のための高速で読み取り可能な最新の半導体表面検出器を用いることにより、エネルギー分散型の測定方法の問題（強力な検出器冷却、結晶方位の浅い情報深さ）を回避することができる。
測定データを高速で読み取り、それを評価することで、制御の応答時間が改善する。

１ 多結晶の（例えば金属の）製品
２ （製品１の）表面
１０ 装置
１１ Ｘ線源
１２ Ｘ線管
１３ Ｘ線検出器
１４ 第二の遮蔽体（“ビームストップ”）
１５ Ｘ線
１５_ｍ，ｆ 単色化され集束されたＸ線
１５Ｚ 中心軸線Ａ上またはその近くのＸ線の一部
１６ （Ｘ線の）回折像
１７ Ｘ線ミラー
１８ （Ｘ線ミラー１７の）鏡面
２０ グラファイト結晶フィルム
２２ （Ｘ線管１２の）アノード
２４ 第一の遮蔽体（“ビームストップ”）
２５ （遮蔽体２４の）貫通口
２６ キャリア本体
２７ （キャリア本体２６の）中央の開口部
２８ 内周面
１００ ロールスタンド
１０２ 冷却セクション
１０４ 輸送セクション
１０６ リール
Ａ 中心軸線
Ｆ フィルタ
Ｋ コリメータ
Ｌ 開口絞り
Ｐ１ （装置１０のための）第一の可能な測定位置
Ｐ２ （装置１０のための）第二の可能な測定位置
Ｐ３ （装置１０のための）第三の可能な測定位置

Claims (32)

1. 少なくとも一つのＸ線源（１１）および少なくとも一つのＸ線検出器（１３）を用いたＸ線回折により、多結晶製品（１）の製造および品質検査中に多結晶製品（１）の材料特性を特定するための方法であって、Ｘ線源（１１）により生成されたＸ線（１５）が、Ｘ線ミラー（１７）によって多結晶製品（１）の表面（２）に向けられ、そこから生じたＸ線（１５）の回折像が、Ｘ線検出器（１３）により撮像される方法において、
   Ｘ線ミラー（１７）は、回転対称に形成され、その内周面に鏡面（１８）を有し、Ｘ線源（１１）から出た後に、Ｘ線（１５）は、前記Ｘ線ミラー（１７）を通して誘導され、Ｘ線（１５）は、鏡面（１８）でブラッグ反射され、Ｘ線ミラー（１７）によって単色化されるとともに多結晶製品（１）およびＸ線検出器（１３）に向けて集束された後、或いは多結晶製品（１）に向けて集束された後、多結晶製品（１）の表面（２）に当たり、Ｘ線検出器（１３）は、面検出器の形態で形成されていることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、Ｘ線ミラー（１７）の鏡面（１８）は、Ｘ線源（１１）から放出されるＸ線（１５）の中心軸線（Ａ）に関して球形に湾曲させて或いは円筒形に形成されていることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、Ｘ線源（１１）のＸ線管（１２）は、タングステンアノード（２２）、モリブデンアノード（２２）または銀アノードの少なくともいずれかを有し、Ｘ線ミラー（１７）の鏡面（１８）は、Ｘ線管（１２）により生成されたＸ線（１５）が、ブラッグ反射の際に、そのエネルギー領域に関してアノード材料の予め決まった輝線近くに選択されるように特にその湾曲が形成されていることを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、Ｘ線源（１１）のＸ線管（１２）は、タングステンアノードを有し、Ｘ線（１５）のエネルギー領域は、タングステンのＫα線近くに、６０ｋｅＶの値または６０ｋｅＶの領域に選択されることを特徴とする方法。
5. 請求項３または４に記載の方法において、Ｘ線源（１１）のＸ線管（１２）は、モリブデンアノードを有し、Ｘ線（１５）のエネルギー領域は、モリブデンのＫα線近くに、１７．５ｋｅＶの値または１７．５ｋｅＶの領域に選択されることを特徴とする方法。
6. 請求項３から５のいずれかに記載の方法において、Ｘ線源（１１）のＸ線管（１２）は、銀アノードを有し、Ｘ線（１５）のエネルギー領域は、銀のＫα線近くに、２５．５ｋｅＶの値または２５．５ｋｅＶの領域に選択されることを特徴とする方法。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の方法において、Ｘ線源（１１）から放出されるＸ線（１５）の中心軸線（Ａ）の領域に、第一の遮蔽体（２４）が配置され、当該遮蔽体を用いて、Ｘ線源（１１）から出た後に、Ｘ線（１５）の一部が遮られることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、第一の遮蔽体（２４）は、板状、特に円板状に形成され、その面の拡がりを中心軸線（Ａ）に対して直交させるように配向され、Ｘ線（１５）の一部が、Ｘ線ミラー（１７）に向かって第一の遮蔽体（２４）の脇を抜け、それにより外側に向かって扇形に広げられ、次にＸ線ミラー（１７）の鏡面（１８）に当たることを特徴とする方法。
9. 請求項７または８に記載の方法において、第一の遮蔽体（２４）は、貫通口（２５）を有した開口絞り（Ｌ）として又はコリメータ（Ｋ）の形態で形成され、それにより、Ｘ線の一次ビームの軸線に近い一部（１５Ｚ）が、貫通口（２５）若しくはコリメータ（Ｋ）を通り抜け、次に、Ｘ線ミラー（１７）の鏡面（１８）に当たらないように、Ｘ線ミラー（１７）の中央の開口部（２７）を多結晶製品（１）に向かって通過して行くことを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法において、開口絞り（Ｌ）の貫通口（２５）の直径若しくはコリメータ（Ｋ）の直径および縦方向長さは、Ｘ線の一次ビームの軸線に近い一部であって、発散角が１０°までの一部（１５Ｚ）を通過させるように選択されていることを特徴とする方法。
11. 請求項９または１０に記載の方法において、中心軸線（Ａ）の近く又はその上を進んで行くＸ線の一部（１５Ｚ）は、適したフィルタ（Ｆ）により単色化され、好ましくは、タングステンアノードの場合に、フィルタ（Ｆ）は、材料がイッテルビウムまたはハフニウムであるか又はイッテルビウムまたはハフニウムの材料から構成されているか、モリブデンアノードの場合に、フィルタ（Ｆ）は、材料がジルコンであるか又はジルコンの材料から構成されているか、或いは、銀アノードの場合に、フィルタ（Ｆ）は、材料がロジウムであるか又はロジウムの材料から構成されているかの少なくともいずれかであることを特徴とする方法。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の方法において、単色化されるか或いは集束されるかの少なくともいずれかのＸ線（１５_ｍ，ｆ，１５Ｚ）は、多結晶製品（１）を通り抜けてくることを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、多結晶製品（１）は、最大３０ｍｍの厚さ、好ましくは最大２５ｍｍ、さらに好ましくは最大２０ｍｍ、さらに好ましくは最大１５ｍｍ、さらに好ましくは最大１０ｍｍ、さらに好ましくは最大５ｍｍの厚さを有していることを特徴とする方法。
14. 請求項１２または１３に記載の方法において、Ｘ線源（１１）から放出されるＸ線（１５）の中心軸線（Ａ）上に、Ｘ線検出器（１３）に隣接させて第二の遮蔽体（１４）が配置され、それにより、単色化されて少なくとも中心軸線（Ａ）上を進んで行くＸ線（１５Ｚ）が、多結晶製品（１）を通り抜けてきた後に、第二の遮蔽体（１４）により遮られることを特徴とする方法。
15. 請求項１から１１のいずれかに記載の方法において、単色化されるか或いは集束されるかの少なくともいずれかのＸ線（１５_ｍ，ｆ，１５Ｚ）が少なくとも多結晶製品（１）の表面近接層（２）で反射されることを特徴とする方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、多結晶製品（１）は、少なくとも０．１ｍｍの厚さ、好ましくは０．２ｍｍ、さらに好ましくは０．３ｍｍ、さらに好ましくは０．４ｍｍ、さらに好ましくは０．５ｍｍ、さらに好ましくは０．６ｍｍ、さらに好ましくは０．７ｍｍ、さらに好ましくは０．８ｍｍ、さらに好ましくは０．９ｍｍ、さらに好ましくは１ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも２ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも３ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも４ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも５ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも６ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも７ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも８ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも９ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも１０ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも２０ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも１００ｍｍの厚さまたはさらに好ましくは２００ｍｍを上回る厚さを有することを特徴とする方法。
17. 多結晶製品（１）の製造または品質検査中にＸ線回折を用いて多結晶製品（１）の材料特性を特定するための装置（１０）であって、
    少なくとも一つのＸ線源（１１）と、少なくとも一つのＸ線検出器（１３）とを有し、Ｘ線源（１１）により生成されたＸ線（１５）が、Ｘ線ミラー（１７）によって多結晶製品（１）の表面（２）へと放出可能とされ、そこから生じるＸ線（１５）の回折像がＸ線検出器（１３）により検出可能とされている装置において、
    Ｘ線ミラー（１７）は、中央の開口部（２７）を有する回転対称のキャリア本体（２６）を有し、Ｘ線源（１１）により生成されるＸ線（１５）が前記Ｘ線ミラー（１７）を通過しながら誘導可能とされ、キャリア本体（２６）の内周面（２８）に鏡面（１８）が形成され、Ｘ線（１５）が当該Ｘ線ミラー（１７）により単色化されるとともに多結晶製品（１）およびＸ線検出器（１３）に向けて集束され、或いは多結晶製品（１）に向けて集束され、
    Ｘ線検出器（１３）は、面検出器の形態で形成されていることを特徴とする装置。
18. 請求項１７に記載の装置（１０）において、キャリア本体（２６）がトロイダル形状または断面において円環状に形成されていることを特徴とする装置。
19. 請求項１８に記載の装置（１０）において、Ｘ線ミラー（１７）の鏡面（１８）は、Ｘ線源（１１）から放出されるＸ線（１５）の中心軸線（Ａ）に関して球形に湾曲させて又は円筒形に形成されていることを特徴とする装置。
20. 請求項１８または１９に記載の装置（１０）において、Ｘ線ミラー（１７）の鏡面（１８）が高配向性グラファイト結晶（２０）から構成されていることを特徴とする装置。
21. 請求項２０に記載の装置（１０）において、高配向性グラファイト結晶は、フィルム状コーティング（２０）の形態でキャリア本体（２６）の内周面（２８）に配置されていることを特徴とする装置。
22. 請求項２０または２１に記載の装置（１０）において、高配向性グラファイト結晶（２０）は、キャリア本体（２６）の内周面（２８）に物理的または化学的に形成されていることを特徴とする装置。
23. 請求項２０から２２のいずれかに記載の装置（１０）において、高配向性グラファイト結晶（２０）またはグラファイト結晶フィルム（２０）は、それぞれ結晶学的に高配向性の熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ，ＨＡＰＧ）から構成されていることを特徴とする装置。
24. 請求項１７から２３のいずれかに記載の装置（１０）において、Ｘ線源（１１）とＸ線ミラー（１７）との間に配置され、Ｘ線の一部がＸ線源（１１）から出た後に遮られる第一の遮蔽体（２４）を特徴とする装置。
25. 請求項２４に記載の装置（１０）において、第一の遮蔽体（２４）は、板状、特に円板状に形成され、その面の拡がりを、Ｘ線源（１１）から放出されるＸ線（１５）の中心軸線（Ａ）に対して直交させるように配向されていることを特徴とする装置。
26. 請求項２４または２５に記載の装置（１０）において、第一の遮蔽体（２４）は、貫通口（２５）を有する開口絞り（Ｌ）またはコリメータ（Ｋ）として形成され、好ましくは、開口絞り（Ｌ）の貫通口（２５）の直径若しくはコリメータ（Ｋ）の直径と縦方向長さが、貫通口（２５）若しくはコリメータ（Ｋ）を通り抜けるＸ線の一次ビームの軸線に近い一部（１５Ｚ）が発散角１０°まで通過させられるように選択されていることを特徴とする装置。
27. 請求項１７から２６のいずれかに記載の装置（１０）において、Ｘ線の一次ビームの軸線に近い一部（１５Ｚ）を単色化するのに用いられるフィルタ（Ｆ）であって、好ましくは、タングステンアノードの場合に、材料がイッテルビウムまたはハフニウムであるか或るいはイッテルビウムまたはハフニウムの材料から構成され、モリブデンアノードの場合に、材料がジルコンであるか又はジルコンの材料から構成されているか、或いは、銀アノードの場合に材料がロジウムであるか又はロジウムの材料から構成されているかの少なくともいずれかであるフィルタ（Ｆ）を特徴とする装置。
28. 請求項１７から２７のいずれかに記載の装置（１０）において、Ｘ線源（１１）のＸ線管（１２）は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｂ）および／または銀（Ａｇ）から構成されている少なくとも一つのアノードを有し、好ましくは、Ｘ線管（１２）は、複数のアノードを有し、それらのアノードは、タングステンアノード、モリブデンアノードおよび／または銀アノードから形成されていることを特徴とする装置。
29. 請求項１７から２８のいずれかに記載の装置（１０）において、Ｘ線源（１１）とＸ線検出器（１３）は、それぞれ多結晶製品（１）の異なる側に配置され、Ｘ線源（１１）により生成されたＸ線（１５）は、多結晶製品（１）を通り抜けることを特徴とする装置。
30. 請求項２９に記載の装置（１０）において、Ｘ線源（１１）から放出されるＸ線（１５）の中心軸線（Ａ）上に、Ｘ線検出器（１３）に隣接させて配置されている第二の遮蔽体（１４）を特徴とする装置。
31. 請求項１７から２８のいずれかに記載の装置（１０）において、Ｘ線源（１１）とＸ線検出器（１３）は、多結晶製品（１）の同じ側に配置され、Ｘ線源（１１）により生成されたＸ線（１５）は、多結晶製品（１）の表面（２）で反射されることを特徴とする装置。
32. 多結晶製品（１）の製造または品質検査中にＸ線回折を用いて多結晶製品（１）の材料特性を特定するための方法であって、請求項１７から３１のいずれかに記載の装置が使用される方法。

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