KR20060015478A

KR20060015478A - 엑스선 회절 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20060015478A
Application number: KR1020057017464A
Authority: KR
Inventors: 마이클 브라우스
Original assignee: 프로토 매뉴팩쳐링 리미티드; 프로토 매뉴팩쳐링 엘엘씨.
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2006-02-17
Also published as: CA2519657A1; US7283612B2; KR101089597B1; EP1608957A4; CA2519657C; US20040184580A1; EP1608957A2; CN1816740B; US20050281375A1; CN1816740A; WO2004083815A2; JP4607097B2; US20070071170A1; WO2004083815A3; EP1608957B1; US6925146B2; JP2006520902A

Abstract

X선 회절 측정 동작 중에 아치형 경로에서 헤드를 이동시키는 공동 구동 조립체를 갖는 베이스 장치에 분리할 수 있게 연결되도록 모듈식 X선 헤드를 포함하는 개방 빔 X선 회절 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 헤드는 발생하는 측정 작동의 요구에 따라 다른 성능 기준에 맞추어질 수 있다. 이를 위해, 헤드 중에 하나는 관형 부분의 내부와 같은 표면에 접근하기 어려운 표면을 측정하도록 된 마이크로 헤드일 수 있다. 또한 정확도와 속도가 개선된 구동 조립체에 대한 개선된 사항이 개시되었다.

X선 헤드, 베이스 장치, 구동 조립체, 튜브

Description

엑스선 회절 시스템 및 방법{Ｘ-RAY DIFFRACTION SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 X선 회절 기술을 이용하여 부분 재료의 강도와 관련된 성질을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이며, 특히 다양한 크기와 외형을 갖는 부분에 X선 회절 기술을 적용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

금속이나 세라믹 물질 같은 결정체의 잔류 변형력을 측정하기 위한 X선 회절 기술의 사용은 잘 알려져 있다. X선 회절 기술의 사용에 대한 일반적은 아이디어는 물질에 X선을 쬐고; 그 결과로 감지된 X선 회절 최대값이 스트레스, 잔류 오스테나이트(Austenite), 경도와 같은 강도 관련 성질의 측정에 도달하도록 해석되어, 재료의 피로도를 나타내는 것이다.

특히, 본 발명은 헤드의 전방부 말단으로 이동되는 광섬유 검출기(detector)를 가진 외팔보 X선 각도계(geniometer) 헤드를 사용한 개방 빔형(open beam) X선 회절기구에 관한 것이다. 대조적으로 X선 헤드는 원형 장착부 중 어느 하나의 지역에 위치하고, 검출기는 원형 장착부를 따라서 X선 헤드의 직경방향으로 맞은 편 혹은 이로부터 가로질러 이격되어 있고, 부분이 이 사이의 공간에 삽입되는 방식의 폐루프식 X선 회절 시스템이 있다. 이러한 시스템에서, 조각의 크기는 X선 헤드, 검출기 및 일반적으로 측정이 요구되는 부분으로부터 취득된 시편(coupons)의 상기 배치로 인해 제한된다. 개방 빔이 접근하면, X선 헤드와 검출기가 상호 일체를 이루기 때문에, 시편은 부분으로부터 절단되지 못한다. 하지만, 통용되는 개방 빔 X선기기는 여전히 이하에 기술되는 바처럼 단점으로부터 자유롭지 않다.

상기 문제 중 하나는 갖가지 상이한 부분 및/또는 상이한 물질 또는 결정 구조와 관련된 다른 특성을 가진 물질에 대해 이러한 개방 빔 형태의 다양한 측정을 수행할 수 있는 개방 빔형 X선 회절기구가 없었다는 것이다. 일반적으로 각도계나 X선 튜브 헤드의 크기는 그것의 작동에 요구되는 파워와 관계가 있다. 요구되는 파워 수준이 높을 수록, X선 튜브의 직경은 열 소실을 위해 커진다. 각도계 헤드에 요구되는 파워는 특정 물질이나 물질의 특성에 대해 발생할 X선 회절 과정에 필요한 충분한 X선 전속(flux)을 발생하도록 선택된다.

측정을 위해 큰 직경의 X선 헤드를 사용시 문제점은 파이프(pipes)같은 특정 부분들은 상기 부분의 내부 물질을 측정하는 것이 요구되기 때문에 발생한다. 파이프 및 X선 회절기구의 헤드의 내부직경의 크기에 따라, X선 헤드를 파이프 내부에 삽입하여 측정을 하는 것이 물리적으로 불가능할 수 있다. 또한, 부분의 표면이 항공기 회전날개의 지지부에 위치한 항공기 회전날개 디스크의 필렛(fillet)에서 발견되는 것처럼 상호 근접하게 마주보고 있는 폐쇄 공간 내의 위치하는 경우, X선이 정밀하게 측정이 요구되는 표면지점을 향하도록 X선 회절기구를 배치하는 것이 곤란할 수 있으며, 조정되는 X선 헤드 자체의 부피가 보통 크다. 통용되는 개방 빔 X선 회절기구는 측정될 물질에 맞추어 만들어진 X선 헤드가 있기 때문에; 광범위하게 상이한 물질 혹은 상이한 특성, 혹은/및 상이한 외형을 가진 상이한 부분 을 측정하기 위해서는 상이한 크기 및 종류의 X선 회절기구가 많이 필요하고 이에 따라 장비 비용은 증가한다. 그러므로 상이한 부분의 종류와 상이한 부분의 외형에 대해서 정확한 X선 회절 측정이 가능한 큰 유연성이 있는 X선 회절 시스템과 그 방법이 요구된다.

상기 장치를 사용하는 경우 또 다른 문제점은, 요구되는 측정 정밀도 및 측정작업 동안 축상회전 또는 회전을 위한 시스템 구동 메커니즘 과정에서, 장치가 발생하는 결과물에 관한 것이다. X선 측정작업 동안, 부분과 관련하여 고정된 튜브 및 시준기(collimator)를 유지하는 것과는 대조적인 추출기법(sampling techniques)의 방식으로, 더 정확한 측정치를 얻기 위해 튜브는 일반적으로 부분을 향해 X선이 방사되는 X선 이미터(emitter)나 시준기의 위치를 변화시키기 위해 축상회전한다. 언급한 바와 같이, 튜브는 일반적으로 외팔보이며, 튜브와 함께 축상회전하는 피니언(pinion) 기어를 포함한 구동 모터에 의해 고정된 아치형 선반(rack)을 따라 전후방으로 축상회전된다. 다른 배치는, 모터가 튜브에 고정된 선반에서 축상회전하는 것이다. 두 가지 예에서 모터 역시 통용되는 X선 회절기구의 외팔보 구조의 한 부분이다. 그러므로 통용되는 X선 회절기구는 무거운 외팔보를 가지고 있으며, 특히 대형 X선 튜브가 있다. X선 회절 기술은 회절 최고점 및 감지된 X선의 패턴에서 작은 차이를 판별하는 것에 의존하여 사용되기 때문에, X선 헤드의 축상회전의 정확성이 요구된다. 이송 벨트의 늘어짐 및/혹은 상기 기술한 선반 및 피니언의 배열같이 그 사이에서의 움직임으로 인해 물려진 기어 사이에서 발생하는 백래시(backlash) 문제로 인하여, 상기 구동 메카니즘에서는 부정확성이 발생할 수 있다. 그러므로 효율성과 정확한 측정을 위한 X선 헤드의 정밀한 움직임이 제공되는 작동 메커니즘이 필요하다.

선호되는 측정 기술인 dv.Sine²Ψ은 모든 부분의 구조를 측정할 수 있는 것은 아니라는 점에서, 표준 X선 회절 측정 기술은 다양한 부분의 크기와 구조에 대해 아직 또 다른 문제를 가진다. 상기 기술을 사용할 때, 센서는 헤드 자체의 각회전 평면과 평행한 평면에 존재한다. X선, 부분 및 센서의 기하학적인 관계상, 이러한 기술은 부분의 특성 강도를 측정하는데 가장 정확한 방법이다. 그러나 이러한 기술은 센서가 부분에 충돌하지 않고, 헤드가 전후방으로 왕복하는데 필요한 충분한 공간이 요구된다. 그러므로 dv.Sine²χ라고 불리는 다른 측정 기술이 반드시 사용되어야 하는 경우가 있다. 상기 기술을 사용할 때는, 센서가 일반적으로 X선 튜브의 세로축에 일직선이거나 평행하게 하기 위해서, dv.Sine²Ψ 방향으로부터 이미터의 세로축에 대해 90°이동한 위치에 센서가 있다. 그러면 X선 회절 측정 동안 헤드는 정상적 때와 마찬가지로 회전한다. 이러한 센서 배치는 사용자가 칼날 지지부 사이처럼 좁은 공간에 대해서도 측정할 수 있게 한다. 그러나 dv.Sine²χ 기술의 사용은 측정 정확성의 희생을 요구한다. 일반적으로, 하나의 기술에서 다른 기술로 전환하기 위해서는 X선 회절기구를 바꾸어야 한다. 따라서, 사용되는 측정 기술에 관점에서, 유연성을 갖는 X선 회절기구가 요구된다.

본 발명의 하나의 관점에 따라서, 장치의 성능을 최적화하기 위해 다른 것으로 교체할 수 있도록 모듈식으로 된 X선 혹은 각도기 헤드를 가진 X선 회절기구가 제공된다. 이런 방식으로, 측정될 부분에 요구되는 움직임에 따라서 선택된 상이한 모듈식 헤드를 동일한 X선 회절 장치에 결합하여 사용하여, 다른 X선 회절 장치를 필요로 하지 않으면서, 부분의 크기 및 구조와 다른 부분의 재료 또는 재료의 성질에 대해 폭넓은 범위로 측정할 수 있게 된다. 예를 들면, 만약 부분이 표면 내부의 파이프(pipe)처럼 일반적인 대형 X선 튜브로는 접근하기 어렵거나 불가능한 측정지역을 포함하고 있다면, 제거 가능한 대형 X선 헤드를 소형 X선 헤드로 바꾸고, X선 회절 측정에 사용될 기구에 부착하면 된다. 만약 부분의 물질 및/또는 기하 형상 때문에, 고 파워 X선 헤드가 바람직한 경우, X선 회절기구에 소형 X선 헤드 대신에 대형 X선 헤드로 교체하여 사용할 수 있다. 본 발명은 장치의 성능을 최적화하기 위해 다른 것으로 교체될 수 있는 X선 헤드 모듈을 사용하는 하나의 베이스 장치가 사용되므로, 상이한 각각의 헤드에 대해 상이한 X선 회절기구를 필요로 하는 것은 본 발명보다 요구되는 공간이나 비용이 더 크다는 것은 명백하다. 크기, 타 작동사항 및 헤드 교체시마다 정보를 입력할 필요 없이 적절한 작동을 할 수 있도록 장치에 연결된 X선 검출 시스템을 포함하는 특정 헤드의 작업 특성에 대한 정보를 베이스 제어부에 전송하기 위해, 프로그램 가능한 모듈(programmable)은 각각의 헤드와 결합될 수 있다.

모듈식 헤드 각각은 X선 튜브, 이미터/센서 조립체 및, 장치의 베이스에 헤드를 연결하기 위한 어댑터 부분, 그리고 보다 구체적으로는 협력하는 어댑터를 갖고 있다. 헤드 어댑터 부분은 베이스의 축(shaft)의 형태로 베이스 어댑터 부분에 연결되는 소켓이며, 축은 상기 기술한 바처럼 X선 헤드를 이동시키는 구동 트레인(train) 및 모터에 의해 구동된다. 바람직한 형태는, 소켓은 원뿔형이며, 축은 X선 헤드 소켓과 어울리는 원뿔형 말단을 가진 것이다. 소켓 개구에 축을 단단히 고정하기 위하여, 축은 열쇠구멍(keyway)을 가지고, 헤드 어댑터는 축과 축에 분리될 수 있게 연결된 X선 헤드 사이에서 상대 회전을 방지하기 위하여 열쇠구멍과 짝지어지고, 해체 가능하게 열쇠 구멍에 고정되는 키를 가진다. 대안으로는, 축이 열쇠를 포함하고 소켓이 열쇠구멍을 포함하도록, 열쇠와 열쇠구멍이 반대로 있을 수 있다.

X선 튜브 헤드 각각은 X선이 아래 방향으로 부분을 향하기 위해 튜브 세로축에 일반적으로 직각을 이루며 부착되어 있는 이미터나 시준기를 갖는다. 검출기용 아치형 장착부가 말단 중 한 곳에 제공되고, 이미터와 시준기는 장착부를 분할하며, 이러한 조립 이미터/센서는 통용되는 X선튜브의 전형적인 구조이다. 그러므로 모터나 베이스 장치의 작동은 출력축 어댑터를 회전시키고, 차례로, 소켓 어댑터 부분에 의하여 장치 축 어댑터에 분리 가능하도록 연결된 튜브를 회전시킨다. 그러므로 헤드 어댑터 부분과 그곳에 부착된 튜브의 회전은, X선이 X선 튜브 헤드의 초기각과 상이하게 부분이 위치한 지역을 향하도록, 시준기를 예정된 아치형 경로를 따라 움직이도록 한다. 비록 X선 헤드 조립체가 베이스 장치로부터 전방에 외팔보로 있지만, 모터 및 출력축을 포함한 구동 변속 장치 포함한 구동 메커니즘은, 상기 기술한 것처럼 헤드에 외팔보로 결합한 축상회전 구동을 갖는 이전의 무거운 X선 헤드와 대조적으로, X선 헤드 모듈의 외팔보 무게를 최소화하기 위해 베이스 장치에 모두 배열되어 그곳에서의 움직임의 정확성을 개선한다.

본 발명의 다른 관점에서, 구동 모터의 작동에 의한 헤드의 정밀한 이동을 제공하기 위한, 백래시 방지 메커니즘을 포함한 개선된 구동 조립체가 제공된다. 이러한 정밀한 이동은 더욱 정확한 X선 회절 측정을 가능하게 한다. 바람직하게는 백래시 방지 메커니즘은 구동 트레인, 더 명확하게는 베이스 구동 장치의 어댑터 축 조립체와 결합되는 분할 기어(split gear)를 사용한다. 기어는 서로에 대해 마향하여 편향된 대응하는 이빨 부분을 가지는 기어 부분으로 분열된다. 이러한 방법으로 분할 기어의 이빨 표면은, 구동축 기어 이빨과 분할 기어 이빨 사이에의 헐거움이나 움직임을 실질적으로 최소화하기 위해, 모터 구동축 기어의 이빨 표면과 견고하게 맞물려 있게 된다. 대안으로는, 분할 기어는 출력축 조립체의 기어와 맞물리는 모터 구동축에 제공될 수 있다.

상기 서술한 이전의 선반과 피니언 구동(pinion) 시스템과 달리 분할 기어는, X선 헤드가 한쪽 말단에서 다른 한쪽 말단으로 선반을 따라 이동하다 말단에 도착하여 모터가 방향을 바꾸려할 때 이전의 모터 시스템에서 발생할 수 있는, 백래시를 방지한다. 선반 및 피니언 시스템은, 모터가 방향을 바꿀 때 기어 사이의 움직임으로 인해, X선 회절 측정시 상기 언급된 부정확성을 발생시킨다. 대조적으로, 본 분할 기어는 아치형 경로의 한 말단에서 다른 방향으로 방향을 바꾸려 할 때도 모터 기어의 이빨 표면이 분할 기어의 이빨과 견고하게 맞물려 있다. 그로 인해, 본 백래시 방지 메커니즘은 이전의 구동 시스템의 기어 이빨 사이의 움직임으로 인해 발생하는 부정확성을 방지한다.

상기 언급된 바와 같이, 본 X선 회절 기구의 X선 헤드의 모듈 방식은 다양한 크기 및/혹은 구조의 X선 헤드가 동일한 베이스 장치에 사용될 수 있게 한다. 이를 위해 헤드는, 예를 들어 대략 직경이 4인치인 비교적 대형 헤드에서부터 직경이 대략 1.25인치에서 아래로는 ⅜인치에 이르는 초소형 혹은 마이크로 헤드까지, 크기 범위를 포함할 수 있다. 튜브에서 발생한 X선이 시준기를 통과하도록 하는, 시준기와 일직선으로 배열된 튜브의 윈도우는 보통 스테인리스 스틸인 튜브 금속에 접합된다. 그러나 마이크로튜브에 접합 중간물을 사용하는 것은, 튜브 오염 및 튜브에서의 누설 발생의 가능성을 증가시키는, 녹는점의 변화를 증가시키는 문제가 있다. 따라서, 마이크로 튜브 X선 헤드에 사용되는 바람직한 창은 접합 중간물을 피하기 위해 튜브에 전자빔으로 용접된다.

마이크로튜브의 또 다른 변형은 처리과정 동안 검출기로부터 신호를 수신하는 가요성 회로 보드(flexible circuit board)의 사용이다. 가요성 회로 보드는 마이크로 튜브의 현저한 직경증가를 방지하도록 마이크로 튜브 헤드의 구부러진 표면과 같은 모양이 될 수 있다. 일반적으로 이전의 대형 X선 튜브에서는, 검출기는 광섬유 케이블에 의해 X선 헤드의 후미 혹은 상부 쪽으로 부착된 처리 장치에 연결되었고, 이로 인해 난해한 부분의 형상 등에 요구되는 헤드 조정에 장애를 발생시켰다. 따라서 마이크로 튜브에서 유연한 회로 보드의 사용은 X선 회절측정을 할 접근하기 힘든 목표 부분표면에 접근할 수 있는 강화된 유연성을 유지한다.

본 모듈 X선 회절 기구에 사용될 수 있는 모듈 X선 헤드 세트 중 대형 헤드의 경우에서, 실시가능한 또 다른 장점은 수학공식, dv.Sine²Ψ 및 dv.Sine²χ 모두가 사용가능할 수 있도록 X선와 관련하여 이미터/센서 조립체를 이동할 수 있는 능력이다. 상기 기술된 바람직한 시스템에서 제공된 X선 헤드의 모듈성은 사용할 측정 기술에 따라 쉽게 교체 가능한 상이한 튜브에 고정되는 상이한 이미터/센서 배치를 가능하게 하는 반면, 특정 튜브에서 이미터/센서 조립체의 이동은 상기 기술된 바와 같이 튜브를 교체하는 것을 방지하는 편익관점에서 바람직하다.

일반적으로, 이미터/센서 하위 조립체는 상기 기술된 바처럼 센서가 부착된 아치를 포함한다. 센서가 dv.Sine²Ψ 방향일 때, 센서는 튜브 세로축의 어느 한 쪽에 대해서 어긋나 있고(offset), 이로 인해 어려운 부분의 기하형상을 측정할 때 튜브 조정에 장애를 발생시킨다. 따라서, 튜브 축을 따라 정렬된 dv.Sine²Ψ 방향이 되도록 센서 이동을 가하게 하는 것에 의해, X선 회절 용도에서 낮은 정밀함을 갖는 수학 공식임에도 불구하고, X선 헤드는 아치가 현재 최소로 침입하는 방향에 있기 때문에 보다 나은 위치에 있게 된다.

한 형태로, 수동 작동기(actuator)는 조작자가 수동으로 상기 기술된 구조 사이에서 센서의 위치를 수동으로 조정할 수 있도록 제공된다. 수동 작동기는 요구되는 센서를 위한 구조에 대응되는 양 구멍 중 선택된 하나로 편향되는 핀(pin) 일수 있다. 상기 핀은 센서를 다른 구조로 이동시키기 위해, 그 편향에 대항하여 구멍으로부터 사용자가 핀을 뽑아내도록 손잡이 견인링(handle pull ring)을 갖고 있다. 핀이 다른 구멍으로 정렬되면, 견인링은 해체되며; 핀은 선택된 구조로 센서를 고정하기 위해 정렬된 구멍으로 편향진다. 결국, 견인링 수동 작동기는 매우 효과적이고 빠른 조정으로, 대형 X선 헤드를 갖가지 상이한 부분의 구조에도 좀더 유연하게 사용될 수 있도록 하는 센서 구조가 이루어 지게 한다.

도1은 하부에 고정된 부분으로부터 X선 회절을 측정하기 위한 센서와 시준기를 구비하는 X선 헤드를 보여주는 본 발명의 X선 회절 시스템의 사시도.

도2는 모터 장치의 출력 어댑터 축부분을 포함하는 모듈식 X선 헤드와 모터 베이스 장치 사이의 어댑터를 보여주는 도1에 도시된 X선 회절 장치의 분해 사시도.

도3 내지 도5는 구동 장치의 출력 축 어댑터부와 짝을 이루기 위해 동일한 후방 소켓 어댑터부를 각각이 포함하는 크기가 다른 모듈식 X선 헤드의 입면도.

도6은 센서로부터의 신호를 처리하기 위한 가요성 회로보드와 고정 센서 장치를 나타내는 도5의 마이크로 X선 헤드의 사시도.

도7은 튜브 벽의 구성과 점선으로 그려진 타겟 양극판을 나타내는 도6의 X선 헤드의 일부가 절개된 측면 입면도.

도8은 튜브용 전방 입구와 출구 냉각포트를 나타내는 도7의 라인 8-8을 따라 취해진 정면 입면도.

도9는 X선을 안내하기 위해 튜브의 바닥부에 형성된 윈도우를 나타내는 도7의 라인 9-9를 따라 취해진 바닥 평면도.

도10은 출력 어댑터 축단부의 절두 원뿔형 구조와 모터를 나타내는 구동 조 립체의 도1의 라인 10-10을 따라 취해진 평면도.

도11은 출력 축과 결합된 백래시 방지 기어 조립체와 모터 구동축을 점선으로 나타내는 도10의 라인 11-11을 따라 취해진 구동 조립체의 정면 입면도.

도12는 출력 축 조립체에 편향 변환 기어를 포함하는 백래시 방지 기어와 맞물린 모터 구동축의 피니언 기어를 나타내는 도10의 라인 12-12를 따라 취해진 단면도.

도13은 서로 대향하여 모가 나 있는 변환 기어에 힘을 가하기 위한 편향 메커니즘을 나타내는 도12의 라인 13-13을 따라 취해진 기어 조립체의 입면도.

도14는 각각의 변환 기어 부재의 각 기둥 사이에 부착된 스프링을 통해 서로에 대해 편향되고 조립된 변환 기어의 단면도.

도15는 표면 중 하나에 있는 기둥과 슬롯을 나타내는 변환 기어 부재 중 하나의 정면 입면도.

도16은 도15의 변환 기어 부재의 측면 입면도.

도17은 표면 중 하나에 있는 기둥을 나타내는 변환 기어 부재 중 다른 하나의 정면 입면도.

도18은 도17의 변환 기어 부재의 측면 입면도.

도19는 피니언 기어의 인접한 기어 이빨 사이에서 슬랙을 처리하는 기어 이빨을 나타내는 변환 기어 부재의 각 기어 이빨에서의 편향 작용 효과를 개략적으로 나타내는 도면.

도20은 모듈식 X선 헤드 장치로 X선 회절을 측정하는 단계를 나타내는 흐름 도.

도21은 dv.Sine²χ 방위로 고정된 센서를 갖고 다른 물 매니폴드를 나타내는 마이크로 X선 헤드의 사시도.

도22는 점선으로 그려진 dv.Sine²χ 방위로, 그리고 실선으로 그려진 dv.Sine²Ψ 방위로 센서를 나타내고 검출기 전환 조립체를 포함하는 큰 튜브 X선 헤드의 측면 입면도.

도23은 회전축 부재를 장착부재에 분리할 수 있게 고정하기 위한 수동식 견인링 작동기를 나타내는 도22의 검출기 전환 조립체 및 헤드의 정면 입면도.

도24는 도22 및 도23의 검출기 전환 조립체 및 헤드의 부분 입면도.

도25는 X선 튜브 축과 일렬로 정렬된 dv.Sine²χ 방위로 전환된 검출기를 나타내는 도24와 유사한 바닥 평면도.

도26은 축 및 장착 부재에서 일렬로 정렬된 개구에 수용된 견인링 작동기의 스프링 장착 플런저 부재를 나타내는 도24의 라인 26-26을 따라 취해진 일부 절개된 확대 측면 입면도.

도27은 dv.Sine²χ 방위로 전환된 검출기를 갖는 플런저를 수용하는 장착 부재내의 다른 개구를 나타내는 도23의 라인 27-27을 따라 취해진 일부 절개된 바닥 평면도.

도28은 작고 얕은 관통 개구에서 표면으로부터 X선 회절을 측정하기 위한 다 른 모듈식 헤드 조립체의 측면 입면도.

도29는 X선 검출기에 대해 측면 조절 장착을 나타내는 도28의 X선 헤드 조립체의 정면 입면도.

우선 도1을 참고하면, 본 발명에 따른 X선 회절 장치(10)가 대표적인 실시예로 묘사되어 있고, 고정장치(17)에 의해 단단히 고정된 도시된 기어(16)와 같은 여러 가지 부분으로부터 X선 회절을 측정하기 위한 베이스 장치(14)에 분리할 수 있게 연결된 모듈식 X선 회절 각도계 헤드(12)를 포함하는 장치(10)가 설치되어 있다. X선 헤드는 도시된 바와 같이 측면 Y축 방향 뿐만 아니라 수직 Z축 방향과 같은 다수의 상이한 직선 방향으로 이동될 수 있다. 또한, X축 전후 방향 이동 뿐만 아니라 상이한 선회축에 대한 헤드(12)의 회전 또는 선회 이동도 제공될 수 있다. 공동(common) 구동 조립체(18)(도10 내지 도12)는 X선 튜브 헤드 조립체(12)를 이동시키고, 특히 튜브가 아치형 경로(22)내의 전방 단부에서 튜브 하우징(12a)에 매달려 있는 이미터(emitter)나 시준기(collimator)(20)를 이동시켜, 튜브가 아치형 경로(22)에서 왔다갔다 할 때 X선이 여러 가지 상이한 각도로 부분(16)의 영역에서 방향이 정해져서 측정 정보가 수집될 수 있는 몇몇의 상이한 데이터 포인트를 제공하게 된다. 베이스 장치(14)의 프레임(19)은 그 고정장치(17)와 함께 부분(16) 및 구동 조립체(18)를 모두 지지할 수 있다.

상이한 X선 발생기 튜브 헤드 또는 헤드 조립체(도3 내지 도5 및 도28 참고)가 베이스 장치(14)에서 교체되어 공동 구동 조립체(18)에 의해 구동되도록, 일반 적으로 도면부호 24로 표시되는 어댑터가 도2에 도시된 바와 같이 헤드(12)와 관련하여 각 헤드와 베이스 장치(14) 사이에서 제공된다. 바람직한 형태로, 어댑터(24)는 베이스 장치(18)와 연결된 출력 축단부(26) 및, 각 X선 헤드와 연결된 소켓부(28)를 포함한다. 명백하게, 장착부(14) 위에 축 부분(26)을 가져서 모듈식 X선 헤드의 세트가 어댑터 부분(28)용의 작은 돌출부를 갖고 있지 않는 것이 바람직할 지라도, 어댑터 부분(26, 28)은 헤드와 베이스 장치에서 거꾸로 될 수 있다.

출력 축 어댑터 부분(26)과 소켓 어댑터 부분(28)에는 원뿔형 또는 절두 원뿔형 구조가 제공되어 이들이 함께 원뿔형 표면과 짝을 이루어 서로에 대해 꽉 맞는 관계가 되어 어댑터(24)에 대한 접속을 할 때 쉽게 조절할 수 있게 된다. 출력 축 어댑터 부분(26)의 회전은 아치형 경로(22)에서 튜브 헤드(12)를 이동시키기 위한 구동 조립체(18)의 작동에 의해 발생된다. 이러한 목적을 위해, 각을 이루어 정렬될 때 소켓(28)내에 형성된 축방향 오목부(31)내로 끼워질 수 있는 어댑터 축(26)에 형성된 축방향으로 연장하는 키 돌출부(30)에 의해서 키 및 키홈 접속이 어댑터(24)에 제공될 수 있다. 이런식으로, 출력 축 어댑터 부분(26)은 구동 조립체(18)로부터 튜브 헤드(12)로 토크를 전달하기 위해 소켓(28)내에 회전이 불가능하게 수용되어 모터의 작동과 함께 아치형 경로(22)에서 왕복한다.

모듈식 X선 발생기 헤드 조립체를 제공하면 X선 회절 측정을 하기 위한 다른 부분 및 재료의 요구에 부응하도록 다른 헤드가 맞추어 질 수 있다. 현재 X선 헤드는 큰 X선 헤드(12)(도3)와 중간 크기의 X선 헤드(32)(도4) 및 마이크로 헤드(34)(도5)가 있는 도3 내지 도5 및 도28에 도시된 것과 같은 다른 크기와 구조로 제공될 수 있다는 것이 고려되고 있다. 또한, X선 회절 측정이 아래에서 보다 상세히 설명되는 것과 같은 매우 특별한 부분의 기하학적 형상(geometry)을 측정하게 하는 특별히 만들어진 X선 헤드(200)(도28)가 제공될 수 있다. 따라서, 본 장치(10)에 의해 단일의 베이스 장치(14)는 도시된 세트의 헤드(12, 32, 34, 200)와 같은 몇몇의 다른 X선 헤드와 함께 이용될 수 있다. 이 예에서, 특정 부분의 재료를 측정하도록 X선을 발생하기 위해 보다 센 파워가 요구되는 경우에 X선 헤드(12)가 이용될 수 있고, 반면에 파워가 결정적으로 중요한 것이 아니고 어려운 부분의 기하학적 배열에 접근하는 것이 요구되지 않는 다면 작은 헤드(32, 34)가 사용될 수 있다. 특히, 마이크로 튜브(34)에 있어서, 내부 표면으로부터 X선을 측정하기 위해 관형 부분의 내부의 안쪽에서 발견되는 것과 같은 좁은 공간 내로 이동될 수 있다. 헤드 조립체(200)는 비행기 로터 디스크(204)에서 볼 수 있는 도시된 볼트 홀(202)과 같은 비교적 깊이가 얕은 특히 작은 관통 보어를 측정하는데 적합하게 될 수 있다.

크기를 넘어, 모듈식 헤드는 몇몇 다른 관점에서도 맞추어질 수 있다. 예를 들어, X선에 대해 발생된 파장이 격자 구조와 보다 잘 매치되도록 측정될 재료에 맞추어질 수 있다. 이를 위해, 각 튜브 헤드의 전방 고 전압 단부에서 타겟 양극판(36)용 재료가 바뀔 수 있다. 양극판 재료의 예로는 구리, 코발트, 텅스텐, 은, 몰리브덴, 망간, 철, 및 티타늄이 있다. 빔 형상은 여러 가지 X선 헤드에 상이한 시준기(20)를 제공하여 측정될 부분에 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 측정할 필요가 있는 길고 좁은 틈이나 홀에 표면을 갖는 부분에 대해, 시준기(20)는 측정 에러 를 줄이기 위해 폭이 더 좁은 X선 빔을 생성하도록 구성될 수 있다.

시준기에 덧붙여, 아치형 X선 장착부(42)를 통해 시준기(20)의 각 측면에 일반적으로 장착된 X선 검출기나 센서(38, 40)를 포함하는 X선 헤드의 각각에 의해 갖추어지는 X선 검출기 조립체(37)가 제공된다. X선 헤드는 시준기(20)에 대한 이러한 검출기(38)의 위치가 장착부(42)를 따라 또는 한 헤드로부터 다르 헤드로 크기가 상이한 장착부(42)에서 바뀌게 할 수 있고, 따라서 이들은 헤드에 의해 생성되는 X선 파장과 일치하고 X선 헤드가 X선 회절을 측정하도록 이용되는 재료의 반응과 일치하게 된다. 이하 설명되는 것처럼 조립체 헤드(200)에서와 같이, 장착부(42) 그 자체가 다른 측정 기술을 제공하거나 다른 회절각을 제공하도록 이동될 수 있다. 명백하게, X선 헤드(12, 32, 34, 200)과 같은 모듈식 X선 헤드를 제공하면 따로따로의 상이한 X선 회절 장치를 필요로 하지 않으면서 발생할 X선 회절 작동에 대한 특별한 필요에 장치(10)를 맞추는데 있어서 그 융통성이 훨씬 더 크게된다.

바람직한 모듈식 X선 헤드 장치(10)의 또 다른 특징은 각각의 X선 헤드(21, 32, 34, 200)와 결합된 프로그램식 모듈(43)과, 베이스 장치(14)와 결합된 제어부(44) 및, 장치(14)에 분리할 수 있게 연결된 헤드 중 선택된 하나를 갖고 제어부(44)에 모듈(42)을 연결할 수 있는 전기 링크(46)를 포함하는 전자 제어 시스템을 이용하는 것이다. 도2에서 볼 수 있듯이, 전자 링크(46)는 모듈(43)에 연결되고, 베이스 장치(14)에 고정된 소켓 커넥터(52)내로 플러그가 끼워지도록 된 자유 단부에 핀 커넥터(50)를 갖는 케이블(48)을 포함할 수 있다. 한 특징으로, 헤드가 어댑터(24)를 통해 베이스 장치에 적절히 연결되지 않으면 제어부(44)로의 데이터 흐 름은 불가능하다. 이를 위해, 함께 적절히 결합될 때 각각 전기적으로 연결되도록 어댑터 부분(26, 28)에 배치된 전자 접촉부(53a, 53b)가 제공될 수 있다. 이런식으로, 접촉부는 또한 제어 시스템을 위해 전기적 접속(46)의 일부를 형성한다. 만일 설치가 성공적으로 되어 접촉부(53a, 53b)가 전기적으로 연결되면, 핀 커넥터(50)가 소켓 커넥터(52)에 플러그가 끼워질 때, 제어부(44)는 적절히 설치되었다는 것을 인식하고 시스템을 자동으로 조정하여 도20의 플로우 차트에 묘사된 것처럼 측정 작동이 선택된 헤드에 대해 적절히 진행되도록 한다.

모듈(43)은 프로그램 가능한 메모리를 포함하여, 특정 X선 헤드와 관련된 정보를 갖고 미리 프로그램될 수 있고, 모듈은 X선 헤드에 의해 진행된다. 예를 들어, X선 헤드는 특정하게 맞추어져서 측정될 부분으로부터 회절을 측정하는데 필요한 파장으로 적정량의 X선 플럭tm 및 X선을 생성함으로써 특정 형태의 재료와 재료의 성질을 측정할 수 있다. 따라서, X선 헤드의 설치가 성공하면, 제어부(44)는 시준기(20)의 크기, 양극판(36)의 재료 형태, 뿐만 아니라 X선 튜브 헤드의 크기와 정격 파워와 같이 베이스 장치(14)에 부착되는 특정 X선 헤드와 관련된 것과 같은 전송되는 정보나 시스템 구성 데이터를 가질 것이다. 예를 들어, 여기에서 논의되는 X선 헤드(12, 32, 34)의 세 개의 다른 크기로, 각각이 그 크기와 서로 연관된 상이한 정격 파워를 가질 수 있다. 따라서, 큰 X선 헤드(12)는 약 4 인치의 직경과 3000 와트의 정격 파워를 가질 수 있고, 중간의 X선 헤드(32)는 1.5 인치의 직경과 300 와트의 정격 파워를 가질 수 있고, 마이크로 X선 헤드(34)는 약 1.25 인치 내지 약 3/8 인치의 직경과 200 와트 이하의 정격 파워를 가질 수 있다. 게다 가, 서로 상이한 타겟 양극판(36)을 갖는 동일한 크기의 헤드가 있는 경우와 같은 때에 특정 크기의 튜브 헤드에 요구되는 파워가 달라질 수 있다. 각 경우에, 프로그램 가능한 모듈(42)과 제어부(44) 사이에서 제공되는 전기적 연결(46)에 의해 베이스 장치(14)에 연결된 특정 모듈식 X선 헤드의 정격 파워가 제어 시스템에 제공될 것이다. 일단 이러한 정보가 수신되면, 제어부(44)는 파워 공급을 조절하여 X선 헤드의 작동이 그 정격 파워에 따라 작동되도록 한다.

데이터 정보로서 제어부(44)에 전송될 수 있는 X선 헤드 사이의 다른 변수들은 X선 헤드의 초점 거리 및, 검출기 형태 또는 검출기의 수와, 검출기 폭 및 검출기가 제공하는 분석결과와 같은 X선 검출기 시스템(37)의 세부사항을 포함한다. 또한, X선 헤드가 고정된 검출기 구성을 이용하면, 이와 결합된 모듈(42)은 미리 결정된 고정 검출기 구조에 의해 언급된 제어 시스템에 의해 이용되는 측정 기술을 나타내도록 프로그램 될 수 있다.

여기에 개시된 작은 튜브 또는 마이크로 튜브 X선 헤드(34)는 그 제공되는 다른 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 도6을 참고하면, 알려진 X선 헤드용 일반적인 냉각 시스템은 물이나 글리콜에 기초한 유체과 같은 냉각수를 캡 부재(63)에 의해 헤드의 전방 또는 자유 단부(62)에 장착된 유체 매니폴드(60)를 매개로 관형 하우징(54)에 공급하고 제거하는 냉각 라인(56, 58)을 이용한다. 마이크로 헤드(34)와 관련하여 볼 수 있듯이, 냉각 라인(56, 58)은 상부로 연장하고 그런 후에 하우징(54)의 정상부를 따라 장치(14)를 향해 돌아온다. 이러한 구조는 관형 부분의 내부 직경에서 발견되는 것 같이 한정된 공간 내로 진행될 수 있는 능력의 관점에 서 효과적으로 튜브 하우징(54)의 크기 또는 직경을 증가시킨다. 따라서, 다른 냉각 시스템은 또한 마이크로 헤드(34)에 대해 설명되며, 여기서 냉각 라인(56, 58)은 관형 하우징(54)의 외부를 따라 뒤로 연장한다기 보다 하우징 캡(63)에 형성된 냉각 라인 포트(63a, 63b)를 통해 X선 헤드(34)로부터 전방으로 계속 나아간다. 이런식으로, 냉각 라인(56, 58)은 관형 하우징(54)의 유효 직경을 증가시키지 않고, 따라서 외부 표면을 따라 갈 때 냉각 라인(56, 58)으로부터 방해되지 않고 마이크로 튜브 하우징(54)의 직경보다 다소 더 큰 내부 직경을 가질 수 있는 관형 부분의 내부로 진행되도록 한다.

마이크로 튜브(34)에 대해 구체적인 또 다른 적용은 시준기(20)의 각 측면에서 그리고 검출기(38, 40)로부터 수용되는 신호를 처리하는 회로 보드에 프린트된 회로(66)를 포함하는 가요성 회로 보드(64)를 사용하는 것에 존재한다. 종래의 X선 헤드에서, 검출기는 이러한 헤드의 조종능력과 한정된 공간에 접근하는 능력을 제한하는 X선 신호를 처리하기 위한 제어 장치로 보통 상방으로 연장하는 케이블을 포함한다. 반면에, 가요성의 프린트된 회로 보드(64)에 있어서, 보드(64)가 검출기(38, 40)의 바로 가까이에 있고 실질적으로 하우징(54)에 대해 둘러싸여 순응하는 단부(62)를 향해 관형 하우징(54)의 외부 표면에 고정될 수 있기 때문에, 검출기(38, 40)와 회로 보드(64) 사이에서 연장하는 매우 짧은 길이의 광섬유 케이블(68)이 제공될 필요가 있다. 이런식으로, 관형 하우징(54)의 유효 직경은 얇은 프린트된 회로 보드(64)의 두께에 의해 오직 명목상으로 증가되고, 부수적인 이점으로서 종래 시스템에서와 같이 X선 헤드의 위에서 검출기(38, 40)로부터 고정된 처 리 장치로 연장하는 케이블의 크고 긴 길이를 가지는 것에 의해 발생하는 장애물을 제거하는 이점이 있다. 따라서, X선 검출기 신호를 처리하기 위한 회로(66)를 포함하는 본 발명의 가요성 회로 보드(64)에 의해, 각 단부에서 원호형 통합 장착부(41)에 장착된 검출기(38, 40)사이의 거리에 대해 회로 보드(64)가 고정된 관형 하우징(54)의 외부 표면으로 연장할 때, 검출기 케이블의 길이는 최소화 된다. 도6에서 볼 수 있듯이, 회로 보드(64)는 충분히 가요성을 가져서, 고정될 때 접하여 결합되도록 하우징(54)의 외부 굴곡 표면의 주위에서 휘어지게 되는 재료로 형성된다.

도9에 도시된 것처럼, 마이크로 튜브 헤드(34)는 전방 단부(62)를 향하고 시준기(20)와 일렬로 정렬된 윈도우(70)를 갖는 바닥 오목부(69)를 포함하며, 시준기는 튜브(34a)에서 생성되고 타켓 양극판(36)에 의해 관통되는 X선 통로를 허용하지만 하우징(54)에서 계속 진공 상태가 유지되도록 한다. 보통 이러한 윈도우는 중간의 접합 재료에 의해 관형 하우징의 재료에 접합된다. 그러나, 내부에서 요구되는 높은 진공과 함께 마이크로 튜브 하우징(54) 내의 작은 체적은 하우징(54)의 내부를 오염시킬 수 도 있고 원치 않는 X선 플럭스의 누출이 일어나게 할 수 있는 용해에 의한 것과 같은 접합 재료를 사용할 때 갖는 문제를 일으킨다. 따라서, 바람직한 마이크로 튜브 하우징(54)은 중간 접합 재료가 사용되지 않도록 전자 빔 용접에 의해 스테인리스 재료의 관형 하우징(54)에 결합된 베릴륨 재료와 같은 것으로 된 윈도우를 이용한다. 이와 관련하여, 윈도우(70)에 접합된 전자 빔을 포함하는 본 발명의 소형 X선 튜브 헤드(34)는 접합 재료를 갖지 않고 따라서 종래의 X선 헤 드에서 사용되는 것처럼 접합된 윈도우에 의해 발견되는 오염 및 누출 문제를 피할 수 있다.

도28 및 도29를 참고하면, 도시된 헤드 조립체(200)는 항공기 디스크(204)의 고정구 관통 보어(202)와 같은 관통 보어의 내부 표면으로부터 X선 회절을 측정하는데 매우 적합하다. X선 튜브(200a)는 캐리어 지지부(206)에 의해 앞서 설명한 튜브(12a, 32a, 34a)로부터 다른 구조로 방향이 정해질 수 있다. 이와 관련하여, X선 튜브(200a)는 y 방향으로 횡단하여 측면으로 연장할 수 있고, 보다 구체적으로는 앞서 설명한 X선 튜브(12a, 32a, 34a)의 방향에 수직하게 연장할 수 있다.

캐리어 지지부(206)는 부분(204)을 향해 하방으로 향하는 보통 U 형상 구조의 개구를 가질 수 있고, 이 구조로부터, 부분의 한 쪽에서 떨어져 있고 그 위에 있는 오버헤드 지지부가 제공되는 X선 튜브(200a)로 X선 회절이 측정되게 된다. 보다 구체적으로, 지지부(206)는 후방의 수직으로 연장하는 부분(208)을 포함하고, 이 부분은 바닥을 향하는 소켓 어댑터부(28)를 포함한다. 수직 부분(208)의 상단부를 향해, 후방 지지부(200a)의 전방으로 그리고 상단 부분(210)의 아래에 있는 X선 튜브(200a)를 지지하는 고리(212)를 포함하는 전방으로 연장하는 부분(210)이 있다.

프레임부(208, 210)는 그 사이에 조정 슬롯(214)으로서 조정가능한 장착부와, 튜브 헤드(200a)가 z축 방향으로 수직으로 조정가능하며 X축 방향으로 전후로 조정될 수 있게 하는 안내 고정구를 포함한다. 또한, 헤드 조립체(207)는 상향연장되는 플랜지(218)를 포함하며; 이러한 플랜지는 복합 X축 및 z축 각방향으로 헤 드(207)의 아치형 조정을 제공하기 위해, 고리(212)의 아치형 안내 슬롯(222)에 조정가능하게 조정될 수 있는 종동자(follower)(220)를 포함한다. 캐리어 지지체(206)에 의해 제공된 조정성으로 인해, 시준기(20)의 위치는 이로부터 방출되는 X선 빔의 공격각(angle of attack)이 부분(204)에 대해, 특히 X축 방향으로 연장되는 축선(202a)을 갖는 관통 보어(202)에 대해 변환되도록 조정될 수 있다. 이러한 방식에 의해, 관통 보어(202)의 형상 및 크기에 대해 튜브(200a)와 시준기(20)의 최적의 방향성이 달성될 수 있다.

이와 마찬가지로, 검출기 조립체(37)는 캐리어 지지체(206)에 의해, 특히 전방하향의 연장부(224)에 의해 조정가능하게 지지될 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 연장부(224)는 상부 지지부(210)의 전방 단부로부터 하향으로 돌출되며, 아치형 장착부(42)를 포함하는 검출기 조립체(37)는 검출기를 튜브(200a) 및 시준기(20)가 배치된 측과 대향하는 부분(204)에 배치하기 위하여, 슬롯형 미끄럼 차단부(bracketing)(226)에 조정가능하게 고정된다. 상기 미끄럼 차단부(226)는 도28 및 도29에 도시된 바와 같이 검출기 조립체(37)의 x, y, z 조정을 허용할 수 있다. 이러한 방식에 의해, 상기 아치형 장착부(42)에 고정된 검출기(38, 40)는 관통 보어(202)의 내측면으로부터 회절된 X선을 최적으로 검출할 수 있는 위치를 가질 수 있다. 또한, 미끄럼 차단부(226)에 의해 상기 장착부는 도28에 도시된 바와 같이 경로(228)에서 각방향으로 조정될 수 있다.

상술한 바와 같이, X선 회절 측정 작동 중 X선 헤드를 그 아치형 경로(22)에서 요동시키는 구동 조립체(18)는 X선 헤드 조립체에 일체로 형성되는 것이 아니 라, 베이스 장치(14)에 일체화되며; 종래의 X선 회절 시스템에서 베이스 장치(14)로부터 헤드를 따라 전방으로 캔틸레버된다. 이러한 방식에 따라, 구동부(18)의 중량은 종래 시스템과는 달리 그 속도나 정밀도라는 관점에서 볼 때 그 어느쪽에도 X선 회절 측정동작에 영향을 끼치지 않는다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 X선 헤드 구동 조립체(18)는 브래킷(74)에 의해 베이스 장치(14)에 장착되는 모터(72)를 포함한다. 상기 모터(72)는 회전력을 단부 어댑터부(26)가 구비된 출력축 조립체(77)에 전달하는 구동축(76)을 포함한다. 도시된 양호한 실시예에서, 상기 구동 조립체(18)는 도12에 도시된 바와 같이 워엄 기어 전달구동부(78)를 포함한다. 상기 구동축(76)은 횡단방향으로, 특히 출력축 조립체(77)에 수직한 방향으로 연장되며, 상기 워엄 기어 구동부(78)는 구동축(76)상에 구동기어(80)를 포함하며, 출력축 조립체(77)상에 종동기어(82)를 포함한다. 양호한 워엄 기어 구동부(78)에 있어서, 상기 구동기어는 워엄 구동기어(80)이며, 종동기어는 워엄 휘일(82)이며, 상기 각각의 기어(80, 82)는 서로에 대해 구동결합되는 헬리컬 기어부(80a, 82a)를 각각 포함한다.

백래시에 의해 유발되는 측정 오차를 최소화하기 위해, 상술한 바의 워엄 기어 장비(78)는 도10 내지 도19에 도시된 바와 같이 백래시 방지기구(84)를 포함한다. 특히, 워엄 휘일(82)은 축방향으로 분할되어 있으므로, 적어도 하나의, 양호하기로는 2개의 스프링(90, 82)에 의해 서로에 대해 회전가능하게 편향되거나 또는 각도를 이루면서 편향되는 2개의 환형 기어부(86, 88)가 제공되므로써, 측정동작중 X선 헤드가 그 아치형 통로(22)의 단부에 도달되는 경우처럼, 모터(72)가 역전되는 경우에도, 상기 기어부(82a)는 거의 항상 기어부(80a)와 능동접촉된 상태로 유지된다. 도14에 도시된 바와 같이, 기어부(86)는 출력축 조립체(77)의 주축부(94)에 키이형성되므로, 기어부(86)의 내측 직경에 형성된 키이 슬롯(96)과 축조립체(77)의 주축부(94)상에 형성된 축방향 돌출부(98)에 의해 주축부와 회전고정된다. 상기 기어부(86)는 환형 몸체(104)를 통해 연장되는 아치형 안내 슬롯(100, 102)을 포함한다. 기어부(86)는 환형 본체(104)로부터 연장되는 아치형 안내 슬롯(100, 102)을 포함한다. 한쌍의 직립 보스 또는 포스트(106, 108)는 기어 본체(104)의 표면(104a)으로부터 축방향으로 연장된다. 상기 안내 슬롯(100, 102)은 서로 180°이격되도록 기어부에서 직경방향으로 대향한 위치에 형성된다. 상기 포스트(106, 108)는 기어 본체(104) 주위에서 서로 180°이격되고, 각각의 슬롯 개구(100, 102)로부터 약 90°이격되어 직경방향으로 대향하여 배치된다.

상기 기어부(88)는 축부분(94)에 장착되므로, 이에 대해 자유롭게 회전가능하다. 도14 및 도16에 도시된 바와 같이, 상기 기어부(86)는 표면(104b)으로부터 축방향으로 연장되는 허브부(110)를 포함하며, 그 내부에 형성된 슬롯 오목부(96)를 포함한다. 상기 기어부(88)는 표면(116a)으로부터 축방향으로 연장되며 기어 본체(116)에서 직경방향으로 대향한 위치에, 한쌍의 스탠드오프(stand-off) 보스 또는 포스트(112, 114)를 포함한다. 상기 기어 본체(116)는 도18에 도시된 바와 같이 기어 본체(116)의 대향면(116b)으로부터 축방향으로 연장되는 허브부(118)를 포함한다. 도14에 도시된 바와 같이, 허브부(118)의 내경은 허브부(110)의 외경과 동일하거나 약간 크기 때문에, 기어부(86, 88)가 조립될 때, 허브부(118)는 허브 (110) 주위에서 회전할 수 있다. 조립시, 편향된 기어부(86, 88)는 서로 협력하여 구동 조립체(18)를 위한 백래시 방지기구(84)를 형성한다. 백래시 방지기구(84)의 조립에 있어서, 상기 기어부(86, 88)는 서로에 대해 축방향으로 진행되므로, 각각의 기어 본체면(104b, 116a)은 허브(110) 위로 미끄러지는 허브(118)와 안내 슬롯(100, 102)을 통해 삽입정렬된 포스트(112, 114)와 결합된다. 슬롯 개구(100, 102)를 통해 돌출되는 포스트(112, 114)에 의해, 상기 스프링(90, 92)이 부착되므로, 도11 및 도13에 도시된 바와 같이 이들은 기어부(86)의 포스트(106, 108)중 어느 하나와 기어부(88)의 포스트(112, 114)중 어느 하나 사이로 각각 연장될 수 있다.

따라서, 도시된 백래시 방지기구(84)는 축방향으로 2개의 환형 기어부(86, 88)로 분할된 워엄 휘일 기어(82)를 포함하며; 상기 환형 기어부는 도19에 도시된 바와 같이 분할 기어(82)의 기어 이빨(82a)과 기어(80)의 기어 이빨(80a) 사이에서 능동접촉을 유지하기 위해, 서로에 대해 회전가능하게 또는 각도를 이루면서 예비하중되거나 편향된다. 환언하면, 편향된 기어부(86, 88)에 의해, 그 형성되어 있는 각각의 구동 이빨(86a, 88a)은 모터(72)의 작동중에는 거의 항상 기어 이빨(80a)의 구동면과 결합된 상태로 유지되므로써, 개방된 빔 X선 회절 시스템에 사용되고 있었던 종래의 선반(rack)과 피니언 구동 시스템에서 제공되는 상호결합된 기어 이빨 사이에서의 동작에 의해 유발되는 측정 오차를 피할 수 있다. 상기 스프링(90, 92)은 기어(80)의 인접한 이빨(80a) 사이에 배치된 분할된 기어(82)의 기어 이빨(86a, 88a)에 편향력을 제공하며, 이에 따라 그 사이에는 각변위가 제공되며, 이러한 각변위에 의해 이빨들은 기어 이빨(80a)과 일정한 구동결합되므로써, 기어부(86a, 88a)중 하나는 역전 동작을 포함하는 모터의 동작중 하나의 이빨(80a)과 결합되며; 기타 다른 기어 이빨부(86a, 88a)는 그 사이에서 측정하였을 때 인접한 기어 이빨(80a) 사이에 간극을 제공하기 위해 각각의 기어 이빨부(86a, 88a)의 크기에도 불구하고, 인접하고 있는 다음 기어 이빨(80a)과 결합된 상태로 유지된다.

도19에 있어서, 분할 기어(82)에 제공된 편향력에 의해, 기어 이빨부(86a) 및 구동면(300)은 좌측 기어 이빨(80a) 및 그 대향하는 구동면(302)과 단단히 결합된 상태로 유지되며, 또 다른 기어 이빨부(88a) 및 구동면(304)은 우측 기어 이빨(80a) 및 그 대향하는 구동면(306)과 단단히 결합된 상태로 유지된다. 구동면(300)과 대향하는 기어 이빨부(86a)의 표면(308)은 우측 기어 이빨(80a)의 구동면(306)으로부터 이격되어 있으며, 구동면(304)과 대향하는 기어 이빨부(88a)의 표면(310)은 좌측 기어 이빨(80a)의 구동면(302)으로부터 이격되어 있다. 그러나, 예비하중된 분할 기어(82)는 하나의 기어 이빨부 또는 상술한 바와 같이 일정한 구동 접촉을 유지하기 위하여 기어(80)의 인접한 기어 이빨 사이와 이격된 이러한 간극을 취할 수 있다. 따라서, 백래시 방지기구(84)에 의해, 기아 이빨 사이에 통상적으로 실행될 수 있는 동작은 편향된 기어 이빨부(86a, 88a)에 의해 이루어진다. 따라서, 백래시 방지기구(84)를 가지며 베이스(14)에 사용된 양호한 구동 조립체(18)에 의해, 측정될 부분(16)에 관한 헤드 및 시준기(20)의 위치에 관한 정밀한 정보를 얻을 수 있다.

도16 및 도18에 있어서, 기어 이빨부(86a, 88a)는 축방향으로 대향으로 경사 지므로, 조립시 이들은 서로 협력하여 기어 이빨부(86a, 88a)에 의해 형성되는 복합 기어 이빨(82a)을 위한 오목면(120)을 형성한다. 기어 표면(120)을 위한 오목한 형상에 의해 워엄 기어(80)의 이빨 형상에 더 양호하게 된다. 이러한 방식에 의해, 워엄 기어 구동부(78)의 부하 이송능력을 최적화하기 위해 메시형 기어(80, 82)의 이빨(80a, 82a) 사이에 더 큰 접촉면이 제공된다.

마이크로 튜브(34)는 튜브 축선(34b)의 양측에서 도6에 도시된 바와 같이 고정되어 있는 검출기(38, 40)를 가질 수 있으며, 또는 선택적으로 도21에 도시된 바와 같이 한정된 공간에서 튜브(34)의 기동성을 향상시키기 위해 튜브 축선(34b)을 따라 정렬될 수 있다. 또 다른 X선 헤드(12, 32)는 2개의 버전을 가질 수 있으므로 특정 X선 튜브 헤드 크기에 두가지 측정 기법이 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 축방향으로 정렬되어 있는 센서(38, 40)에 의해, dv.Sine²χ 로 사용된 측정 기법은 측정 오차를 감소시킨다.

도22 내지 도26에 있어서, 검출기 조정기 또는 이송 조립체(122)는 사용자로 하여금 dv.Sine²Ψ 또는 dv.Sine²χ으로 사용되는데 필요한 측정기법에 대응하는 2개의 위치 사이에서 광섬유 검출기(38, 40)를 이송할 수 있도록 도시되어 있다. 검출기 조정 조립체(122)는 상술한 바와 같이 X선 헤드를 변경시키거나 상이한 X선 회전 장치를 이용할 필요없이, 실행된 측정동작의 요구에 따라 측정기법을 사용할 수 있게 하므로써 상당한 유용성을 제공한다. 따라서, 만일 오차가 심각하지 않고 접근 공간으로의 접근성이 매우 중요하다면, 검출기(38, 40)를 이송하는데 검출기 조정 조립체(122)가 사용될 수 있으므로, 이들은 도25에 도시된 바와 같이 사용된 dv.Sine²χ 측정 기법으로 튜브축선(12a)을 따라 정렬될 수 있다. 한편, X선 헤드의 기동성 보다 오차가 중요한 경우, 검출기(38, 40)는 dv.Sine²Ψ 측정 기법을 실행하기 위해 도25의 위치로부터 90°회전한 도23 및 도24에 도시된 바와 같이, 튜브 축선의 양측에서 측방향으로 이격된 위치로 이송될 수 있다

따라서, 검출기 조정 조립체(122)는 2개의 측정 기법을 위해 상이한 X선 헤드를 제공할 필요성을 제거한다. 조립체가 마이크로헤드(34)로 실행되었음에도 불구하고, 헤드(34)의 크기가 감소되었다는 최대 장점을 얻기 위해서는 검출기 아치형 장착부(41)가 튜브 하우징(54)에 일체로 형성되거나 고정된, 도6 및 도21에 도시된 바와 같은 두가지 버전을 제공하는 것이 바람직한 것으로 판명되었다.

상기 검출기 조정 조립체(122)는 작동자로 하여금 검출기 조립체(37)의 위치를 수동으로 조정할 수 있게 하는 견인링(pull ring) 조립체(124)의 형태와 같은 수동 작동기를 포함할 수 있다. 특히, 상기 조립체(122)는 고정된 검출기 장착부(42)를 갖는 회전 디스크(126)의 형태를 취하는 이송부재를 포함한다. 상기 회전 디스크(126)는 디스크 장착부재(128)에 대한 2개의 상이한 위치중 하나의 선택된 위치에 고정될 수 있으며, 상기 2개의 위치는 상술한 X선 회절 측정 기술에 대응한다. 이를 위해, 상기 디스크 장착부재(128)는 dv.Sine²Ψ 또는 dv.Sine²χ 측정 기술에 대응하도록, 서로에 대해 90°이격된 한쌍의 구멍(130, 132)을 포함한다.

상기 회전 디스크 부재(126)는 견인링 조립체(124)의 플런저 부재(134)를 이 송한다. 플런저 부재(134)는 디스크 부재(126)에 형성된 관통 보어(136)에서 스프링하중을 받는다. 상기 관통 보어(136)은 검출기 시스템(37)의 위치를 원하는 대로 고정하기 위하여 구멍(130, 132)중 하나와 정렬될 수 있다. 도26에 있어서, 관통 보어(136)은 바닥 개구 주위로 연장되며 방사방향으로 연장되는 립 벽부분(138)을 포함한다. 플런저 부재(134)는 방사방향으로 확장된 컬러부(140)를 가지며, 상기 컬러부는 디스크 장착부재(128)에서 구멍(130, 132) 보다 큰 직경을 갖는다. 구멍(130, 132)에 삽입될 수 있는 크기를 갖는 플런저 부재(134)의 상부 핀부분(142)은 플런저 컬러부(140)로부터 상향으로 연장되고 있다. 스프링(144)은 정렬되었을 때 상기 핀부분(142)을 상향의 방향으로 또한 구멍(130, 132)중 하나의 개구내로 편향시킨다. 상기 스프링(144)은 벽부분(138) 및 컬러부(140)에 안착된 단부 코일을 갖는 플런저 부재(134)의 주위로 연장되는 코일을 포함할 수 있다. 상기 플런저 부재(134)는 벽부분(138)에 의해 형성된 개구를 통해 하방으로 연장되며, 그 하단부에 고정된 견인링(146)을 포함한다.

도23과 도24 및 도27에 도시된 바와 같이, 상기 핀부분(142)은 개구(130)로 편향되므로, 검출기(38, 40)는 튜브 축선의 양측에 배치되고 X선 회절 측정작동을 위해 dv.Sine²Ψ 측정기술이 실행될 수 있다. 검출기 시스템(37)의 형태를 절환하기 위하여, 작동자는 견인링(146)을 통해 플런저 부재(134)를 하방으로 견인하므로, 상기 핀부분(142)은 스프링(144)에 의해 제공된 편향력에 대항하여 개구(130)로부터 후퇴되며, 스프링 코일은 벽부분(138)과 플런저 컬러부(140) 사이에서 압축 된다. 그후, 작동자는 플런저 부재(134)가 구멍(132)과 정렬될 때까지, 도27에 도시된 바와 같이 디스크 부재(126)를 회전방향(148)으로 회전시킨다. 이러한 지점에서, 작동자는 견인링(146)을 해제하고, 스프링(144)에 의해 제공된 편향력은 핀부분(142)을 장착부재(128)의 개구(132)내로 가압하여, dv.Sine²χ 방향에서 검출기 시스템의 위치를 고정하며, 상기 검출기(38, 40)는 X선 헤드의 튜브 축선을 따라 정렬된다.

각각의 X선 헤드(12, 32, 34)는 X선 헤드 하우징으로부터 그 후방 단부에 현수된 플랜지 장착부(152)로 후방으로 연장되는 캐리어 지지체(150)에 장착된다. 후방 플랜지 장착부(152)는 헤드(200)를 포함하는 캐리어 지지체(150) 및 헤드와 상술한 캐리어 지지체(206)와 동일한 형태의 소켓 어댑터부(28)를 포함한다. 각각의 캐리어 지지체(150)는 전방으로 연장되는 헤드(12, 32, 34)를 이송하는 캔틸레버형 지지부(154)를 포함하므로써, 그 각각의 길이방향 축선(12b, 32b, 34b)은 소켓축선(28a)과 중첩되고 그 위로 이격된 전후방 X축선 방향으로 연장될 수 있다. 이러한 방식에 따라, 공동 구동 조립체(18)의 동작에 의해 헤드(12, 32) 및 그 시준기(20)는 각각의 헤드의 소켓 어댑터(28)의 중첩 축선(28a)상에 위치된 아치형 경로(22)를 횡단한다. 이와 마찬가지로, 소켓 축선(28a)은 일반적으로 헤드 조립체(200)의 튜브(200a)와 중첩되므로, 구동 조립체(18)의 동작은 그 시준기(20)를 아치형 통로(22)를 횡단하게 할 수 있다. 또한, 축 어댑터 부분(26) 및 소켓 어댑터 부분(28)은 베이스 장치(14)에 연결될 때마다 서로 협력하여 각각의 헤드를 동 일하게 설정된 위치에 정렬시킨다. 따라서, 베이스 장치(14)에 착탈가능하게 연결된 헤드(12, 32, 34, 200)중 그 어떤 헤드에 의해, 축 어댑터 축선(26a)은 소켓 축선(28a)과 정렬되어, 모듈식 X선 헤드의 지속적이면서도 반복가능한 위치조정을 제공한다.

도3 내지 도5에 있어서, 소형 헤드(32, 34)를 위한 캐리어 지지체(150)는 전방 캔틸레버형 부분(154)의 관점에서 볼 때는 동일한 반면에, 대형 X선 헤드(12)를 위한 지지체(150)는 더욱 강건한 지지체를 갖는 무거운 헤드(12)를 제공하도록 변형될 수 있다. 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 전방 연장부분(154)은 헤드(12)를 위한 하부 및 측부 지지체가 구비된 크레들링(cradling)을 제공하기 위해, 대형 X선 헤드(12)의 후방부의 양측 주위에서 바닥으로부터 연장되는 아치형 측부(156, 158)를 포함하는 요람 형태를 취할 수 있다. 또한, 도3에 상세히 도시된 바와 같이 캐리어 지지체(150)의 후방 단부와 현수된 플랜지 부분(152) 사이에 제공된 이음판(gussetting)(160)을 제공하므로써 보강이 이루어질 수 있다. 이와는 달리, 소형경량의 헤드(32, 34)는 캐리어 지지체(150)를 위한 강건한 구조가 필요없다. 도시된 바와 같이, 중간 크기의 헤드(32)는 캐리어 부분(154)의 전방 단부(162)상으로 이송된다. 최저중량의 마이크로헤드(34)에 의해 캐리어 부분(154)과 정렬하여 고정될 수 있으므로, 그 후방 단부(164)는 도5에 도시된 바와 같이 캐리어 지지체(150)의 전방 단부(166)에 대해 대면하는 상태로 고정된다. 마이크로헤드(34)의 정렬된 장착은 그 전방 지지 부분(154)이 마이크로헤드의 관형 하우징(54)의 직경과 동일한 직경을 가질 때 그 기동성을 향상시킬 수 있다.

도2와 도10 및 도12에 있어서, 워엄 기어 구동부(789)는 환형 케이싱(168)에 수용되어 있다. 상기 케이싱(168)은 볼 베어링(174, 176) 등의 고정밀 베어링을 수용하도록 카운터보어된 전후방 벽부분(170, 172)을 포함한다. 축 조립체(77)는 상기 전방 벽부분(170)으로부터 전방으로 돌출된 원뿔형 어댑터 부분(26)을 갖는 베어링(174, 176)에 의해 회전하도록 저어널된다. 축 조립체(77) 주위, 특히 주축부(94) 주위에는 베어링을 지지하기 위한 부시(177)가 제공된다. 방사방향으로 확장되는 전후방 플랜지(178, 180)는 각각의 베어링(174, 176)과 함께 회전하도록 서로 협력하므로써 축 조립체(77)를 밀착한 상태로 포획한다. 도12에 도시된 바와 같이, 후방 플랜지(180)는 출력축 조립체의 목적을 달성하기 위하여 주축(94)의 후방 단부에 볼트결합된 후방 캡부재(182)상에 형성될 수 있다. 모터 케이싱(168)은 베이스 장치 프레임(19)의 수직 스탠드(188)를 따라 수직상하로 미끄러질 수 있는 z축 캐리어(186)로의 도브테일형 삽입에 의해 장착되는 그 후방에서 y축 캐리어에 고정되거나 또는 이와 일체로 형성된다.

본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims

베이스와;

상기 베이스에 분리할 수 있게 연결되는 복수의 모듈식 X선 헤드와;

X선 회절 측정 작동 중 아치형 경로에서 베이스에 연결된 헤드를 이동시키도록 상기 베이스와 결합된 공동 구동 조립체; 및,

작동기가 특정의 X선 회절 측정 작동에 사용되는 헤드를 선택하도록 베이스로부터 상기 헤드를 연결하고 분리하는, 상기 베이스와 X선 헤드 사이에 있는 어댑터를 포함하는,

상이한 부분에서 X선 회절을 측정하기 위한, 모듈식 X선 회절 시스템.
제1항에 있어서, 상기 어댑터는 상기 베이스와 결합되는 부분을 포함하고, 이 부분을 갖는 각각의 헤드는 미리 정해진 짝을 이루는 구성을 가지고, 따라서 베이스 및 헤드 어댑터 부분들은 제거할 수 있게 수용되어서 다른 것 내에 하나가 있는, 모듈식 X선 회절 시스템.
제1항에 있어서, 상기 어댑터는 구동 조립체의 출력축 부분과 각 헤드와 결합되고 내부에 축 부분을 수용하도록 구성된 일치하는 소켓을 포함하는, 모듈식 X선 회절 시스템.
제1항에 있어서, 상기 헤드는 서로 다른 미리 정해진 작동 특성을 포함하여 베이스에 연결되도록 헤드가 선택되게 하여, 실행될 특정의 측정 작동에 대해 측정 성능을 최적화하는, 모듈식 X선 회절 시스템.
제4항에 있어서, 작동 특성은 X선 헤드 파워와, X선 파장 및, X선 빔 모양을 포함하는, 모듈식 X선 회절 시스템.
제4항에 있어서, 상기 헤드는 각각 제어 모듈을 포함하고, 상기 베이스는 이와 결합되는 제어부와, 헤드의 미리 정해진 작동 특성을 제어부로 전송하도록 모듈을 제어부에 상호 연결시키는 링크를 구비하는, 모듈식 X선 회절 시스템.
제1항에 있어서, 복수의 X선 헤드는 크기가 다른 헤드를 포함하여, 한정된 공간에 접근할 필요가 있는 경우 더 작은 헤드가 사용되도록 하는, 모듈식 X선 회절 시스템.
제1항에 있어서, 상기 구동 조립체는 X선 회절 측정 작동 중에 아치형 경로에서 헤드의 정확한 이동을 위해 백래시 방지 메커니즘을 갖는 기어장비를 포함하는, 모듈식 X선 회절 시스템.
제1항에 있어서,

상기 구동 조립체는 모터와, 모터의 작동에 의해 구동되는 구동축 및, 출력축을 포함하고,

상기 어댑터는 내부에 축 단부를 수용하도록 각 헤드와 결합된 어댑터 소켓 개구 및 출력축의 어댑터 단부와, 어댑터에 의해 아치형 경로에서 연결된 헤드를 이동시키도록 구동축으로부터 출력축으로 파워를 전송하도록 협동하는 출력축 기어 및 구동축 기어를 포함하고,

상기 기어 중 하나는 분할되고 서로에 대해 회전식으로 편향된 기어부를 포함하여, 구동축 기어와 출력축 기어의 이빨 사이에서의 작용을 최소화하는,

모듈식 X선 회절 시스템.
제1항에 있어서,

상기 헤드는 X선 검출기 및 X선 이미터와,

두 개의 상이한 X선 회절 측정 기술과 결합된 둘 이상의 위치 사이에서 검출기를 이동하기 위한 검출기 조정 조립체를 포함하는,

모듈식 X선 회절 시스템.
제1항에 있어서, 복수의 모듈식 X선 헤드는 한정된 공간에 적합하도록 약 1.25인치 또는 그 이하의 관형 하우징을 포함하는 마이크로 헤드를 포함하는, 모듈 식 X선 회절 시스템.
제1항에 있어서, 복수의 모듈식 X선 헤드는 한정된 공간에 최적으로 접근하도록 최소 크기의 하우징을 갖는 마이크로 헤드와, X선 검출기 및, 검출기로부터 나오는 신호를 처리하는 회로를 갖는 가요성 기판을 포함하고, 상기 가요성 기판은 실질적으로 하우징에 합치하여 하우징의 크기를 최소로 유지하도록 하우징에 대해 둘러싸인, 모듈식 X선 회절 시스템.
X선를 발생시키는 연장된 X선 헤드와;

X선 회절의 측정이 이루어지는 부분에서 X선를 안내하기 위한 헤드의 이미터와;

회절된 X선를 검출하는 헤드의 검출기; 및,

검출기가 장착되는 이동 부재와, X선 헤드로 상이한 X선 회절 측정 기술을 사용하기 위해 상이한 위치로 검출기가 이동되게 하는 작동기를 포함하는 검출기 조정 조립체를 포함하는, X선 회절 장치.
제13항에 있어서,

X선 헤드는 길이방향 축을 포함하고,

상기 검출기 조정 조립체는, 검출기가 한 위치에서는 X선 헤드 축의 어느 한 쪽에서 측면으로 일정간격을 두고 배치되고 다른 위치에서는 축을 따라 정렬되는 두 위치 사이에서, 검출기가 이동되도록 하는, X선 회절 장치.
제13항에 있어서, 상이한 위치 사이에서 회전되도록 상기 이동 부재는 회전식 이동 부재인, X선 회절 장치.
제13항에 있어서, 상기 검출기 조정 조립체의 작동기는 수동식 작동기인, X선 회절 장치.
제16항에 있어서, 상기 수동식 작동기는 스프링 장착 플런저와, 상이한 위치에 있는 구멍을 포함하고, 각각의 위치는 검출기에 대해 상이한 위치 중 하나에 대응하고, 플런저는 정렬될 때 구멍 내로 편향되는, X선 회절 장치.