基于数据处理与模型匹配技术的回摆曲线测定仪

　　1　引　　言

　　单晶材料生长的质量、完美程度将决定晶体及其制成器件的性质。如何探测晶体缺陷,进而控制和提高晶体材料生长和加工质量,已成为非常重要的问题。在众所周知的各种晶体缺陷探测方法中,X射线的多晶衍射方法,以其不破坏样品、无污染、快捷、测量精度高等特点,已经成为当今不可代替的手段[1,2]。

　　目前应用X射线衍射方法进行单晶材料的检测时,为了获得单一的Kα1射线,需要将X光通过单色器进行多次反射[3],严重衰减了X射线的强度,因此需要采用大功率的X射线装置,进而大大增加了设备的复杂性和成本。针对这一问题,本文设计开发了应用小功率X射线发生装置的低成本单晶材料检测仪器—回摆曲线测定仪,利用先进的数据处理技术,通过测定单晶材料的回摆曲线,进而测定单晶材料的各种参数,达到了与进口高成本衍射仪相近的结果;在此基础上,应用模型匹配技术自动识别晶体的缺陷,使该仪器具备了很高的智能性。目前该仪器已经投入市场运行,效果良好。

　　2　设备描述

　　回摆曲线测定仪使用30kV,1mA,铜靶X射线管。射线照在单色器上,去掉Kβ及连续谱线,较单色化的Kα射线照射在被测单晶材料上,产生的衍射线进入盖革计数管。计数管放置在2θ角度处不动(θ为单晶样品布拉格角),样品台借助精密蜗轮副减速,由步进电机驱动。单片机构成的下位机系统,进行步进电机的控制,数据的采集与滤波处理。样品在其理论峰值θ角两侧足够宽的范围内自动扫描,每1弧秒采集一次数据传送到上位计算机。计算机对采集的数据进行滤波处理后,绘制出样品的峰形曲线,经去除Kα2谱线处理后得到的回摆曲线,扣除背底,测出峰形半高宽FWHM(Full Widths at Half Maximum),峰位角度,峰高、峰间距等特征数据。根据这些特征数据,进一步指出晶体是否有缺陷,以及缺陷的种类。

　　3　数据处理技术

　　3.1　数据滤波技术

　　仪器中采用了两级滤波措施,分别在数据采集器和计算机中进行。数据采集器中利用芯片的高速采样性能,采用防脉冲干扰的复合滤波法。复合滤波法如下:

　　计算机中采用权重移动平均法,即取奇数个相邻的数据点N构成平均域,把与这些点对应的测量数据Yi乘以权重系数Ci后相加,并除以所用的点数N,得到它们的平均值Y*,其计算模型如下:

　　3.2　双峰分离技术

　　由于仪器中应用了小功率X射线管,因此为减少射线强度损失,采用了双晶衍射技术,利用单色器消除了X光中的非理想波长(如Kβ波长),得到具有Kα波长(包括Kα1和Kα2)的X射线。然后建立软件单色化模型,消除Kα2的影响,最终得到X射线单色光Kα1的单晶材料回摆曲线。