X射线衍射定向仪自动测控系统

0　引言

X射线衍射定向仪是一种利用X射线衍射特性的测量仪器,它可以精密快速的测定人造单晶(包括压电晶体、激光晶体、半导体晶体和光学晶体等)内部的原子面与加工表面之间的夹角。X射线衍射定向仪与切割设备配合,可用于上述各种晶体的定向切割。

近几年来,我国的人造晶体生产增长很快,目前产量已达世界前三位。为了提高人造晶体生产效率和产品质量,急需研制出自动或半自动的晶体检测系统,缩小在这一技术领域与国外的差距。本研究课题的目的,就是设计出具有较高晶面角测量精度的X射线衍射定向仪自动测控系统。关于X射线衍射定向仪手动测量系统中角度数字显示部分,以前本文作者曾有文章介绍,这里介绍的是将手动测量改进成智能控制后的定向仪自动测控系统。

1　X射线衍射定向仪的工作原理

X射线衍射定向仪利用了X射线在晶体表面原子面上衍射线机制,来测量人造单晶内部晶胞的原子表面方向,从而确定原子面与加工表面之间的夹角(晶面角)。

1.1　基本原理

组成单晶晶体的基本单元为晶胞,整个晶体是由晶胞有规则的排列组成的。因此,可以把晶体的衍射分解成两个层次的衍射,即晶胞的散射和晶胞框架的衍射。按照晶体衍射理论分析,从结论上讲,可以把晶体产生的衍射线看成是某种晶面的反射线。而满足干涉方程时,必然有下述关系:

这个公式被称作布拉格公式,它定量地描述了产生衍射线的必要条件,即当一束波长为λ的X射线以θ角掠射到面间距为d的晶面上,并且当λ、θ和d满足上式关系时,就会在反射方向产生一束衍射线,否则不会产生衍射线。

图1显示了X光入射线、反射线、晶体原子面、d和θ的关系:

1.2　X射线衍射定向仪的构成

图2显示了X射线衍射定向仪的主要结构。

X射线管产生的X射线,经准直以后射到体样品的晶面上,在晶面发生衍射,产生衍射射线,衍射射线由计数管接收,转换成电信号,经信号放大电路放大后,用微安表显示输出。X射线管采用铜靶阳极接地,管电压30kV,管电流1～5mA连续可调;采用GJ5101型盖革计数管,工作电压500～1100V。

X射线衍射定向仪实现技术的难点在于晶体晶面角的的测量精度。晶体晶面角度测量的精度将直接会影响晶体生产的质量。由于X射线管产生的X射线强度的波动很大,所以衍射定向仪除了在机械系统上要能保证测量精度的要求外,还要从计数管后端的电子线路上保证衍射线强度测量精确可靠。

传动装置采用了一个零级涡轮涡杆。涡轮装在旋转平台上,涡杆上装有一个手轮,通过手轮来操作涡杆带动旋转平台工作。涡轮每转一圈,平台转1°。在涡杆装有角度测量装置,可以精确地测量到旋转平台1″的转动。这从机械上保证了测量精度的要求。计数器探测到的X射线衍射强度信号经过前端电子线路放大、滤波处理以后输出,可以由微安表显示。手动操作时,需要在旋转平台上装上待测晶体,摇动手轮使旋转平台转动,晶体随着转盘转动,从而使入射X射线与晶面的夹角θ发生变化。当晶面转到某一角度时,衍射射线满足布拉格公式2dsinθ=nλ时,计数管接收到的X射线强度达到峰值。同时微安表示数达到最大值。