РЕНТГЕНОВСКИЙ ДИФРАКТОМЕТР
X-RAY DIFFRACTION METER

Изобретение относится к средствам для рентгеновских дифракционных измерений, проводимых, в частности, при исследовании внутренних напряжений в изделиях из поликристаллических материалов.
Рентгеновские дифрактометры традиционно содержат гониометр с размещенными на его дуге источником коллимированного рентгеновского излучения и детектором дифрагированного излучения (см., например, Л.И. Гладких, С.В. Малыхин, А.Т. Пугачев. Дифракционные методы анализа внутренних напряжений. Теория и эксперимент (глава 5). Харьков, НТУ "ХПИ", 2006, 304 с. [1]), а также те или иные средства для взаимного перемещения гониометра и исследуемого объекта.
Последние могут иметь разнообразное выполнение. Это могут быть как средства для перемещения исследуемого объекта в виде образца исследуемого материала относительно гониометра (см., например, патент США №5359640, опубл. 25.10.1994 [2], где указанные средства позволяют осуществлять трехкоординатное перемещение образца), так и средства для перемещения дуги гониометра вместе с установленными на ней устройствами относительно крупногабаритного исследуемого объекта типа железнодорожного колеса (аналогичные, например, двухкоординатному средству, описанному в патенте РФ №2115901, опубл. 20.07.1998 [3]). Очевидно также комбинирование названных возможностей.
В большинстве случаев дифракционных измерений, в частности при измерениях, проводимых с целью исследования внутренних напряжений в поликристаллических материалах, перед началом измерений центр окружности дуги гониометра, через который проходит направление оси рентгеновского пучка, должен быть совмещен с выбранной точкой на поверхности исследуемого объекта - образца исследуемого материала или непосредственно изделия, являющегося исследуемым объектом [1]. Данная операция в дальнейшем для краткости называется юстировкой, а упомянутая точка на поверхности исследуемого объекта - точкой исследования. Для проведения юстировки рентгеновские дифрактометры снабжают средством, позволяющим получить информацию о текущем рассогласовании положения двух точек - упомянутого центра окружности дуги гониометра и точки исследования.
Известно выполнение рентгеновского дифрактометра [2], при котором средство для юстировки содержит лазер, луч которого ориентирован по направлению радиуса окружности дуги гониометра, и оптико-электронную систему, имеющую направление "прицеливания", тоже совпадающее с одним из радиусов окружности дуги гониометра. Система позволяет видеть рассогласование текущего положения пятна лазера на поверхности исследуемого объекта относительно точки исследования. Содержащаяся в составе такого дифрактометра оптико-электронная система довольно сложна. При этом ее наличие затрудняет компоновку дифрактометра, так как элементы этой системы ввиду отмеченной выше ее сложности приходится размещать на расстоянии от центра окружности дуги гониометра, превышающем ее радиус, чтобы не препятствовать расположению на дуге и перемещению по ней в случаях, когда это необходимо, узлов дифрактометра, непосредственно участвующих в дифракционных измерениях.
Известен также рентгеновский дифрактометр, в котором используются два источника световых лучей с разной длиной волны, установленные на дуге гониометра и ориентированные в центр окружности этой дуги (авторское свидетельство СССР №1716406, опубл. 29.02.1992 [4]). При юстировке наблюдают взаимное расположение двух световых пятен разного цвета на поверхности исследуемого объекта и добиваются полного совмещения этих пятен друг с другом и заданной точкой исследования. Данный дифрактометр значительно более прост в конструктивном отношении по сравнению с [2], однако существенное влияние на точность юстировки оказывает субъективный фактор вследствие необходимости визуального контроля совмещения трех объектов - точки исследования и двух световых пятен разного цвета.
Аналогичный принцип юстировки используется также в рентгеновских дифрактометрах серии "РИКОР" разработки ООО "Институт рентгеновской оптики" (А. Болотоков, Д. Зайцев, А. Щербаков, А. Лютцау. Поликапиллярная оптика Кумахова и аналитические приборы. "Аналитика", 2015, №4, С. 14-22 [5]; более полные сведения об этих приборах содержатся, например, в работе: А.К. Мукатова. Разработка подводного аппарата для контроля напряженного состояния в конструкциях неразрушающим методом рентгеновской тензометрии. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Институт металлургии, машиностроения и транспорта. Санкт-Петербург, 2014, С. 36-39 [6]). Отмеченный выше недостаток прибора [4] в приборах серии "РИКОР" тоже проявляется, хотя и в меньшей степени, благодаря использованию в качестве источников видимого излучения двух лазеров, создающих весьма тонкие световые пучки. Вместе с тем наличие двух лазеров, устанавливаемых на дуге гониометра, негативно сказывается на возможной свободе компоновки прибора в целом.
Рентгеновские дифрактометры серии "РИКОР" [5, 6] наиболее близки к дифрактометру по предлагаемому изобретению.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции дифрактометра и обеспечении большей свободы компоновки благодаря использованию только одного лазерного средства, а также в обеспечении большей простоты и точности юстировки за счет уменьшения влияния субъективного фактора при ее осуществлении и уменьшении времени, затрачиваемого на юстировку дифрактометра. Ниже при рассмотрении частных случаев и примеров осуществления изобретения могут быть названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемый рентгеновский дифрактометр, как и указанный наиболее близкий к нему известный, содержит гониометр с установленными на его дуге коллимированным источником рентгеновского излучения, ось пучка которого проходит через центр окружности дуги гониометра, и детектором дифрагированного излучения, а также средства для взаимного перемещения гониометра и исследуемого объекта и лазерное средство, создающее излучение в видимом диапазоне, для получения информации о положении центра окружности дуги гониометра относительно выбранной точки исследования на поверхности исследуемого объекта.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом рентгеновском дифрактометре, в отличие от наиболее близкого к нему известного, лазерное средство для получения информации о положении центра окружности дуги гониометра относительно выбранной точки исследования на поверхности исследуемого объекта выполнено в виде лазерного измерителя расстояния, формирующего луч видимого излучения, ориентированный в направлении центра окружности дуги гониометра.
При этом используемое единственное лазерное средство - измеритель расстояния - не обязательно должно быть установлено непосредственно на дуге гониометра, т.е. таким образом, что его ориентация (направление лазерного луча, вдоль которого измеряется расстояние) совпадает с направлением одного из радиусов этой дуги. Важно лишь, чтобы направление луча, вдоль которого измеряется расстояние, проходило через центр окружности дуги гониометра, например, это направление может лежать в плоскости, проходящей через центр окружности дуги гониометра, не совпадающей с плоскостью, в которой находится окружность дуги гониометра.
В частном случае, когда это не препятствует компоновке прибора в целом, упомянутое направление может находиться и в плоскости окружности дуги гониометра.
В любом из названных случаев при правильной юстировке, когда точка исследования совпадает с центром окружности дуги гониометра, через которую проходит направление оси квазипараллельного пучка рентгеновского излучения, лазерный измеритель расстояния показывает один и тот же полученный с присущей лазерным измерителям высокой точностью результат - расстояние от этого измерителя до центра окружности дуги гониометра. Этот результат является фиксированной величиной для конкретного экземпляра лазерного измерителя расстояния при фиксированном выбранном месте его установки. Поэтому достижение такого результата в процессе юстировки (в сочетании с тем, что световой луч лазерного измерителя расстояния наведен на точку исследования) свидетельствует о завершении юстировки.
Это позволяет обеспечить, в конечном счете, как более точную юстировку, в том числе, за счет существенного уменьшения влияния субъективного фактора (юстировка заканчивается при совпадении показываемого измерителем расстояния с заданным фиксированным значением), так и упростить сам процесс юстировки.
В частном случае выполнения предлагаемого рентгеновского дифрактометра, для еще большего упрощения процесса юстировки, лазерный измеритель расстояния может быть дополнен функцией индикации рассогласования между измеренным и требуемым расстоянием, соответствующим расстоянию от указанного измерителя до центра окружности дуги гониометра.
Лазерный измеритель расстояния может быть настроен также таким образом, чтобы совпадению точки исследования с центром окружности дуги дальномера соответствовало нулевое индицируемое значение.
В качестве источника коллимированного рентгеновского излучения предпочтительно использовать, как и в упоминавшихся приборах серии "РИКОР", рентгеновскую трубку совместно с рентгеновской полулинзой (см., например, патент РФ Патент РФ №2164361, опубл. 20.03.2001 [7]), формирующей квазипараллельный пучок. Это позволяет применить малогабаритную и маломощную трубку, благодаря чему достигается портативность и безопасность дифрактометра.
В зависимости от конкретного назначения предлагаемого рентгеновского дифрактометра, источник коллимированного рентгеновского излучения, детектор дифрагированного излучения и лазерный измеритель расстояния могут быть установлены на дуге гониометра как в фиксированном положении, так и с возможностью перемещения вдоль нее порознь или совместно. В последнем случае названные устройства устанавливают на общем базисном элементе, способном передвигаться по дуге гониометра.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых схематически показаны (без механических средств для взаимного перемещения исследуемого объекта и дуги гониометра с установленными на ней устройствами):
- на фиг. 1 - размещение основных узлов дифрактометра в случае, когда лазерный измеритель расстояния установлен таким образом, что ось пучка его излучения находится в плоскости окружности дуги гониометра;
- на фиг. 2 - размещение основных узлов дифрактометра в случае, когда лазерный измеритель расстояния установлен таким образом, что ось пучка его излучения находится в плоскости, не совпадающей с плоскостью окружности дуги гониометра, но проходящей через центр этой окружности (гониометр на этой фигуре показан в другой проекции).
В обоих описанных выше частных случаях, различающихся установкой лазерного измерителя расстояния, дифрактометр содержит, как показано на фиг. 1 и фиг. 2, дугу 1 гониометра, на которой установлены источник 3 коллимированного рентгеновского излучения, ось 4 пучка которого ориентирована по одному из радиусов дуги 1 гониометра и поэтому проходит через центр О окружности этой дуги, и детектор 7 дифрагированного излучения, ориентированный по другому радиусу дуги 1.
Что же касается лазерного измерителя расстояния, то он в первом случае, иллюстрируемом фиг. 1, установлен на дуге гониометра, как и источник 3 рентгеновского излучения и детектор 7 дифрагированного излучения, и занимает положение 5.1. При этом создаваемый им световой луч 6 тоже ориентирован по радиусу окружности дуги 1, т.е. находится в плоскости этой окружности и проходит через ее центр О.
1
В этом случае измеритель 5.1 осуществляет измерение расстояния до поверхности исследуемого объекта, которое только при точном совмещении точки исследования ТИ с центром О будет равно величине ρ, показанной на фиг. 1, отличающейся от радиуса R окружности дуги 1 гониометра на некоторую величину Δ. Последняя является константой прибора, зависящей от расположения начала отсчета лазерного измерителя расстояния относительно окружности дуги 1. Поэтому отличие измеренного расстояния от известного радиуса R окружности дуги гониометра именно на эту величину свидетельствует о том, что точка на поверхности исследуемого образца, совпадающая со световым пятном СП, создаваемым лучом 6 лазерного измерителя 5.1, находится в центре дуги 1 гониометра, в которую направлен и коллимированный пучок 4 рентгеновского излучения источника 3. Достижение этого состояния может быть обеспечено с помощью не показанных на чертежах средств взаимного перемещения гониометра и исследуемого объекта, аналогичных, например, описанным в [2, 3]. Положение исследуемого объекта, соответствующее выполнению описанного условия, показано на фиг. 1 прямоугольником 2.0.
1
Прямоугольником 2.1, изображенным штриховыми линиями, представлен исследуемый объект, находящийся в положении, не удовлетворяющем этому условию. Продолжение луча 6 лазерного измерителя дальности к исследуемому объекту в этом положении тоже показано штрихами. Можно видеть, что световое пятно СП, создаваемое на поверхности исследуемого объекта лучом 6 лазерного измерителя расстояния при таком положении исследуемого объекта, не совпадает с точкой исследования ТИ (последняя в обоих положениях исследуемого объекта (2.1 и 2.0) находится в одном и том же месте на поверхности этого объекта).
0
1
Второй случай, иллюстрируемый фиг. 2, на котором гониометр показан в другой проекции, отличается от рассмотренного выше первого случая тем, что уставленный на дуге гониометра лазерный измеритель расстояния находится в положении 5.2 в плоскости, образующей некоторый угол λ с плоскостью окружности дуги 1 гониометра и проходящей через центр О этой окружности. Положение лазерного измерителя расстояния относительно дуги 1 зафиксировано элементом 8. В показанном на фиг. 2 случае совпадению точки исследования ТИ на поверхности исследуемого объекта с центром О окружности дуги 1 гониометра соответствует, как и в случае, показанном на фиг. 1, результат измерения расстояния, равный величине ρ, при одновременном совпадении светового пятна СП, создаваемого лучом 6 лазерного измерителя расстояния, именно с точкой ТИ. Такая ситуация соответствует нахождению исследуемого объекта в положении, показанном на фиг. 2 позицией 2.0. Положение исследуемого объекта, изображенного штриховой линией, показанное позицией 2.1, не соответствует названному выше условию. В этом положении, как можно видеть, положение светового пятна СП, создаваемого лазерным лучом измерителя расстояния на поверхности исследуемого объекта, не совпадает сточкой исследования ТИ.
Очевидно, что в рассматриваемом втором случае логика действий для совмещения точки исследования ТИ с центром О дуги 1 окружности гониометра, требующая совмещения этой точки со световым пятном, создаваемым лазерным измерителем расстояния, при одновременном выполнении условия, заключающегося в отличии измеренного значения расстояния от известного радиуса R дуги гониометра на упомянутую выше величину Δ, - такая же, как в первом случае.
Нетрудно видеть, что при обоих вариантах расположения лазерного измерителя расстояния (при нахождении оси пучка 6 его излучения как в плоскости окружности дуги 1 гониометра, так и в наклоненной относительно нее плоскости, но проходящей через центр упомянутой окружности), указанный измеритель может занимать также положение, более удаленное или менее удаленное от центра О, чем показано на фиг. 1 и фиг. 2, будучи установленным на дуге 1 гониометра с помощью тех или иных конструктивных элементов, но не обязательно непосредственно на этой дуге. В зависимости от этого, разница Δ между результатом измерения расстояния и радиусом R окружности дуги гониометра при совпадении точки исследования с центром О окружности дуги 1 гониометра может быть и отрицательной, и положительной, и нулевой.
В любом случае лазерный измеритель расстояния может быть настроен таким образом, чтобы вместо абсолютной величины измеренного значения расстояния на его выходе было сформировано значение разности δ=R-ρ. При этом в процессе подстройки взаимного расположения исследуемого образца и гониометра следует добиваться совпадения показания измерителя дальности, равного δ, с величиной Δ, являющейся, как отмечалось выше, константой прибора.
Наконец, лазерный измеритель расстояния может быть настроен и таким образом, что на его выходе формируется разность между величинами δ и Δ. При такой настройке лазерного измерителя расстояния в процессе подстройки взаимного расположения исследуемого образца и гониометра следует добиваться достижения нулевого значения выходной величины лазерного измерителя расстояния.
В качестве лазерного измерителя расстояния целесообразно использовать прибор, реализующий триангуляционный метод измерения (см., например, патент США №5024529, опубл. 18.06.1991 [8]; патент РФ на полезную модель №45520, опубл. 10.05.2005 [9]). Такие приборы способны обеспечить точность измерения до 10 мкм при расстояниях до 600 мм (А.В. Венедиктов. Методика проектирования триангуляционных измерительных систем для промышленного контроля и дефектации изношенных деталей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Рязанский государственный радиотехнический университет, 2006, 19 с. [10]).
Дуга 1 гониометра в простейшем случае может быть установлена с возможностью перемещения по высоте относительно основания дифрактометра, которое он имеет в своем составе, а исследуемый объект, если им является небольшой образец, размещают на этом основании. Юстировку в этом случае осуществляют перемещением образца по горизонтальной поверхности основания в сочетании с вертикальным перемещением дуги 1 гониометра.
При больших габаритах и массе исследуемого объекта дифрактометр выполняют с возможностью расположения дуги гониометра над исследуемым объектом при установке дифрактометра рядом с ним, а также с возможностью такого перемещения дуги гониометра, при котором центр ее окружности может изменять свое положение в горизонтальной плоскости (при наличии также упомянутой возможности перемещения ее по вертикали).
2
На фигурах 1 и 2 дуга 1 гониометра показана в положении, при котором плоскость ее окружности ориентирована вертикально. В зависимости от конкретных задач исследования, решаемых с использованием дифрактометра, может потребоваться и другая ориентация этой плоскости. Поэтому в предлагаемом дифрактометре дуга гониометра может быть установлена с дополнительной возможностью регулируемого наклона плоскости ее окружности относительно вертикального положения. Благодаря этому, в частности, может быть упрощено осуществление измерений внутренних напряжений в поликристаллическом материале исследуемом объекта с использованием метода "sinψ" [1].
Необходимые для описанных выше перемещений механические приспособления принципиально несложны и поэтому не иллюстрируются чертежами.
Таким образом, предлагаемая конструкция дифрактометра с использованием в ее составе лазерного измерителя расстояния предоставляет широкие возможности компоновки прибора как в зависимости от размеров его узлов и удобства их расположения относительно друг друга или средств для взаимного ориентирования гониометра и исследуемого образца, так и в зависимости конкретной предназначенности дифрактометра, а также от технологических и иных предпочтений разработчика.
Источники информации
1. Л.И. Гладких, С.В. Малыхин, А.Т. Пугачев. Дифракционные методы анализа внутренних напряжений. Теория и эксперимент (глава 5). Харьков, НТУ "ХПИ", 2006, 304 с.
2. Патент США №5359640, опубл. 25.10.1994.
3. Патент РФ №2115901, опубл. 20.07.1998.
4. Авторское свидетельство СССР №1716406, опубл. 29.02.1992.
5. А. Болотоков, Д. Зайцев, А. Щербаков, А. Лютцау. Поликапиллярная оптика Кумахова и аналитические приборы. "Аналитика", 2015, №4, С. 14-22.
6. А.К. Мукатова. Разработка подводного аппарата для контроля напряженного состояния в конструкциях неразрушающим методом рентгеновской тензометрии. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Институт металлургии, машиностроения и транспорта. Санкт-Петербург, 2014, С. 36-39.
7. Патент РФ №2164361, опубл. 20.03.2001.
8. Патент США №5024529, опубл. 18.06.1991.
9. Патент РФ на полезную модель №45520, опубл. 10.05.2005.
10. А.В. Венедиктов. Методика проектирования триангуляционных измерительных систем для промышленного контроля и дефектации изношенных деталей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Рязанский государственный радиотехнический университет, 2006, 19 с.