CN216525540U - 一种基于劳厄衍射原理对全尺寸异型单晶无损检测的设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于劳厄衍射原理对全尺寸异型单晶无损检测的信息获取设备，所述信息获取设备，包括：X射线发生器(1)、探测器(2)、样品台(3)及变焦镜头(4)；所述样品台(3)用于夹持待测样品；所述X射线发生器(1)的第一滑轨基座(1‑2)与水平方向夹角为45度，所述待测样品的微区法线与所述X射线发生器(1)产生的X射线光束的入射方向呈45度；所述探测器(2)与水平方向夹角为135度，用于接收与实验室坐标系Z轴夹角135度出射的X射线衍射光束；所述变焦镜头(4)垂直对准光斑，用于测距定位。根据本实用新型的方案，可以精确无损得到全尺寸异型单晶的取向、三维应变张量等数据，能够分析计算滑移方向与位错密度。
Description
技术领域
本实用新型涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于劳厄衍射原理对全尺寸异型单晶无损检测的设备。
背景技术
航空发动机被称为飞机的“心脏”，是军民用飞行器和航空工业发展的源动力，对国民经济发展和科技进步有巨大促进作用。叶片是航空发动机的关键部件，因在高温环境下长期使用，先进的发动机多采用单晶高温合金叶片，但单晶叶片制备难度极大，且成品率偏低。航空发动机的单晶叶片的技术水平决定着航空发动机的性能和寿命。在单晶叶片投入使用前，必须采用无损检测技术进行质量评估。但是由于单晶叶片形状复杂，国内尚无全尺寸异型单晶无损检测装备和技术，只能采用国外进口设备完成检测工作，且进口设备由于取向和应力无法实时定位检测，效率低下。
现有技术的X射线衍射装置的X射线光源垂直入射到样品表面，对样品的检测范围小，无法实现异型样品的检测。现有技术只能单独得到单晶样品的取向数据，或者单独得到单晶样品的残余应力数据，并且不能直接对单晶叶片进行测量。测量单晶应力过程耗时长，设备需要持续运转，价格昂贵。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种基于劳厄衍射原理对全尺寸异型单晶无损检测的信息获取设备、基于劳厄衍射原理对全尺寸异型单晶无损检测的系统及使用方法，用以解决现有技术对样品的信息获取慢、检测范围小，以及无法实现异型样品的检测的问题。
根据本实用新型的第一方面，提供一种基于劳厄衍射原理对全尺寸异型单晶无损检测的信息获取设备，所述设备，包括：
X射线发生器(1)、探测器(2)、样品台(3)及变焦镜头(4)；
所述样品台(3)配有四爪卡盘(3-8)，用于夹持待测样品；所述样品台架设于滚珠丝杆滑台直线导轨上；所述样品台(3)包括x轴电机(3-3)、y轴电机(3-4)、z轴电机(3-5)，用于调整所述样品台(3)的位置；
所述X射线发生器(1)固定于第一滑轨基座(1-2)上，所述X射线发生器(1)位于所述样品台(3)的右侧，所述第一滑轨基座(1-2)与水平方向夹角为45度，所述待测样品的微区法线与所述X射线发生器(1)产生的X射线光束的入射方向呈45度；所述待测样品由所述X射线光束照射，形成光斑，并产生X射线衍射光束；
所述探测器(2)固定于第二滑轨基座(2-2)上，所述探测器(2)位于所述样品台(3)的左侧，所述第二滑轨基座(2-2)与水平方向夹角为135度，用于接收与实验室坐标系Z轴夹角135度出射的X射线衍射光束；
所述变焦镜头(4)垂直对准所述光斑，用于测距定位。
根据本实用新型的上述方案，可以精确无损得到全尺寸异型单晶的取向、三维应变张量等数据。该设备可以应用于军民用飞行器以及航空工业，为航空发动机的单晶叶片进行质量评估。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型提供如下附图进行说明。在附图中：
图1为本实用新型无损检测设备的俯视结构示意图；
图2为本实用新型探测器和X射线发生器结构示意图；
图3为本实用新型样品台与基座结构示意图。
具体实施方式
附图标记说明：
1：X射线发生器；1-1：X射线发生装置本体；1-2：第一滑轨基座；2：探测器；2-1：探测器本体；2-2：第二滑轨基座；3：样品台；3-1：样品台本体；3-2：直线导轨；3-3：x轴电机；3-4：y轴电机；3-5：z轴电机；3-6：水平旋转轴；3-7：θ旋转轴；3-8：四爪卡盘；4：变焦镜头。
首先说明劳厄衍射技术原理。
晶体中原子或离子按一定规律作周期性排列，构成空间点阵。空间点阵可以划分为一族平行而等间距的平面点阵(晶面)。一旦晶胞和基矢确定，晶面就可用密勒指数(hkl)来表示。晶胞参数和密勒指数决定了晶体对X射线的衍射方向。产生晶体X射线衍射的条件可用劳厄(Laue)方程来描述，劳厄方程的标量表达式如下:
式中：a、b、c为晶胞边长；α0、β0、γ0为入射线与晶胞基向量的夹角；α、β、γ为衍射线与晶胞基向量的夹角；h、k、l为3个正整数，称为衍射指数；λ为X射线的波长。
X射线晶体衍射条件还可以用布拉格(Bragg)方程来描述：
2dsinθ＝nλ
改变波长λ，即采用白色(连续)X射线，照射不动的晶体时，这种方法称为劳厄法。
由于晶体中存在着许多不同方向和间距的晶面，这些晶面以不同角度θ与入射的X射线相交，而入射X射线是连续X射线，其波长λ必然是连续变化的。因此，必然存在一些晶面满足布拉格方程产生衍射，这些衍射线条照射在探测器上形成衍射斑点，称为劳厄斑，存在劳厄斑的图片称为劳厄图。
传统晶体学方法利用单色光X射线发生衍射，并通过旋转晶体来获得一组可用的衍射峰，最终采集成百上千张衍射谱进行研究。白光劳厄衍射技术利用多波长X射线，只需单次曝光即可获得一整套衍射峰，尤其是对单晶体的研究上，劳厄法应用十分广泛。
劳厄衍射技术是以连续X射线为光源，X射线穿过细孔准直器，以近似平行光束照射至待测单晶表面。由于晶体中不同晶面的取向和晶面间距不同，满足布拉格条件而产生衍射。用探测器接受衍射线光束，采集得到X射线衍射峰数据。进而通过计算机软件分析对测量得到的劳厄斑点进行匹配，进一步得到待测晶体取向数据信息。
下面结合图1说明本实用新型一个实施方式的基于劳厄衍射原理对全尺寸异型单晶无损检测的信息获取设备。如图1-3所示，所述设备，包括：
X射线发生器(1)、探测器(2)、样品台(3)及变焦镜头(4)；
所述样品台(3)配有四爪卡盘(3-8)，用于夹持待测样品；所述样品台架设于滚珠丝杆滑台直线导轨上；所述样品台(3)包括x轴电机(3-3)、y轴电机(3-4)、z轴电机(3-5)，用于调整所述样品台(3)的位置；
所述X射线发生器(1)固定于第一滑轨基座(1-2)上，所述X射线发生器(1)位于所述样品台(3)的右侧，所述第一滑轨基座(1-2)与水平方向夹角为45度，所述待测样品的微区法线与所述X射线发生器(1)产生的X射线光束的入射方向呈45度；所述X射线光束用于照射所述待测样品，形成光斑，产生X射线衍射光束；
所述探测器(2)固定于第二滑轨基座(2-2)上，所述探测器(2)位于所述样品台(3)的左侧，所述第二滑轨基座(2-2)与水平方向夹角为135度，用于接收与实验室坐标系Z轴夹角135度出射的X射线衍射光束；
所述变焦镜头(4)垂直对准所述光斑，用于测距定位。
进一步地，所述X射线光束沿与实验室坐标系Z轴夹角为45度方向出射，照射到所述待测样品的位置，形成光斑。
进一步地，所述样品台(3)内配置气泵，用于将所述待测样品吸附于样品台上。
进一步地，所述X射线发生装置由X射线管、管套、高压变压器、高压控制单元及高压电缆组成。可选地，所述X射线发生器由PLC(可编程序控制器)控制。高压控制单元用可控硅闭环调压调流技术稳定管电压和管电流，得到强度稳定的X射线。立式管套包括管套体、自动光闸两部分，能够控制光闸的开闭。
进一步地，所述第一滑轨基座(1-2)与第二滑轨基座(2-2)的相对位置按照夹角限制固定，两个滑轨基座夹角为90度且由一水平基台连接。
进一步地，所述X射线发生器(1)的连接支架由三个不同方向滑块组合连接，能够手动调整所述X射线发生器(1)的上下、左右、前后平移，所述X射线发生器(1)的支架通过旋转轴及定位螺丝实现所述X射线发生器(1)的摆动。
进一步地，所述第二滑轨基座(2-2)上连接丝杆及三相混合式步进电机，用于实现所述探测器(2)沿着滑轨方向平移。
进一步地，所述待测样品包括规则的平板状单晶样品、圆棒状单晶样品以及异型单晶样品。
进一步地，所述变焦镜头为带显示屏的变焦镜头。
进一步地，所述异型单晶样品为单晶叶片。
本设备的光路设计出测量部分的微区法线与入射X射线光呈45度，来解决测量样品的尺寸限制。
本实施例中，配置部件参数如下表所示：
表1激光轮廓仪的参数
其中，X射线光源的靶材采用钨靶。
| 像素 | 100Ip/mm(2MP) |
| 靶面尺寸 | 1/2n |
| 接口 | C |
| 焦距 | 8-50mm |
| F值 | 1.6 |
| 后焦距 | 9.7-14.08mm |
| 光圈类型 | 手动 |
| 视场角 | 41°-7.2° |
| 对焦范围 | ∝-1m |
| 外观尺寸 | Φ42×65.6mm |
表2变焦镜头的参数
表3探测器的参数
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本实用新型所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种基于劳厄衍射原理对全尺寸异型单晶无损检测的设备，其特征在于，包括：
X射线发生器(1)、探测器(2)、样品台(3)及变焦镜头(4)；
所述样品台(3)配有四爪卡盘(3-8)，用于夹持待测样品；所述样品台架设于滚珠丝杆滑台直线导轨上；所述样品台(3)包括x轴电机(3-3)、y轴电机(3-4)、z轴电机(3-5)，用于调整所述样品台(3)的位置；
所述X射线发生器(1)固定于第一滑轨基座(1-2)上，所述X射线发生器(1)位于所述样品台(3)的右侧，所述第一滑轨基座(1-2)与水平方向夹角为45度，所述待测样品的微区法线与所述X射线发生器(1)产生的X射线光束的入射方向呈45度；所述待测样品由所述X射线光束照射，形成光斑，并产生X射线衍射光束；
所述探测器(2)固定于第二滑轨基座(2-2)上，所述探测器(2)位于所述样品台(3)的左侧，所述第二滑轨基座(2-2)与水平方向夹角为135度，用于接收与实验室坐标系Z轴夹角135度出射的X射线衍射光束；
所述变焦镜头(4)垂直对准所述光斑，用于测距定位。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述X射线光束沿与实验室坐标系Z轴夹角为45度方向出射。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一滑轨基座(1-2)与第二滑轨基座(2-2)的相对位置按照夹角限制固定，两个滑轨基座夹角为90度且由一水平基台连接。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二滑轨基座(2-2)上连接丝杆及三相混合式步进电机，用于实现所述探测器(2)沿着滑轨方向平移。
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| CN202121395239.5U CN216525540U (zh) | 2021-06-23 | 2021-06-23 | 一种基于劳厄衍射原理对全尺寸异型单晶无损检测的设备 |
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|---|---|---|---|---|
| CN113390910A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-09-14 | 北京理工大学 | 一种基于劳厄衍射原理对全尺寸异型单晶无损检测的设备 |
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