專利名稱：使用在固定角位置的源和檢測器的原位x射線衍射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及X射線衍射。更特別地，本發(fā)明涉及用于X射線衍射的技術(shù)，該衍射使用固定的源和檢測器，其沿著根據(jù)被測量材料的性質(zhì)預(yù)先確定的軸排列。
背景技術(shù)：
在二十世紀(jì)的科技中，X射線分析技術(shù)為最顯著的發(fā)展之一。X射線衍射、光譜學(xué)、成像以及其它X射線分析技術(shù)的使用已導(dǎo)致顯著增加了幾乎所有科學(xué)領(lǐng)域中的知識。
現(xiàn)存的一種表面分析類型基于針對樣品的X射線衍射?？蓹z測該衍射的輻射，且可以算法確定各種物理性質(zhì)，包括晶體結(jié)構(gòu)和相以及表面結(jié)構(gòu)。在廣泛應(yīng)用中，可將這些測量用于過程監(jiān)測，應(yīng)用包括半導(dǎo)體、藥劑、特殊金屬和涂層、建筑材料以及其它晶體結(jié)構(gòu)的制造。
通常，這種測量和分析過程需要檢測衍射X射線的信息，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，該信息來自相對于樣品的多個位置。常規(guī)的衍射系統(tǒng)體積大、昂貴以及易于產(chǎn)生可靠性問題。它們的尺寸、成本以及性能限制了其用于離線的“實(shí)驗(yàn)室”環(huán)境。
市場中強(qiáng)烈驅(qū)使將這種技術(shù)應(yīng)用到實(shí)時過程監(jiān)測中，允許實(shí)時過程控制。在許多制造環(huán)境中，實(shí)時過程監(jiān)測和反饋消除了將樣品運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試的需要。實(shí)時過程監(jiān)測使得能夠立即采取調(diào)整措施，而不必等待實(shí)驗(yàn)室結(jié)果、同時連續(xù)制造不合格產(chǎn)品。
這些類型的實(shí)時測量提出了一些在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中未遭遇到的實(shí)務(wù)——如需要更小、更可靠的設(shè)備；需要適合周圍生產(chǎn)環(huán)境的樣品處理和激勵/檢測技術(shù)。例如，該樣品可連續(xù)在移動路徑上移動經(jīng)過設(shè)備。該技術(shù)必須與樣品移動和移動路徑相適合。
在“旁路”結(jié)構(gòu)中(其中可將來自生產(chǎn)線的樣品轉(zhuǎn)移到最接近的測量站)——嚴(yán)格的樣品制備不是切實(shí)可行的。該測量技術(shù)必須適應(yīng)樣品“原態(tài)”且沒有任何不當(dāng)制備。
設(shè)備必須足夠小以安裝到制造環(huán)境中，而不會影響周圍的生產(chǎn)設(shè)備。通常，該系統(tǒng)必須比大多數(shù)常規(guī)X射線衍射系統(tǒng)更小和更簡單，但卻具有相似的性能特征。
但是，這樣的測量環(huán)境也帶來一些通常在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中不存在的好處。例如，被研究的專用類型的材料通常是已知的；所感興趣的專用材料的性能也是已知的(如相或結(jié)構(gòu))。移動路徑也是已知的，材料取樣和處理技術(shù)也是已知的。
因此，所需要的是在實(shí)時生產(chǎn)環(huán)境中使用X射線衍射測量的優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)、方法和系統(tǒng)；其可承受這些環(huán)境的苛求條件，且其還可利用一些與這些環(huán)境有關(guān)的先驗(yàn)信息。

發(fā)明內(nèi)容
通過本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，并提供了另外的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明在一個方面為X射線衍射技術(shù)(裝置、方法和程序產(chǎn)品)，該技術(shù)用于在原位狀態(tài)測量材料的樣品的已知特性。該技術(shù)包括使用X射線源用于發(fā)射大體上分散的X射線輻射；具有相對于固定源設(shè)置的準(zhǔn)直光學(xué)元件，以通過接收該發(fā)散X射線輻射和使該發(fā)散X射線輻射的發(fā)散路徑改向來產(chǎn)生大體上平行的X射線輻射束。第一X射線檢測器收集自該樣品衍射的輻射；其中根據(jù)有關(guān)該樣品的已知特性的先驗(yàn)知識，該源和檢測器在其運(yùn)行期間被彼此相對地、且在相對于該樣品的至少一個尺度中被固定在適當(dāng)位置。特別是在本發(fā)明的相監(jiān)測實(shí)施例中，根據(jù)有關(guān)該樣品的已知特性的先驗(yàn)知識，可相對于該第一X射線檢測器固定第二X射線檢測器。可將若干個角濾光器固定在第一和/或第二X射線檢測器上，以用于限制檢測器收集該衍射輻射的角度。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)測量實(shí)施例中可使用固定的源/檢測器對。
可與校準(zhǔn)多毛細(xì)管光學(xué)元件一起，使用緊湊、低功率源，從而增強(qiáng)這些技術(shù)的原位性能。
關(guān)于感興趣的樣品特征的先驗(yàn)知識，允許彼此相對以及相對于該樣品固定這些源和檢測器，因此通過消除對掃描的需要而簡化了系統(tǒng)設(shè)計。


在說明書結(jié)尾的權(quán)利要求書中特別指出并明確要求保護(hù)本發(fā)明的主題。由下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，本發(fā)明前述以及其它目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)是明顯的，其中圖la-b描述了根據(jù)本發(fā)明一個方面、相監(jiān)測、X射線衍射系統(tǒng)的前部和頂部立體圖，該系統(tǒng)具有在2個不同“2θ”方向上被固定在適當(dāng)位置的源和兩個檢測器；圖2a-b描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個方面、另一種監(jiān)測、X射線衍射系統(tǒng)的頂部和立體圖，該系統(tǒng)具有在2個不同“φ”方向被固定在適當(dāng)位置的源和兩個檢測器；圖3a-b描述了根據(jù)本發(fā)明另一個方面的、結(jié)構(gòu)測量、X射線衍射系統(tǒng)的前部和頂部等軸視圖，該系統(tǒng)具有在2個不同“φ”方向被固定在適當(dāng)位置的兩個源和兩個檢測器；圖4描述了具有固定檢測器的原位X射線衍射系統(tǒng)，這些檢測器在生產(chǎn)環(huán)境中監(jiān)測移動的樣品；圖5描述了具有固定檢測器的原位X射線衍射系統(tǒng)，這些檢測器在生產(chǎn)旁路中測量樣品；圖6a-c描述了優(yōu)選用在本發(fā)明的X射線衍射系統(tǒng)中的電子轟擊源、多毛細(xì)管準(zhǔn)直光學(xué)元件以及源/光學(xué)元件的組合；圖7描述了根據(jù)本發(fā)明另一個方面、同固定檢測器組合使用的示例性角濾光器；以及圖8描述了根據(jù)本發(fā)明的固定檢測器的典型“2θ”角掃描和可能方位。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及X射線系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有根據(jù)一些已知的先驗(yàn)信息固定在適當(dāng)位置的若干個檢測器，該信息有關(guān)在“原位”生產(chǎn)環(huán)境中的被研究樣品及其移動路徑。在此使用的術(shù)語“原位”意味著這樣的應(yīng)用，其中樣品存在于它自己的環(huán)境中，包括處于有效生產(chǎn)下。示例包括“在線”系統(tǒng)，其直接與生產(chǎn)線相耦合，且當(dāng)材料以大體上可預(yù)知的狀態(tài)存在(可能是移動的)在該生產(chǎn)線中時，分析該材料；或者包括“線內(nèi)”系統(tǒng)，其同生產(chǎn)線緊密關(guān)聯(lián)，但其分析自其生產(chǎn)線移走的樣品，并在測量之前有最小化樣品制備過程；或者包括“線上”系統(tǒng)，可被輕便地輸送到該樣品以大體上可預(yù)知狀態(tài)存在的現(xiàn)場；但是通常不包括“離線”、固定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。在此的術(shù)語“生產(chǎn)”意味著有效生產(chǎn)或在生產(chǎn)設(shè)備中的材料的轉(zhuǎn)變，包括在材料的初始轉(zhuǎn)變發(fā)生時，檢查天然態(tài)的材料(即礦物)。
本發(fā)明的“原位”應(yīng)用通常意味著樣品120為這樣一種材料，其具有可由先驗(yàn)知識導(dǎo)出的一些特性，從而優(yōu)化了本發(fā)明的XRD系統(tǒng)。例如一些晶體結(jié)構(gòu)信息可能是已知的，使得可以在不同2θ角使用兩個不同檢測器進(jìn)行晶相監(jiān)測。這一點(diǎn)將在以下有關(guān)“鋼相”的示例中進(jìn)一步討論。作為另一個示例，可假設(shè)結(jié)晶取向信息，其中的任何變化能夠使得在不同φ角用兩個不同源/檢測器對來監(jiān)測表面結(jié)構(gòu)。圖1a-b的結(jié)構(gòu)顯示了用于相監(jiān)測的一個源110和在2θ角2θ1和2θ2的兩個固定檢測器。下面在“結(jié)構(gòu)感測”示例中對此作了進(jìn)一步的討論。
本發(fā)明的相監(jiān)測實(shí)施例圖1a-b描述了根據(jù)本發(fā)明的、相監(jiān)測、X射線衍射(XRD)系統(tǒng)100的前部和頂部立體圖，包括源110、光閘112、發(fā)散X射線114、準(zhǔn)直光學(xué)元件116、平行射束118、樣品120、衍射的射束121/122、第一角濾光器124、第二角濾光器126、檢測器128、檢測器130、剛性支撐結(jié)構(gòu)115以及計算機(jī)132。
源110和準(zhǔn)直光學(xué)元件116提供了平行射束118形式的X射線輻射。下面結(jié)合圖6a-c討論根據(jù)本發(fā)明的、代表性源/光學(xué)元件組合的特殊細(xì)節(jié)。源110可為點(diǎn)源，該點(diǎn)源產(chǎn)生自小斑點(diǎn)發(fā)散的X射線114且自該小斑點(diǎn)各向同性地發(fā)射該發(fā)散X射線114，或者可為大面積源，該大面積源在相對大的面積上產(chǎn)生X射線，并從源110上每一個位置在一個角度范圍內(nèi)發(fā)射發(fā)散X射線114?？蓮腦射線管發(fā)射該發(fā)散X射線114，其源于陽極的電子轟擊，且發(fā)散X射線114不斷地自該源發(fā)出，如牛津5011電子轟擊源。
準(zhǔn)直光學(xué)元件116為能夠產(chǎn)生足夠平行的射束、從而產(chǎn)生可用衍射圖樣的器件。平行射束受在垂直方向上的樣品位移的影響較小，當(dāng)在原位環(huán)境中操作時，這是一個顯著的優(yōu)點(diǎn)。準(zhǔn)直光學(xué)元件116可為索勒(Soller)狹縫準(zhǔn)直儀，其為通過縫隙隔離的吸收板的陣列。但是，由于索勒狹縫是一種阻塞方法，因此固有效率低，可能需要較大的源。針孔準(zhǔn)直儀也是可用的，但是其也是一種低效率技術(shù)。
優(yōu)選其它的準(zhǔn)直光學(xué)元件，即那些接收寬角度發(fā)散X射線并將該發(fā)散射線改向?yàn)槠叫猩涫墓鈱W(xué)元件。這樣的光學(xué)元件包括例如彎曲晶體光學(xué)元件(參見例如X-Ray Optical公司的美國專利號6,285,506和6,317,483，在此以引用的方式將其全部包括在內(nèi))、多層光學(xué)元件或者多毛細(xì)管光學(xué)元件。
因此，該準(zhǔn)直光學(xué)元件116可為多毛細(xì)管光學(xué)元件——一束細(xì)的中空管，其在相當(dāng)大的立體角上收集發(fā)散X射線114的一部分、發(fā)射光子，并因此使光子改向，從其另外的直線軌跡通過總的外反射到溝槽內(nèi)，并將收集到的發(fā)散X射線114準(zhǔn)直成射向樣品120的平行射束118。這使得能夠使用更小的低功率源。下面再一次通過結(jié)合圖6a-c討論優(yōu)選用于此處系統(tǒng)的光學(xué)元件/源組合。
系統(tǒng)110還可包括光閘112，從而當(dāng)需要時阻擋全部平行射束118。
角濾光器能夠更精確地控制檢測器128和130檢測到的衍射輻射。第一角濾光器124和第二角濾光器126可為多毛細(xì)管光學(xué)元件(參見下面有關(guān)圖7的討論)，多毛細(xì)管光學(xué)元件拒絕在總的外部反射的臨界角以外入射的輻射，同時將該臨界角以內(nèi)的輻射分別射向檢測器128和130。在本發(fā)明的一種增強(qiáng)實(shí)施例中，根據(jù)監(jiān)測的衍射峰的峰寬確定角濾光器的分辨率。通過使角濾光器的角分辨率同峰寬相關(guān)聯(lián)，將來自該峰的最大能量提供給該檢測器，同時最小化任何來自離峰(off-peak)區(qū)域的背景噪聲。作為選擇，索勒狹縫可包括角濾光器124和126。還可使用這些濾光器的一維和兩維變型。
檢測器128和130為收集分別由衍射的射束121和122(每一個射束沿著其自身相應(yīng)的2-θ角，該角是根據(jù)有關(guān)被研究的樣品特性的先驗(yàn)知識選擇的)產(chǎn)生的衍射圖樣和產(chǎn)生輸出信號的元件，這些輸出信號隨著入射在其上的衍射X射線的變化而改變，并被傳送到計算機(jī)132。檢測器128和130可為閃爍檢測器、由光電倍增管組成的檢測器，該管面對包括固體材料(如摻有鉈原子的碘化鈉)的區(qū)域。作為選擇，檢測器130可為半導(dǎo)體檢測器。優(yōu)選這些類型的“點(diǎn)”檢測器。其它檢測器對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。
用于該公開的原位XRD系統(tǒng)中的檢測器通常需要小尺寸，以便于整個系統(tǒng)的緊湊設(shè)計，這些檢測器具有大約適中的分辨率(＜1Kev)以選擇X射線源Ka輻射。通常不需要更高的能量分辨率(其可能需要用液氮冷卻檢測器)。這些檢測器可能需要很高的計數(shù)效率以及由此產(chǎn)生的高靈敏度，從而檢測可能很弱的衍射射束。期望有大的捕獲區(qū)域(同大角濾光器組合)，以便有更大的樣品位置位移的容限。
在一種實(shí)施例中，本發(fā)明使用小的、便宜的“點(diǎn)檢測器”。一種示例包括具有25mm2捕獲區(qū)域和～200ev能量分辨率的檢測器(用于結(jié)構(gòu)測量)。一種氣體正比計數(shù)器檢測器可用于鋼相監(jiān)測，其具有12×25mm2的捕獲區(qū)域和～1000ev能量分辨率。
剛性支撐結(jié)構(gòu)115支撐源和檢測器在彼此相對的固定位置(當(dāng)進(jìn)行測量時)，且將該整個系統(tǒng)放置在相對于下面的樣品120的測量位置。該系統(tǒng)可相對于該樣品固定，或者在該樣品上盤旋，或者該樣品可移動到該固定系統(tǒng)的下面。為了進(jìn)行相監(jiān)測，該系統(tǒng)可相對于該樣品旋轉(zhuǎn)。為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測，旋轉(zhuǎn)角(φ)必須固定。一般來說，在該樣品和該系統(tǒng)之間必須固定至少一個尺度，以確保精確的測量。該尺度通常為該系統(tǒng)和該樣品之間的距離。
計算機(jī)132為數(shù)據(jù)采集裝置，其可包含標(biāo)準(zhǔn)的分析軟件包。該計算機(jī)用來從檢測器128和130對在其相應(yīng)的2-θ角的衍射圖樣的響應(yīng)來分析、解釋和顯示有關(guān)樣品120的信息。
圖1a的頂視圖顯示了源110、沿著相同φ角φ1平行排列的檢測器128和檢測器130。但是，檢測器之間的偏移可是在θ方向、φ方向(下面結(jié)合圖2a-b討論)、x方向(即由源/檢測器對形成的平面)或者這些方向的任意組合。
在操作中，該X射線衍射系統(tǒng)100提供原位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠例如對樣品120進(jìn)行相檢測或監(jiān)測以及定量。該X射線衍射系統(tǒng)100特別適于移動介質(zhì)的原位相分析(例如參見下面的討論，在將涂層施加到該樣品120之后，在制造環(huán)境中移動的鍍鋅鋼)。下面的低功率源110發(fā)射發(fā)散的X射線114，通過準(zhǔn)直光學(xué)元件116將其準(zhǔn)直為平行射束118。該X射線的平行射束118撞擊在該樣品120上，并按照布拉格定律(nλ＝2dsinθ，其中d為結(jié)晶相中原子平面之間的間距，n為整數(shù)，θ為入射角，以及λ為入射X射線的波長)，由該樣品120中的結(jié)晶相使射束衍射，以及因此產(chǎn)生衍射的射束121和122。將該衍射射束內(nèi)的X射線的強(qiáng)度作為衍射角2θ的函數(shù)進(jìn)行測量?？稍谠撌纠惺褂迷撗苌鋱D樣，從而鑒別和監(jiān)測該樣品120的結(jié)晶相和其它結(jié)構(gòu)屬性。
在特定相的衍射角是已知的情況下，可將該衍射圖樣檢測裝置放置在固定位置。因而，在本發(fā)明中包括分別具有角濾光器124和126的兩個檢測器128和130，從而分別獲得來自兩個不同衍射角2θ1和2θ2的數(shù)據(jù)。檢測器130從角2θ1測量在預(yù)先選擇的能量窗內(nèi)、通過第二角濾光器126射向它的X射線輻射的強(qiáng)度。這獲得了來自一區(qū)域的“背景”信息，在該區(qū)域中期望沒有衍射峰，而檢測器128從角2θ2、一區(qū)域測量預(yù)先選擇的能量窗內(nèi)、通過第一角濾光器124射向它的X射線輻射的強(qiáng)度，在該區(qū)域中期望出現(xiàn)理想的相衍射峰。通過從檢測器128和130輸入到計算機(jī)132的信號來執(zhí)行算法和獲得比率，并確定給定相的量。在沒有任何給定相存在的情況下，對于在檢測器128接收的角2θ2的衍射射束122，感興趣區(qū)域中的計數(shù)同在檢測器130測量的背景中的計數(shù)相同，產(chǎn)生1∶1的比率。當(dāng)給定相的量增加時，該比率變得大于1，并可精確確定存在于該樣品120中的相的百分比。
在需要檢查單個材料相的應(yīng)用(如檢測經(jīng)受鍍鋅處理的鋼中不期望的相變)中，本發(fā)明特別有用，且已知該衍射峰的角位置具有一定精確度。使用兩個固定的檢測器128和130(具有可選的角濾光器124和126)取代任一掃描，可移動的檢測器顯著降低了X射線衍射系統(tǒng)中的檢測器組件的尺寸和復(fù)雜度。這導(dǎo)致了成本的降低和可靠性的增加，這些對原位應(yīng)用特別重要。
準(zhǔn)直光學(xué)元件116的引入產(chǎn)生了足夠強(qiáng)度的平行射束118，從而當(dāng)使用低功率源110時，在能夠即時反饋的時限內(nèi)實(shí)現(xiàn)期望的測量。用于結(jié)晶度分析的常規(guī)X射線衍射系統(tǒng)使用稱之為Bragg-Brentano的聚焦幾何學(xué)，其中經(jīng)常需要大范圍的拋光和樣品制備，以及樣品掃描。用于本發(fā)明的平行射束118消除了在操作期間，對大量樣品制備和掃描的需要?？蛇M(jìn)行一次掃描，從而確定掃描曲線的形狀和檢測器最終的角位置。然后在操作期間，不需要掃描。消除在操作期間對樣品掃描的需要能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可靠、緊湊的X射線衍射系統(tǒng)100，該系統(tǒng)通過消除對復(fù)雜樣品控制系統(tǒng)的需要，可用于串聯(lián)式過程控制。應(yīng)該注意到，使用高效多毛細(xì)管或彎曲光學(xué)元件用于準(zhǔn)直光學(xué)元件116，允許用于更高強(qiáng)度的射束(更短的測量時間)以及更小、更低成本、低功率的X射線源。
盡管這種優(yōu)選實(shí)施例包括使用兩個固定檢測器(一個在峰上，一個在背景上)，其它檢測器配置是可能的。單個檢測器可位于衍射峰(假設(shè)可以一定精確度預(yù)測該峰的地點(diǎn)和背景噪聲電平)。在圍繞該衍射的任何數(shù)量的位置可使用超過兩個的檢測器，例如兩個在背景，兩個沿著峰的側(cè)面，一個在峰上——合計5個(參見下面有關(guān)圖8的討論)。圖2a-b描述了與圖1a-b相似的X射線衍射系統(tǒng)，其具有固定檢測器在相同的2-θ角的角位置，但在φ方向改變。圖2a-b描述了根據(jù)本發(fā)明的X射線衍射(XRD)系統(tǒng)200，該系統(tǒng)包括源210、光閘212、發(fā)散X射線214、準(zhǔn)直光學(xué)元件216、平行射束218、樣品220、衍射的射束221/222、第一角濾光器224(不是全部可見)、第二角濾光器226、檢測器228、檢測器230、剛性支撐結(jié)構(gòu)215以及計算機(jī)232。
這些元件可與參照圖1a-b所述元件相似，只是簡單地排列在不同角位置。取決于應(yīng)用以及有關(guān)潛在應(yīng)用的已知先驗(yàn)信息的類型和性質(zhì)，檢測器的位置可沿著2-θ位置(圖1a-b)設(shè)置、沿著φ位置設(shè)置(圖2a-b)或者在兩個方向的組合(未顯示)來設(shè)置。
鋼相監(jiān)測應(yīng)用本發(fā)明用途的一種示例涉及生產(chǎn)中的鋼板的實(shí)時、現(xiàn)場分析。熱浸鍍鋅鋼板具有極好的抗腐蝕性、可涂覆性、可磷化能力以及可焊接性；因此在汽車制造業(yè)中非常需要這些鋼的性能。對于生產(chǎn)具有極好壓制成型性(如可壓延性和抗粉化行為)的鍍鋅鋼板而言，控制鍍鋅涂層的微觀結(jié)構(gòu)很重要的。這些涂層性能很受涂層成分和微觀結(jié)構(gòu)的影響，涂層是在熱浸鍍鋅和鍍鋅退火期間形成在鋼基底上。
對于熱浸鍍鋅退火工藝而言，使用用鋁改性的鍍鋅槽。在鍍鋅槽中，起初在鋼基底和鋅涂層之間的界面發(fā)生Fe-Al-Zn反應(yīng)，其阻礙了Zn-Fe反應(yīng)。這種步驟稱之為抑制。為了觸發(fā)Zn-Fe反應(yīng)，需要除去該界面層，該界面層的厚度隨著鍍鋅槽中鋁含量的增加而增加。在形成金屬間ζ-相期間，發(fā)生第一Fe-Zn合金反應(yīng)，柱狀ζ-晶體在薄Fe-Al上部生長。在隨后的Zn-Fe反應(yīng)期間，開始在鋼基底表面上以多面體晶體形式局部形成ζ-相和另一種金屬間ζ相，然后擴(kuò)展到整個界面層。在起始的固體/液體反應(yīng)步驟之后(固體鐵、Zn-Fe相和液體Zn)，發(fā)生隨后的固態(tài)反應(yīng)，ζ-相轉(zhuǎn)化為6-相并生長Γ相。該Zn-Fe層的品質(zhì)主要受幾個參數(shù)影響鋼基底、鐵含量以及在涂層中Zn-Fe相的最佳分布。其次的兩個參數(shù)主要由鋅鍍層退火處理爐中的溫度和保持時間、鍍鋅槽中鋁的含量、鋼成分以及鋼表面條件確定。
如果沒有適當(dāng)生產(chǎn)，由于Γ相形成在鋼基底和鍍鋅表面涂層之間，鍍鋅退火鋼可能呈現(xiàn)粉化并剝落。這導(dǎo)致涂層自鋼表面損耗，其在成形操作期間發(fā)生。在汽車制造業(yè)中的成形過程對鋼種的鑒定設(shè)定了很高的標(biāo)準(zhǔn)。表面層中的相形成過程是復(fù)雜的過程，且以高產(chǎn)量生產(chǎn)恰當(dāng)?shù)匿摲N是有挑戰(zhàn)性的。裝運(yùn)前，各個軋鋼廠必須驗(yàn)證他們的產(chǎn)品。因此，能夠識別和監(jiān)測相的線內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)對連續(xù)鋼板鍍鋅退火線極有好處。此外，當(dāng)鍍鋅退火鋼板軋輥時，通過該衍射系統(tǒng)，半定量分析將對形成趨勢給出幾乎實(shí)時的結(jié)果。
涂層中的相成分、或者每一鐵鋅化合物的量是鍍鋅退火鋼很重要的部分，且直接與涂層的剝落相關(guān)。這導(dǎo)致涂層的合金化程度和該熱浸鍍鋅退火鋼板的壓制成型性之間的緊密聯(lián)系。當(dāng)在涂層表面上余留厚的ζ-相時，這表明涂層的合金化程度低。該涂層的表面動摩擦的增加導(dǎo)致很差的壓延性和鋼板的破裂。相反，當(dāng)合金化程度增長和Γ相的厚度增加時，粉化現(xiàn)象變得顯著。為了生產(chǎn)具有極好壓制成型性的熱浸鍍鋅退火鋼板，必須控制合金化程度，從而減少余留ζ-相和Γ-相的量。
圖1a-b和2a-b的原位、固定檢測器系統(tǒng)的使用使得能夠?qū)崟r監(jiān)測這些類型的相，并根據(jù)感興趣的特殊相的先驗(yàn)知識以及樣品的位置固定源和檢測器。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)感測實(shí)施例圖3a-b為本發(fā)明實(shí)施例的前部和頂部等軸視圖簡圖，該實(shí)施例優(yōu)選用于原位結(jié)構(gòu)測量。在此，通常將源檢測器對310/330和311/328沿著φ圓，且相對于該樣品320，以給定的χ角固定在相應(yīng)的位置。
結(jié)構(gòu)分析確定了多晶聚合體中微晶體的優(yōu)選取向。通常需要的是確定微晶體完整的取向分布。這通常需要該樣品角取向中的系統(tǒng)性變化以收集衍射數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生極圖曲線。通過以χ和Φ角的各種設(shè)置來測量特定平面(例如[111]平面)的衍射強(qiáng)度，從而獲得極圖。極圖便利地說明了衍射圖樣形成的相長干涉，該衍射圖樣與感興趣的相有關(guān)(在此，已知為先驗(yàn)知識)。被稱之為衍射峰的每一相長干涉斑點(diǎn)出現(xiàn)在恒定2-θ角(變化的φ角)的特定圓上的特定位置，其中不同的衍射平面將在不同的2-θ角產(chǎn)生衍射峰。在理想情況下，其中所有晶粒相對于彼此完美排列，該衍射峰表現(xiàn)為點(diǎn)。在最差的情況下，其中所有晶粒相對于彼此隨機(jī)取向，該衍射峰表現(xiàn)為沿著恒定2θ角的曲線出現(xiàn)的實(shí)心環(huán)。在通常情況下，其中相當(dāng)大程度的平面內(nèi)晶粒在薄膜內(nèi)未對準(zhǔn)，衍射峰表現(xiàn)為伸長斑點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，將固定源和檢測器用來進(jìn)行這種結(jié)構(gòu)測量，而不在x和φ方向旋轉(zhuǎn)樣品。在圖3a-b中，將源檢測器對310/330固定在反向的φ角φ1和φ3，將源/檢測器對311/328固定在反向的φ角φ2和φ4。
該結(jié)構(gòu)與圖1a-b和2a-b的相監(jiān)測器實(shí)施例有一些相似，且還可使用相同的元件(準(zhǔn)直射束，角濾光器)，但是對每一個檢測器都有一個源，且位置沿著φ方向固定，盡管它們也可沿著χ和φ方向固定。
這種配置的一種應(yīng)用也可為超導(dǎo)體帶結(jié)構(gòu)感測，其中該衍射峰的位置是已知先驗(yàn)的，且該源/檢測器對固定在必要區(qū)域中，從而進(jìn)行感興趣的特殊的結(jié)構(gòu)測量。在題為“METHOD AND SYSTEM FORX-RAY DIFFRACTION MEASUREMENTS USING AN ALIGNED SOURCE ANDDETECTOR ROTATING AROUND SAMPLE SURFACE”的、普通轉(zhuǎn)讓的臨時專利申請中更詳細(xì)討論了這種應(yīng)用，該申請?jiān)?003年7月22日遞交，代理案號為0444-070(p)，在此以引用的方式將其全部包括在內(nèi)。在那個申請中，建議進(jìn)行掃描從而確定結(jié)構(gòu)測量的連續(xù)曲線。在此，假設(shè)峰的位置是已知先驗(yàn)地達(dá)到一定合理的精確度，可將若干固定的源/檢測器對(例如一對在相應(yīng)于峰的取向、另一對在背景處)用來進(jìn)行相似的測量。
原位示例如上所述，對于一些原位環(huán)境而言，本發(fā)明具有特別的可適用性，其中樣品以其天然狀態(tài)或者以沿著生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)保留。
圖4描述了原位系統(tǒng)400的“線內(nèi)”形式，該系統(tǒng)直接與生產(chǎn)線耦合，且當(dāng)材料420以大體上可預(yù)計的狀態(tài)(特別是相對于上述θ、φ、χ角)存在于(可能移動)生產(chǎn)線上時，分析該材料420的區(qū)域421。這種類型的環(huán)境可適用于上述鋼示例，其中生產(chǎn)中的鋼板沿著移動路徑430移動，或者上述結(jié)構(gòu)測量示例，其中超導(dǎo)體帶移動經(jīng)過原位系統(tǒng)。盡管系統(tǒng)可以收集通過材料區(qū)域的衍射數(shù)據(jù)，作為轉(zhuǎn)換率和采樣持續(xù)時間的函數(shù)，可在離散點(diǎn)停止該材料以及在每一點(diǎn)進(jìn)行測量。但是，對于處理而言，在連續(xù)移動期間沿著材料區(qū)域進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采樣是最好的。
圖5描述了原位XRD系統(tǒng)500的“線上”形式，該系統(tǒng)緊鄰生產(chǎn)線(“上”)，且當(dāng)材料520以大體上可預(yù)計的狀態(tài)(特別是相對于上述θ、φ、χ角)存在(可能移動)在生產(chǎn)線中時，分析該材料的樣品520。進(jìn)行最小的樣品處理和制備(530)，且當(dāng)其存在于生產(chǎn)線上時，該樣品基本上存在于系統(tǒng)500的測量下。
本發(fā)明還考慮了其它“原位”環(huán)境。例如，可便利地運(yùn)輸?shù)綐悠芬源篌w上可預(yù)計的狀態(tài)存在的場地的“現(xiàn)場”系統(tǒng)(例如礦物，其中對樣品的某些特征感興趣；或者法醫(yī)現(xiàn)場，其中尋找某些已知材料)。
小功率源/準(zhǔn)直光學(xué)元件組合示例如上所述，提供原位分析能力的能力很大程度上取決于源/光學(xué)元件技術(shù)，該技術(shù)可承受那些環(huán)境的環(huán)境需要和攜帶需要。從這一點(diǎn)上，如下面有關(guān)圖6a-b的討論一樣，可將一些以前公開、且轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的源和光學(xué)元件技術(shù)優(yōu)選用在原位環(huán)境中。
參考圖6a，顯示了典型的緊湊、電子轟擊X射線源600的基本部件。將電子槍/燈絲610加熱(通過施加電壓)到一溫度，從而使得熱發(fā)射電子612。通過與陽極614的電位差使這些被發(fā)射的電子加速，該陽極涂覆有靶材料，其中該電子沖擊在該陽極給定表面區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域被稱之為斑點(diǎn)大小618。作為該加速電子和靶原子之間碰撞的結(jié)果，發(fā)散X射線620自該陽極發(fā)射。為了控制該斑點(diǎn)大小，可將電磁聚焦裝置622放置在燈絲610和陽極614之間。具有2微米或更小斑點(diǎn)大小的X射線源可購買。但是，當(dāng)電子斑點(diǎn)大小減少時，X射線的產(chǎn)生也減少。
參考圖6b，產(chǎn)生高強(qiáng)度、小直徑的X射線射束需要與單塊多毛細(xì)管準(zhǔn)直光學(xué)元件644耦合的、小斑點(diǎn)X射線源600。通常將這兩個元件分開一距離f，該f被稱為焦距。該光學(xué)元件644包括多個中空玻璃毛細(xì)管648，該毛細(xì)管熔在一起并成形為允許高效捕獲發(fā)散X射線輻射620的結(jié)構(gòu)，該輻射自X射線源600射出。在該示例中，該捕獲的X射線射束通過光學(xué)元件成形為大體上平行的射束650。位于光學(xué)元件輸入端654的通道開口652大致上指向X射線源。每一基本上指向該源的通道的能力十分重要是因?yàn)閹讉€理由1)它使得光學(xué)元件的輸入直徑充分減小，其反過來導(dǎo)致更小光學(xué)元件輸出直徑的可能性；以及3)對于相對源焦距的短光學(xué)元件而言，其使得高效的X射線捕獲成為可能。在光學(xué)元件654輸入端的單個通道開口652的直徑可比在光學(xué)元件656輸出端的通道直徑要小。
這種類型的光學(xué)元件將來自該源的其它發(fā)散X射線改向?yàn)檩敵龅钠叫猩涫?50。這不僅確保了最大效率，而且在上述X射線衍射系統(tǒng)中，給研究的樣品的位移提供了一些抗擾度。
圖6c以剖面正視圖說明了一種X射線源/光學(xué)元件組件的實(shí)施例，該組件特別適用于本發(fā)明的衍射系統(tǒng)。X射線源/光學(xué)元件組件包括X射線源600’和輸出光學(xué)元件644’——與上述關(guān)于圖6a-b的那些源和光學(xué)元件相似。光學(xué)元件644’與真空X射線管2105的X射線透射窗口2107對準(zhǔn)。X射線管2105容納相對于高電壓陽極2125排列的電子槍/燈絲2115。當(dāng)施加電壓時，電子槍2115以電子束2120的形式(如上所述)發(fā)射電子。相對于源斑點(diǎn)，HV陽極2125用作靶，電子束撞擊在該斑點(diǎn)上，從而產(chǎn)生X射線輻射2130，該輻射發(fā)射通過窗口2107并通過光學(xué)元件644’收集。
陽極2125可物理和電連接到基底組件，該組件包括同基板1265’通過介電盤2160電絕緣的導(dǎo)電板2155。高電壓導(dǎo)線2170連接到導(dǎo)電板2155，從而給陽極2125提供期望的功率電平。該電子槍2115、陽極2125、基底組件2150以及高電壓導(dǎo)線2170可通過密封材料2175密封，它們?nèi)看嬖谟谕鈿?710內(nèi)。(但是，介電盤2160用來從該組件中消除過多的熱量，在一種實(shí)施例中，其抵制對任何特殊冷卻密封材料的需要)。外殼2710包括開口2712，其與X射線管2105的X射線發(fā)射窗口2107對準(zhǔn)。在操作中，通過光學(xué)元件644’收集X射線輻射2130，以及在這種示例中，將其改向?yàn)榇篌w上平行的射束650。
在X射線源組件600’內(nèi)，還可提供一控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括例如處理器2715，其顯示嵌入外殼2710內(nèi)，以及一個或多個傳感器和一個或多個調(diào)節(jié)器(如傳感器/調(diào)節(jié)器2720和調(diào)節(jié)器2730)，其將同處理器2715耦合。在X射線源組件600’內(nèi)的這種控制系統(tǒng)包括補(bǔ)償例如HV陽極2125和基底組件2150隨著陽極功率水平的變化的熱膨脹的功能，以維持X射線2130相對于光學(xué)元件2135的對準(zhǔn)。這使得該X射線源組件2700在陽極工作電平范圍內(nèi)能夠維持斑點(diǎn)大小2745并具有穩(wěn)定的強(qiáng)度。
多毛細(xì)管準(zhǔn)直光學(xué)元件和光學(xué)元件/源組合可影響這種平行射束的產(chǎn)生和發(fā)射，該光學(xué)元件和組合如那些在共同轉(zhuǎn)讓的、X-RayOptical Systems公司的U.S.專利號5,192,869；5,175,755；5,497,008；5,745,547；5,570,408；以及5,604,353；美國臨時申請系列號60/398,968(在2002年7月26日申請，且完善為PCT申請PCT/US02/38803)和60/398,965(在2002年7月26日申請，且完善為PCT申請PCT/US02/38493)中公開的光學(xué)元件和組合，在此以引用的方式將所以這些專利申請全部包括在內(nèi)。
角濾光器技術(shù)圖7描述了用于本發(fā)明中的、典型多毛細(xì)管角濾光器700，該濾光器由大量的小玻璃毛細(xì)管制造。由于X射線在玻璃中的折射率略微低于1，所以當(dāng)X射線702以很小的入射角入射到光滑玻璃表面上時，發(fā)生全反射。該全部外反射的臨界角與該X射線的能量成反比，且對30KeV的X射線而言為大約一毫弧度(～0.05度)。然后，以小于臨界角的角度入射的X射線可通過中空玻璃毛細(xì)管發(fā)射704。
通過限制到達(dá)該檢測器的臨界能量的角度，可將散射控制得遠(yuǎn)離不期望的角度，從而控制從中檢測能量的樣品的區(qū)域。如上所述，根據(jù)感興趣的峰的寬度來控制該角濾光器的臨界角和其它設(shè)計參數(shù)，這在本發(fā)明中很有用，從而確保收集到來自該峰的最大能量，同時還限制了從離開峰的區(qū)域接收到的噪聲的量。該角濾光器應(yīng)該指向感興趣的樣品的區(qū)域。
其它類型的角濾光器也是可能的，其包括索勒狹縫、多溝槽板等。還可使用一維或兩維的替代方案。
掃描曲線以及固定源/檢測器位置的推導(dǎo)圖8描述了源自在2-θ方向、穿過所感興趣的代表性樣品掃描源/檢測器的樣品衍射曲線。盡管顯示了2-θ位置，但通常以衍射顆粒可推導(dǎo)出相似的曲線，由其可推導(dǎo)固定檢測器的位置。根據(jù)這種曲線的推導(dǎo)以及根據(jù)本發(fā)明，固定源和/或檢測器可根據(jù)本發(fā)明放置在顯著的角位置800、810以及820。理想地，在峰800，可僅僅需要單個“峰”檢測器，但是，將檢測器放置在曲線的其它點(diǎn)(例如全寬半最大位置810)和/或在背景位置820的能力將提供更可靠的結(jié)果。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，使用一個峰檢測器，以及使用一個背景檢測器，該檢測器緊鄰峰的衍射角(從而確保收集相同的、一般類型的衍射狀況)，但遠(yuǎn)到足夠進(jìn)入噪聲中，從而確保峰和噪聲之間的不同測量，因而提供精確的峰幅度測量。但是可使用三個檢測器(峰、半峰以及噪聲)；或者使用五個檢測器(峰、半峰兩側(cè)以及噪聲兩側(cè))；或者更多檢測器；或者任何期望的檢測器或源/檢測器對的配合。
還可將本發(fā)明用于其它的應(yīng)用，如通過使用上述位于固定位置的檢測器實(shí)時收集衍射峰的分布圖，從而測量原位應(yīng)變和應(yīng)力。為了獲得用于高精度測量的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，可使用線性檢測器或平坦區(qū)域檢測器，以及任何上述檢測器。
本發(fā)明的處理部分可包括在制造的物品中(一種或多種計算機(jī)程序產(chǎn)品)，該物品具有例如計算機(jī)可使用的介質(zhì)。在此已具實(shí)施該介質(zhì)，例如用于提供和促進(jìn)本發(fā)明性能的計算機(jī)可讀程序代碼裝置。制造的物品可被包括作為計算機(jī)系統(tǒng)的一部分或者單獨(dú)出售。
此外，可提供至少一種機(jī)器可讀的程序儲存裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)至少一種機(jī)器可執(zhí)行的指令程序，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的性能。
在此描述的流程圖僅僅是示例。對于在此公開的這些圖或步驟(或操作)而言，不違背本發(fā)明實(shí)質(zhì)，可存有很多變化。例如可以不同的順序執(zhí)行這些步驟，或者可以增加、刪除或修改步驟。將所有這些變化認(rèn)為是所要求保護(hù)的本發(fā)明的一部分。
盡管在此詳細(xì)描述和公開了優(yōu)選實(shí)施例，對有關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，不違背本發(fā)明實(shí)質(zhì)，而進(jìn)行多種修改、增加、替代等是明顯的，因此，這些修改、增加、替代等被認(rèn)為是在如在下面的權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種X射線衍射裝置，用于在原位狀態(tài)測量材料的樣品的已知特性，包括X射線源，用于發(fā)射大體上發(fā)散的X射線輻射；準(zhǔn)直光學(xué)元件，相對于固定源設(shè)置，用于通過接收該發(fā)散X射線輻射并使該發(fā)散X射線輻射的發(fā)散路徑改為朝向該樣品，以產(chǎn)生大體上平行的X射線輻射束；以及第一X射線檢測器，用于收集從該樣品衍射的輻射；其中，根據(jù)有關(guān)該樣品的該已知特性的先驗(yàn)知識，該源和檢測器在其操作期間彼此相對地、且在相對于該樣品的至少一個尺度中被固定在適當(dāng)位置。
2.權(quán)利要求1的裝置，還包括第二X射線檢測器，該第二X射線檢測器是根據(jù)有關(guān)該樣品的已知特性的所述先驗(yàn)知識、相對于該第一X射線檢測器來固定的。
3.權(quán)利要求2的裝置，還包括至少一個角濾光器，該角濾光器被固定在該第一和/或第二X射線檢測器上，用于限制由相應(yīng)的檢測器收集該衍射的輻射的角度。
4.權(quán)利要求2的裝置，其中，該第一X射線檢測器被固定在適當(dāng)位置，以便測量根據(jù)該先驗(yàn)知識確定的衍射峰。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中，該第二X射線檢測器被固定在適當(dāng)位置，從而測量出根據(jù)該先驗(yàn)知識確定的衍射峰。
6.權(quán)利要求5的裝置，其中，該第二X射線檢測器被固定在適當(dāng)位置，從而大體上測量離開該衍射峰處的噪聲。
7.權(quán)利要求2的裝置，還包括該樣品，其中，該樣品需要相監(jiān)測，且該裝置適于監(jiān)測所述相。
8.權(quán)利要求7的裝置，其中，該樣品在生產(chǎn)線中且移動經(jīng)過該源和檢測器。
9.權(quán)利要求2的裝置，還包括相對于該第二檢測器固定的第二源，其中，該第一源和檢測器成對操作，以及該第二源和檢測器成對操作。
10.權(quán)利要求9的裝置，還包括該樣品，其中該樣品需要結(jié)構(gòu)監(jiān)測，且該裝置適于監(jiān)測所述結(jié)構(gòu)。
11.權(quán)利要求10的裝置，其中該樣品在生產(chǎn)線中且移動經(jīng)過所述源和檢測器。
12.一種X射線衍射方法，用于在原位狀態(tài)測量材料的樣品的已知特性，包括使用X射線源發(fā)射大體上發(fā)散的X射線輻射；使用準(zhǔn)直光學(xué)元件，通過接收該發(fā)散X射線輻射并使該發(fā)散X射線輻射的發(fā)散路徑改為朝向該樣品，以產(chǎn)生大體上平行的X射線輻射束；以及使用第一X射線檢測器收集從該樣品衍射的輻射；其中，根據(jù)有關(guān)該樣品的該已知特性的先驗(yàn)知識，該源和檢測器在其操作期間彼此相對地、且在相對于該樣品的至少一個尺度中被固定在適當(dāng)位置。
13.權(quán)利要求12的方法，還包括用第二X射線檢測器收集從該樣品衍射的輻射，該第二X射線檢測器是根據(jù)有關(guān)該樣品的已知特性的所述先驗(yàn)知識、相對于該第一X射線檢測器來固定的。
14.權(quán)利要求13的方法，還包括使用至少一個角濾光器，該角濾光器被固定在該第一和/或第二X射線檢測器上，用于限制由相應(yīng)的檢測器收集該衍射的輻射的角度。
15.權(quán)利要求13的方法，其中，該第一X射線檢測器被固定在適當(dāng)位置，從而測量根據(jù)該先驗(yàn)知識確定的衍射峰。
16.權(quán)利要求15的方法，其中，該第二X射線檢測器被固定在適當(dāng)位置，從而測量出根據(jù)該先驗(yàn)知識確定的衍射峰。
17.權(quán)利要求16的方法，其中，該第二X射線檢測器被固定在適當(dāng)位置，從而大體上測量離開該衍射峰處的噪聲。
18.權(quán)利要求13的方法，其中，該樣品需要相監(jiān)測，且該方法還包括監(jiān)測所述相。
19.權(quán)利要求18的方法，還包括移動生產(chǎn)線中的該樣品經(jīng)過所述源和檢測器。
20.權(quán)利要求13的方法，還包括使用第二源發(fā)射大體上發(fā)散的X射線輻射，該第二源相對于該第二檢測器固定，其中該第一源和檢測器成對操作，以及該第二源和檢測器成對操作。
21.權(quán)利要求20的方法，其中該樣品需要結(jié)構(gòu)監(jiān)測，且該方法還包括監(jiān)測所述結(jié)構(gòu)。
22.權(quán)利要求21的方法，還包括移動生產(chǎn)線中的該樣品經(jīng)過所述源和檢測器。
全文摘要
一種X射線衍射技術(shù)，用于在原位狀態(tài)測量材料樣品的已知特性。該技術(shù)包括使用一種用以發(fā)射大體上發(fā)散的X射線輻射的X射線源，其具有相對于固定源設(shè)置的準(zhǔn)直光學(xué)元件，以通過接收該發(fā)散X射線輻射和改向該發(fā)散X射線輻射的發(fā)散路徑，產(chǎn)生大體上平行的X射線輻射束。第一X射線檢測器收集自該樣品衍射的輻射；其中根據(jù)有關(guān)該樣品的已知特性的先驗(yàn)知識，該源和檢測器在其運(yùn)行期間彼此相對地、且在該樣品的至少一個尺度中被固定。根據(jù)有關(guān)該樣品已知特性的先驗(yàn)知識，特別是在本發(fā)明的相監(jiān)測實(shí)施例中，可相對于該第一X射線檢測器固定第二X射線檢測器。
文檔編號G01N23/207GK1864062SQ200480028984
公開日2006年11月15日 申請日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月4日
發(fā)明者戴維·M·吉布森, 沃爾特·M·吉布森, 黃華鵬 申請人:X射線光學(xué)系統(tǒng)公司