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        雙晶衍射儀工作原理及常見(jiàn)故障

        2013-08-08 10:23:18方鋼
        電子工業(yè)專用設(shè)備 2013年9期
        關(guān)鍵詞:X射線電路樣品

        方鋼

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,石家莊 050051)

        雙晶衍射儀是利用X射線衍射原理來(lái)分析、測(cè)試被測(cè)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu),利用該儀器可以獲得外延層的晶體數(shù)據(jù)、外延層的成分、質(zhì)量以及與襯底間界面的狀況,晶體的彎曲狀態(tài)等數(shù)據(jù)或信息,X射線測(cè)量完全非破壞性使得X射線衍射方法成為必要的和不可替代的手段,廣泛應(yīng)用于冶金、化工、石油、科研、微電子、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域[1]。

        1912年德國(guó)科學(xué)家勞厄(M.Vonlaue)提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見(jiàn):晶體可以做為X射線的空間衍射光柵,即當(dāng)一束X射線通過(guò)晶體時(shí)將發(fā)生衍射,衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向加強(qiáng),在其他方向減弱,通過(guò)分析在照相底片上得到的衍射圖樣,便可確定晶體結(jié)構(gòu)。1913年英國(guó)物理學(xué)家布喇格父子(W.H.Bargg W.L.Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等晶體結(jié)構(gòu),還提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名定律——布喇格定律[2]。

        Bede QC200雙晶衍射儀是典型的集光機(jī)電一體化的設(shè)備。穩(wěn)定可靠的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是保證工藝質(zhì)量的關(guān)鍵。由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)不斷加強(qiáng),現(xiàn)有的儀器設(shè)備廠家大都不提供設(shè)備維修資料,因此對(duì)設(shè)備的原理深入了解尤為重要。

        1 Bede QC200雙晶衍射儀原理

        1.1 雙晶衍射原理

        X射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波,能穿透一定厚度的物質(zhì),并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離[3]。電子束轟擊金屬“靶”時(shí)產(chǎn)生的X射線中包含與靶中各種元素對(duì)應(yīng)的具有特定波長(zhǎng)的X射線稱為特征X射線。布喇格定律:2dsinθ=nλ,其中λ為X射線的波長(zhǎng),n為任何正整數(shù)。當(dāng)X射線以標(biāo)角θ(X射線的余角)入射到某一點(diǎn)陣平面,間距為d的原子面上,在符合上式條件下,將在衍射方向上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線,布喇格定律簡(jiǎn)潔直觀地表達(dá)了衍射所必須滿足的條件,當(dāng)X射線波長(zhǎng)λ已知時(shí)(選用固定波長(zhǎng)的特征X射線)采用細(xì)粉末或細(xì)顆粒多晶體的線狀樣品,可以從一堆任意取向的晶體中,從每一個(gè)θ角符合布喇格條件的反射面得到反射。測(cè)出θ后利用布喇格公式即可確定點(diǎn)陣平面的間距、晶胞的大小和類型,把握衍射線的強(qiáng)度,還可進(jìn)一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。這便是X射線結(jié)構(gòu)分析中的粉末法或德拜衍射(Debge-scherrer)法的理論基礎(chǔ),而在測(cè)定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不動(dòng)(即θ不變)以輻射來(lái)的波長(zhǎng)作為變量來(lái)保證晶體中的一切晶面都滿足布喇格條件,選用連續(xù)X射線束,如果利用結(jié)構(gòu)已知的晶體,則在測(cè)定出衍射線的方向后便可計(jì)算X射線的波長(zhǎng),從而判定產(chǎn)生特征 X 射線的元素[4,5]。

        1.2 Bede QC200雙晶衍射儀原理

        雙晶衍射儀是具有高精度和高分辨率的X射線衍射及測(cè)量裝置。圖1是Bede QC200雙晶衍射儀基本原理方框圖。雙晶衍射儀主要包括高穩(wěn)定的X射線源,精密測(cè)角儀,X射線強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng),安裝有專用軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等四大部分。其中X射線源提供測(cè)量所需的X射線,改變X射線管陽(yáng)極靶材質(zhì)可改變X射線的波長(zhǎng),調(diào)節(jié)陽(yáng)極電壓可控制X射線源的強(qiáng)度。精密測(cè)角儀采用步進(jìn)電機(jī)掃描,采集數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)。X射線強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)用來(lái)探測(cè)X射線,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制完成整機(jī)工作的協(xié)調(diào),采集數(shù)據(jù),加入補(bǔ)償校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)顯示。

        圖1 Bede QC200雙晶衍射儀基本原理方框圖

        2 Bede QC200雙晶衍射儀維修

        2.1 常見(jiàn)故障信息及診斷信息

        雙晶衍射儀是光機(jī)電一體化的精密半導(dǎo)體設(shè)備,內(nèi)部比較復(fù)雜,各部分之間動(dòng)作和指示相關(guān),因此維修前必須對(duì)儀器的工作原理有一個(gè)全面的了解,遇到故障后要觀察故障現(xiàn)象,分析故障原因,尋找故障位置,確定解決方案。表1是根據(jù)維修經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出Bede QC200雙晶衍射儀常見(jiàn)故障信息及診斷信息。

        2.2 維修實(shí)例

        在充分了解儀器設(shè)備的原理框圖及信號(hào)流程圖的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)X射線工作電路、指示燈、伺服電路和樣品支架移動(dòng)出現(xiàn)的異常,分為兩類故障進(jìn)行分析。

        2.2.1 指示燈提示類故障

        (1)設(shè)備無(wú)法啟動(dòng)工作,保護(hù)燈顯示常亮。QC200雙晶衍射儀工作時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的X射線,如果防護(hù)不當(dāng),將對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重傷害。為防止儀器對(duì)使用人員造成傷害,QC200設(shè)置有完善的保護(hù)電路,對(duì)設(shè)備和人員進(jìn)行雙重保護(hù)。正常工作時(shí)啟動(dòng)X射線發(fā)生器,會(huì)首先檢測(cè)測(cè)試門、快門、燈塔指示燈、X射線光路及安裝限位裝置的狀態(tài),以上各部件若有不正常之處,則進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。根據(jù)故障現(xiàn)象,首先對(duì)儀器指示燈塔進(jìn)行檢查,儀器指示燈塔的燈全部串聯(lián)在保護(hù)電路中,如果燈泡接觸不良,保護(hù)電路就會(huì)啟動(dòng),影響儀器的正常工作。該設(shè)備已經(jīng)使用多年,燈塔的燈泡觸點(diǎn)嚴(yán)重氧化。首先對(duì)燈泡的觸點(diǎn)、燈座接點(diǎn)仔細(xì)認(rèn)真的處理,排除燈塔接觸不良的隱患;接著順著檢測(cè)這些狀態(tài)的的信號(hào)通路往上查找,發(fā)現(xiàn)控制板上和門相連的繼電器狀態(tài)異常,發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)氧化比較嚴(yán)重,處理后故障依舊;再仔細(xì)檢查繼電器周圍的電路,發(fā)現(xiàn)繼電器由于拆卸過(guò)程中導(dǎo)致雙面覆銅板過(guò)孔開路,用導(dǎo)線連通后,故障排除。所以維修要求一要熟悉工作原理,不人為擴(kuò)大故障,檢查順序要正確,二要細(xì)心認(rèn)真,修理過(guò)程中處理要得當(dāng),避免擴(kuò)大故障。

        表1 常見(jiàn)故障信息及診斷信息

        (2)主機(jī)工作一段時(shí)間后儀器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。指示燈報(bào)警,關(guān)機(jī)重啟后又能正常工作。首先分析主機(jī)能正常工作一段時(shí)間,這說(shuō)明儀器所屬電路及所屬外圍部件正常,著重檢查電源和相關(guān)的板卡,經(jīng)測(cè)量和檢查電源工作正常。接著檢查聚焦控制板發(fā)現(xiàn)聚集控制板有發(fā)黃和烤焦的痕跡。仔細(xì)檢測(cè)所有元器件均正常,分析估計(jì)是電流太大引起元器件過(guò)熱,參數(shù)漂移而引發(fā)保護(hù)電路啟動(dòng),屬于設(shè)備熱設(shè)計(jì)不太合理,散熱片較小,散熱通道不暢,對(duì)此進(jìn)行改造,在散熱片上加裝風(fēng)扇,加強(qiáng)散熱通風(fēng)以降低溫度,故障徹底排除。

        (3)X射線主控制機(jī)箱顯示屏不亮。主控機(jī)箱里有兩組開關(guān)電源,一組給高壓控制伺服電路供電,一組給工控機(jī)供電。首先對(duì)工控機(jī)電源進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)其提供基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)壓二極管擊穿造成無(wú)法工作,更換后主機(jī)顯示屏亮。仍處于保護(hù)狀態(tài),檢查給快門供電的電源無(wú)電壓,發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)靠近電源管散熱片的電容失效,因靠近散熱片,高溫導(dǎo)致電容失效。該電容為PWM脈沖形成電容,它的失效使開關(guān)電源無(wú)法起振工作,更換電容后電源恢復(fù)正常。

        2.2.2 樣品支架軸向存在移動(dòng)異常

        (1)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)不到位。QC200為光機(jī)電一體化的半導(dǎo)體設(shè)備。測(cè)試時(shí)樣品固定在支架上,通過(guò)工控機(jī)控制5個(gè)步進(jìn)電機(jī)對(duì)5個(gè)方向的自由度進(jìn)行調(diào)整,使X射線精確投射到樣品上(如圖2),探測(cè)器得到X射線的衍射信息,從而獲得樣品的半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)信息。檢查發(fā)現(xiàn)樣品支架Y軸方向位移因步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)力,致使該方向調(diào)整有死區(qū),造成無(wú)法工作。一般引起電機(jī)無(wú)力的原因有:步進(jìn)電機(jī)本身故障,如線圈有匝間短路;驅(qū)動(dòng)電路故障。經(jīng)檢查步進(jìn)電機(jī)無(wú)掃膛、軸承轉(zhuǎn)動(dòng)正常。模擬工作條件加電,工作正常。故障應(yīng)在驅(qū)動(dòng)電路,檢查驅(qū)動(dòng)板,發(fā)現(xiàn)標(biāo)號(hào)為Q543、Q544的驅(qū)動(dòng)三極管CE極間擊穿,更換后故障排除。

        (2)樣品支架五軸同時(shí)漂移隨開機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)且漂移越快。檢查各組工作電壓均正常,關(guān)閉控制軟件后,樣品支架仍有漂移,說(shuō)明故障不在控制部分。是有雜波信號(hào)傳輸至電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,造成誤動(dòng)作。斷開數(shù)據(jù)接口板,漂移停止,驗(yàn)證其判斷。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)可編程接口電路M82C55A的16、17管腳對(duì)地直流阻值異常,替換后故障排除。

        圖2 QC200雙晶衍射儀內(nèi)部的X射線源及測(cè)角儀組件

        3 結(jié)束語(yǔ)

        隨著科技水平的提高,各類精密的設(shè)備越來(lái)越多,設(shè)備涉及到的學(xué)科技術(shù)也越來(lái)越多。雙晶衍射儀內(nèi)就包括機(jī)械、光學(xué)、電學(xué)、計(jì)算機(jī)控制等許多領(lǐng)域,而且由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)不斷加強(qiáng),現(xiàn)有的儀器設(shè)備廠家大都不提供設(shè)備維修資料,因此維修人員在維修前必須對(duì)設(shè)備的工作原理及系統(tǒng)全面的了解。遇到故障后,要思路清晰,通過(guò)表面的現(xiàn)象,分析產(chǎn)生故障的幾種因素,逐一排查,準(zhǔn)確找到故障的位置,確定解決方案,排除故障。因精密設(shè)備的量少,在維修過(guò)程中注意設(shè)備存在本身設(shè)計(jì)不合理的情況。根據(jù)實(shí)際情況更改為合理、實(shí)用的電路。

        [1] 王浩,廖???X射線雙晶衍射技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].大學(xué)物理,2001,20(7):30-33.

        [2] 許順生,馮端.X射線貌相學(xué)科學(xué)出版社[M].北京:科學(xué)出版社,1987.158-173.

        [3] 郭靈虹.X射線在冶金和材料科學(xué)中的應(yīng)用[J].四川有色金屬,1994(4):19-22.

        [4] 胡林彥,張慶軍.X射線衍射分析的實(shí)驗(yàn)方法及其應(yīng)用[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào),2004.26(3):83-85.

        [5] 楊新萍.X射線衍射技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].山西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007.21(3):33-76.

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