雙晶衍射儀工作原理及常見故障

方鋼

(中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051)

雙晶衍射儀是利用X射線衍射原理來分析、測試被測物質的晶體結構，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，廣泛應用于冶金、化工、石油、科研、微電子、材料生產等領域[1]。

1912年德國科學家勞厄（M.Vonlaue）提出一個重要的科學預見：晶體可以做為X射線的空間衍射光柵，即當一束X射線通過晶體時將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結果使射線的強度在某些方向加強，在其他方向減弱，通過分析在照相底片上得到的衍射圖樣，便可確定晶體結構。1913年英國物理學家布喇格父子（W.H.Bargg W.L.Bragg）在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎上不僅成功地測定了NaCl、KCl等晶體結構，還提出了作為晶體衍射基礎的著名定律——布喇格定律[2]。

Bede QC200雙晶衍射儀是典型的集光機電一體化的設備。穩(wěn)定可靠的設備運行狀態(tài)是保證工藝質量的關鍵。由于知識產權意識不斷加強，現(xiàn)有的儀器設備廠家大都不提供設備維修資料，因此對設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射線是一種波長很短的電磁波，能穿透一定厚度的物質，并能使熒光物質發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離[3]。電子束轟擊金屬“靶”時產生的X射線中包含與靶中各種元素對應的具有特定波長的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，n為任何正整數(shù)。當X射線以標角θ(X射線的余角)入射到某一點陣平面，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的衍射線，布喇格定律簡潔直觀地表達了衍射所必須滿足的條件，當X射線波長λ已知時（選用固定波長的特征X射線）采用細粉末或細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θ角符合布喇格條件的反射面得到反射。測出θ后利用布喇格公式即可確定點陣平面的間距、晶胞的大小和類型，把握衍射線的強度，還可進一步確定晶胞內原子的排布。這便是X射線結構分析中的粉末法或德拜衍射（Debge-scherrer）法的理論基礎，而在測定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不動（即θ不變）以輻射來的波長作為變量來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，如果利用結構已知的晶體，則在測定出衍射線的方向后便可計算X射線的波長，從而判定產生特征 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，精密測角儀，X射線強度測量系統(tǒng)，安裝有專用軟件的計算機系統(tǒng)等四大部分。其中X射線源提供測量所需的X射線，改變X射線管陽極靶材質可改變X射線的波長，調節(jié)陽極電壓可控制X射線源的強度。精密測角儀采用步進電機掃描，采集數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)。X射線強度測量系統(tǒng)用來探測X射線，計算機系統(tǒng)控制完成整機工作的協(xié)調，采集數(shù)據(jù)，加入補償校準數(shù)據(jù)進行數(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 常見故障信息及診斷信息

雙晶衍射儀是光機電一體化的精密半導體設備，內部比較復雜，各部分之間動作和指示相關，因此維修前必須對儀器的工作原理有一個全面的了解，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)維修經驗，總結出Bede QC200雙晶衍射儀常見故障信息及診斷信息。

2.2 維修實例

在充分了解儀器設備的原理框圖及信號流程圖的基礎上，通過對X射線工作電路、指示燈、伺服電路和樣品支架移動出現(xiàn)的異常，分為兩類故障進行分析。

2.2.1 指示燈提示類故障

（1）設備無法啟動工作，保護燈顯示常亮。QC200雙晶衍射儀工作時產生強烈的X射線,如果防護不當，將對人體產生嚴重傷害。為防止儀器對使用人員造成傷害,QC200設置有完善的保護電路，對設備和人員進行雙重保護。正常工作時啟動X射線發(fā)生器，會首先檢測測試門、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，則進入保護狀態(tài)。根據(jù)故障現(xiàn)象，首先對儀器指示燈塔進行檢查，儀器指示燈塔的燈全部串聯(lián)在保護電路中，如果燈泡接觸不良，保護電路就會啟動，影響儀器的正常工作。該設備已經使用多年，燈塔的燈泡觸點嚴重氧化。首先對燈泡的觸點、燈座接點仔細認真的處理，排除燈塔接觸不良的隱患；接著順著檢測這些狀態(tài)的的信號通路往上查找，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)觸點氧化比較嚴重，處理后故障依舊；再仔細檢查繼電器周圍的電路，發(fā)現(xiàn)繼電器由于拆卸過程中導致雙面覆銅板過孔開路，用導線連通后，故障排除。所以維修要求一要熟悉工作原理，不人為擴大故障，檢查順序要正確，二要細心認真，修理過程中處理要得當，避免擴大故障。

表1 常見故障信息及診斷信息

（2）主機工作一段時間后儀器進入保護狀態(tài)。指示燈報警，關機重啟后又能正常工作。首先分析主機能正常工作一段時間，這說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的板卡，經測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。仔細檢測所有元器件均正常，分析估計是電流太大引起元器件過熱,參數(shù)漂移而引發(fā)保護電路啟動，屬于設備熱設計不太合理，散熱片較小，散熱通道不暢,對此進行改造，在散熱片上加裝風扇，加強散熱通風以降低溫度，故障徹底排除。

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

2.2.2 樣品支架軸向存在移動異常

（1）步進電機驅動不到位。QC200為光機電一體化的半導體設備。測試時樣品固定在支架上，通過工控機控制5個步進電機對5個方向的自由度進行調整，使X射線精確投射到樣品上（如圖2），探測器得到X射線的衍射信息，從而獲得樣品的半導體的結構信息。檢查發(fā)現(xiàn)樣品支架Y軸方向位移因步進電機轉動無力，致使該方向調整有死區(qū)，造成無法工作。一般引起電機無力的原因有：步進電機本身故障，如線圈有匝間短路；驅動電路故障。經檢查步進電機無掃膛、軸承轉動正常。模擬工作條件加電，工作正常。故障應在驅動電路，檢查驅動板，發(fā)現(xiàn)標號為Q543、Q544的驅動三極管CE極間擊穿，更換后故障排除。

（2）樣品支架五軸同時漂移隨開機時間越長且漂移越快。檢查各組工作電壓均正常，關閉控制軟件后，樣品支架仍有漂移，說明故障不在控制部分。是有雜波信號傳輸至電機驅動電路，造成誤動作。斷開數(shù)據(jù)接口板，漂移停止，驗證其判斷。通過檢測發(fā)現(xiàn)可編程接口電路M82C55A的16、17管腳對地直流阻值異常，替換后故障排除。

圖2 QC200雙晶衍射儀內部的X射線源及測角儀組件

3 結束語

隨著科技水平的提高，各類精密的設備越來越多，設備涉及到的學科技術也越來越多。雙晶衍射儀內就包括機械、光學、電學、計算機控制等許多領域，而且由于知識產權意識不斷加強，現(xiàn)有的儀器設備廠家大都不提供設備維修資料，因此維修人員在維修前必須對設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，通過表面的現(xiàn)象，分析產生故障的幾種因素，逐一排查，準確找到故障的位置，確定解決方案，排除故障。因精密設備的量少，在維修過程中注意設備存在本身設計不合理的情況。根據(jù)實際情況更改為合理、實用的電路。

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

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

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

[4] 胡林彥，張慶軍.X射線衍射分析的實驗方法及其應用[J].河北理工學院學報，2004.26（3）：83-85.

[5] 楊新萍.X射線衍射技術的發(fā)展和應用[J].山西師范大學學報（自然科學版），2007.21（3）：33-76.