x射线应力分析仪基本构造

X射线应力分析仪：核心构造解析

X射线应力分析仪（X-ray Stress Analyzer, XSA）是一种非接触式、高精度的材料应力检测设备，在材料科学、机械工程、航空航天、汽车制造等领域扮演着至关重要的角色。其基本构造是实现应力测量的关键所在，主要由以下几个核心部分构成：

X射线发生与控制单元

这是仪器的“心脏”，负责产生和调节X射线束。

• X射线管 (X-ray Tube): 通常采用密封的旋转阳极或固定阳极X射线管。
  • 阳极靶材: 常用铑 (Rh) 或钼 (Mo)，它们具有合适的X射线衍射特性和较低的吸收系数，以产生特定波长的特征X射线。
  • 加速电压与管电流: 加速电压（例如 30-50 kV）决定了X射线光子的能量，管电流（例如 20-100 mA）则影响X射线的强度。精确的控制对于获得稳定的X射线源至关重要。
  • 焦点尺寸: 焦点尺寸（例如 0.5 mm x 1 mm）直接影响X射线束的准直度和空间分辨率。
  
  
• 高压电源 (High Voltage Power Supply): 为X射线管提供稳定、可调的高压，是X射线强度的关键决定因素。
• 滤波系统 (Filtration System): 使用滤波器（如镍片、铜片）来移除X射线谱中的连续谱（轫致辐射）成分，获得更纯净的特征X射线，减少对衍射图谱的干扰。

X射线准直与扫描系统

该单元负责将X射线聚焦成所需形状的光束，并使其能够精确地扫描样品表面。

• 准直器 (Collimator):
  • 束准直器 (Beam Collimator): 将X射线管发出的X射线束准直成特定直径（通常为 0.1 mm 至 1.0 mm）的光斑，以精确地照射到待测区域。
  • 衍射光束准直器 (Diffraction Beam Collimator): 放置在探测器前，用于进一步筛选出特定衍射角的X射线，提高测量信噪比。
  
  
• 聚焦系统 (Focusing System): 部分高端仪器可能采用聚焦镜（如聚焦毛细管或聚焦光栅）来提高X射线强度，从而缩短测量时间。
• 样品台与扫描轴 (Sample Stage and Scanning Axes):
  • 多轴联动: 通常包括X、Y、Z轴进行平移，以及θ、φ（或ω、χ）轴进行倾斜和旋转。
  • 倾斜角度范围: 典型的倾斜角度范围为 ±45°，甚至 ±60°，这是根据X射线衍射的Bragg定律 ((2d\sin\theta = n\lambda)) 来测量不同晶面间距 ((d)) 从而计算应力的基础。
  
  

X射线探测与数据采集系统

负责接收衍射信号并将其转化为可分析的数据。

• 探测器 (Detector):
  • 闪烁探测器 (Scintillation Detector): 响应速度快，适用于计数率较高的场合。
  • 正比计数器 (Proportional Counter): 性能稳定，价格适中。
  • 半导体探测器 (Semiconductor Detector): 如硅漂移探测器 (SDD)，具有高分辨率和高计数率，能更精确地区分衍射峰。
  
  
• 多道分析器 (Multichannel Analyzer, MCA): 将探测器输出的模拟信号转化为数字信号，并根据能量进行甄别，分离出所需的衍射峰信号。
• 数据采集卡与计算机 (Data Acquisition Card and Computer): 负责收集、存储和初步处理衍射数据。

数据处理与应力计算软件

这是实现从衍射数据到应力结果的“大脑”。

• 衍射峰拟合 (Peak Fitting): 采用高斯、洛伦兹或Voigt函数对衍射峰进行拟合，精确确定衍射峰的位置（2θ角）。
• Bragg角与晶面间距计算: 基于拟合结果，计算出不同倾斜角度下的Bragg角，并根据Bragg定律推算出相应的晶面间距 ((d))。
• 应力张量计算: 通过测量不同倾斜角度下晶面间距的变化，利用应力-晶面间距的关系公式（通常采用sin²ψ法或Isotropic法），计算出材料表面层的主应力（σ₁，σ₂）和切应力（τ），以及应力松弛等信息。
• 材料常数库: 包含各种金属材料的X射线弹性系数（(1+ν)/E），这是计算应力的关键参数。

总结:

X射线应力分析仪的每一部分都紧密协同工作，从X射线的产生、准直到衍射信号的探测、数据的采集与分析，每一个环节的精度都直接影响终的应力测量结果。对这些核心构造的理解，有助于用户更深入地掌握仪器的使用和维护，从而在实际应用中获得更可靠的测量数据。