双晶衍射仪工作原理及常见故障

方钢

(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051)

双晶衍射仪是利用X射线衍射原理来分析、测试被测物质的晶体结构，利用该仪器可以获得外延层的晶体数据、外延层的成分、质量以及与衬底间界面的状况，晶体的弯曲状态等数据或信息，X射线测量完全非破坏性使得X射线衍射方法成为必要的和不可替代的手段，广泛应用于冶金、化工、石油、科研、微电子、材料生产等领域[1]。

1912年德国科学家劳厄（M.Vonlaue）提出一个重要的科学预见：晶体可以做为X射线的空间衍射光栅，即当一束X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向加强，在其他方向减弱，通过分析在照相底片上得到的衍射图样，便可确定晶体结构。1913年英国物理学家布喇格父子（W.H.Bargg W.L.Bragg）在劳厄发现的基础上不仅成功地测定了NaCl、KCl等晶体结构，还提出了作为晶体衍射基础的著名定律——布喇格定律[2]。

Bede QC200双晶衍射仪是典型的集光机电一体化的设备。稳定可靠的设备运行状态是保证工艺质量的关键。由于知识产权意识不断加强，现有的仪器设备厂家大都不提供设备维修资料，因此对设备的原理深入了解尤为重要。

1 Bede QC200双晶衍射仪原理

1.1 双晶衍射原理

X射线是一种波长很短的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离[3]。电子束轰击金属“靶”时产生的X射线中包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线称为特征X射线。布喇格定律：2dsinθ=nλ，其中λ为X射线的波长，n为任何正整数。当X射线以标角θ(X射线的余角)入射到某一点阵平面，间距为d的原子面上，在符合上式条件下，将在衍射方向上得到因叠加而加强的衍射线，布喇格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件，当X射线波长λ已知时（选用固定波长的特征X射线）采用细粉末或细颗粒多晶体的线状样品，可以从一堆任意取向的晶体中，从每一个θ角符合布喇格条件的反射面得到反射。测出θ后利用布喇格公式即可确定点阵平面的间距、晶胞的大小和类型，把握衍射线的强度，还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜衍射（Debge-scherrer）法的理论基础，而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不动（即θ不变）以辐射来的波长作为变量来保证晶体中的一切晶面都满足布喇格条件，选用连续X射线束，如果利用结构已知的晶体，则在测定出衍射线的方向后便可计算X射线的波长，从而判定产生特征 X 射线的元素[4，5]。

1.2 Bede QC200双晶衍射仪原理

双晶衍射仪是具有高精度和高分辨率的X射线衍射及测量装置。图1是Bede QC200双晶衍射仪基本原理方框图。双晶衍射仪主要包括高稳定的X射线源，精密测角仪，X射线强度测量系统，安装有专用软件的计算机系统等四大部分。其中X射线源提供测量所需的X射线，改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长，调节阳极电压可控制X射线源的强度。精密测角仪采用步进电机扫描，采集数据并保存数据。X射线强度测量系统用来探测X射线，计算机系统控制完成整机工作的协调，采集数据，加入补偿校准数据进行数据处理及数据显示。

图1 Bede QC200双晶衍射仪基本原理方框图

2 Bede QC200双晶衍射仪维修

2.1 常见故障信息及诊断信息

双晶衍射仪是光机电一体化的精密半导体设备，内部比较复杂，各部分之间动作和指示相关，因此维修前必须对仪器的工作原理有一个全面的了解，遇到故障后要观察故障现象，分析故障原因，寻找故障位置，确定解决方案。表1是根据维修经验，总结出Bede QC200双晶衍射仪常见故障信息及诊断信息。

2.2 维修实例

在充分了解仪器设备的原理框图及信号流程图的基础上，通过对X射线工作电路、指示灯、伺服电路和样品支架移动出现的异常，分为两类故障进行分析。

2.2.1 指示灯提示类故障

（1）设备无法启动工作，保护灯显示常亮。QC200双晶衍射仪工作时产生强烈的X射线,如果防护不当，将对人体产生严重伤害。为防止仪器对使用人员造成伤害,QC200设置有完善的保护电路，对设备和人员进行双重保护。正常工作时启动X射线发生器，会首先检测测试门、快门、灯塔指示灯、X射线光路及安装限位装置的状态，以上各部件若有不正常之处，则进入保护状态。根据故障现象，首先对仪器指示灯塔进行检查，仪器指示灯塔的灯全部串联在保护电路中，如果灯泡接触不良，保护电路就会启动，影响仪器的正常工作。该设备已经使用多年，灯塔的灯泡触点严重氧化。首先对灯泡的触点、灯座接点仔细认真的处理，排除灯塔接触不良的隐患；接着顺着检测这些状态的的信号通路往上查找，发现控制板上和门相连的继电器状态异常，发现触点氧化比较严重，处理后故障依旧；再仔细检查继电器周围的电路，发现继电器由于拆卸过程中导致双面覆铜板过孔开路，用导线连通后，故障排除。所以维修要求一要熟悉工作原理，不人为扩大故障，检查顺序要正确，二要细心认真，修理过程中处理要得当，避免扩大故障。

表1 常见故障信息及诊断信息

（2）主机工作一段时间后仪器进入保护状态。指示灯报警，关机重启后又能正常工作。首先分析主机能正常工作一段时间，这说明仪器所属电路及所属外围部件正常，着重检查电源和相关的板卡，经测量和检查电源工作正常。接着检查聚焦控制板发现聚集控制板有发黄和烤焦的痕迹。仔细检测所有元器件均正常，分析估计是电流太大引起元器件过热,参数漂移而引发保护电路启动，属于设备热设计不太合理，散热片较小，散热通道不畅,对此进行改造，在散热片上加装风扇，加强散热通风以降低温度，故障彻底排除。

（3）X射线主控制机箱显示屏不亮。主控机箱里有两组开关电源，一组给高压控制伺服电路供电，一组给工控机供电。首先对工控机电源进行检查，发现其提供基准电压的稳压二极管击穿造成无法工作，更换后主机显示屏亮。仍处于保护状态，检查给快门供电的电源无电压，发现其中一个靠近电源管散热片的电容失效，因靠近散热片，高温导致电容失效。该电容为PWM脉冲形成电容，它的失效使开关电源无法起振工作，更换电容后电源恢复正常。

2.2.2 样品支架轴向存在移动异常

（1）步进电机驱动不到位。QC200为光机电一体化的半导体设备。测试时样品固定在支架上，通过工控机控制5个步进电机对5个方向的自由度进行调整，使X射线精确投射到样品上（如图2），探测器得到X射线的衍射信息，从而获得样品的半导体的结构信息。检查发现样品支架Y轴方向位移因步进电机转动无力，致使该方向调整有死区，造成无法工作。一般引起电机无力的原因有：步进电机本身故障，如线圈有匝间短路；驱动电路故障。经检查步进电机无扫膛、轴承转动正常。模拟工作条件加电，工作正常。故障应在驱动电路，检查驱动板，发现标号为Q543、Q544的驱动三极管CE极间击穿，更换后故障排除。

（2）样品支架五轴同时漂移随开机时间越长且漂移越快。检查各组工作电压均正常，关闭控制软件后，样品支架仍有漂移，说明故障不在控制部分。是有杂波信号传输至电机驱动电路，造成误动作。断开数据接口板，漂移停止，验证其判断。通过检测发现可编程接口电路M82C55A的16、17管脚对地直流阻值异常，替换后故障排除。

图2 QC200双晶衍射仪内部的X射线源及测角仪组件

3 结束语

随着科技水平的提高，各类精密的设备越来越多，设备涉及到的学科技术也越来越多。双晶衍射仪内就包括机械、光学、电学、计算机控制等许多领域，而且由于知识产权意识不断加强，现有的仪器设备厂家大都不提供设备维修资料，因此维修人员在维修前必须对设备的工作原理及系统全面的了解。遇到故障后，要思路清晰，通过表面的现象，分析产生故障的几种因素，逐一排查，准确找到故障的位置，确定解决方案，排除故障。因精密设备的量少，在维修过程中注意设备存在本身设计不合理的情况。根据实际情况更改为合理、实用的电路。

[1] 王浩，廖常俊.X射线双晶衍射技术的发展和应用[J].大学物理，2001，20（7）：30-33.

[2] 许顺生，冯端.X射线貌相学科学出版社[M].北京：科学出版社，1987.158-173.

[3] 郭灵虹.X射线在冶金和材料科学中的应用[J].四川有色金属，1994（4）：19-22.

[4] 胡林彦，张庆军.X射线衍射分析的实验方法及其应用[J].河北理工学院学报，2004.26（3）：83-85.

[5] 杨新萍.X射线衍射技术的发展和应用[J].山西师范大学学报（自然科学版），2007.21（3）：33-76.