Устройство для определения толщины покрытий рентгенофлуоресцентным методом

 

Устройство для определения толщины покрытий рентгенофлуоресцентным методом используется в электронной, часовой, ювелирной промышленности и в машиностроении и относится к области бесконтактных методов определения толщины покрытий с помощью рентгеновского или гамма-излучений. Устройство состоит из прострельной рентгеновской трубки 1 с магнитным фокусирующим устройством 2, зеркала с круглым отверстием в центре 3 для прохождения излучения, коллиматора 4, детектора,, барабана с фильтрами, защитного экрана, телекамеры с оптической системой 8. Коллиматор 4 располагается на минимально допустимом расстоянии от поверхности измеряемого образца 9, установленного на предметном столе 10, освещаемого через световоды 11, закрепленные в шарнирных опорах 12. Под коллиматором 4 располагается вблизи от него алюминиевый стержень 13, вращающийся с помощью электромотора с приводом. Наблюдаемое на мониторе телекамеры изображение образца во время измерения совмещено с изображением световой графической информации ЭВМ. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к бесконтактным методам определения толщины покрытий с помощью рентгеновского или гамма-излучений и может быть использовано в электронной, часовой, ювелирной промышленности и в машиностроении.

Известны устройства [1 - 4] определения толщины покрытий с помощью рентгенофлуоресцентного метода, состоящие из источника рентгеновского излучения, группы коллиматоров, детектора, микроскопа или телевизионной камеры для наблюдения места измерения образца с помощью зеркала, позволяющего добиться соосности оптической оси микроскопа с продольной геометрической осью рентгеновского пучка в области измерения. Образец, толщина покрытий которого измеряется, устанавливается на предметный стол, перемещающийся по трем координатам. В устройстве [1 и 2], где используется микроскоп или телекамера с монитором, образец освещается источником видимого света.

Недостатком указанного устройства является то, что детектор при регистрации флуоресцентного излучения регистрирует также многократно рассеянное (фоновое) излучение, идущее от элементов конструкции, что влияет на точность измерения. Детектор рентгеновского излучения имеет конечную разрешающую способность и плохо разделяет флуоресцентное излучение близко-излучающих элементов.

Для решения этой задачи используются специальные фильтры, устанавливаемые перед детектором. Материал фильтров выбирается так, что фильтр поглощает излучение выше скачка поглощения материала фильтра и слабо поглощает излучение ниже скачка поглощения. Таким образом, регистрируется сначала один из близко стоящих элементов, а потом (после смены фильтра) другой.

В известном устройстве [1 и 2] предусмотрено использование фильтров, но смена их не происходит автоматически. Кроме того, в известном устройстве в качестве источника рентгеновских лучей используется обычная рентгеновская трубка, что требует достаточно сложных диафрагменных устройств для формирования узкого пучка рентгеновских лучей.

Предлагаемое устройство позволяет исключить указанные недостатки.

Это достигается тем, что для уменьшения попадания многократно рассеянного излучения на детектор в области регистрации флуоресцентного излучения установлен защитный экран, а между облучаемым образцом и детектором рентгеновских лучей размещен барабан с фильтрами, установленный с возможностью поворота и автоматической смены фильтров при вращении барабана. Кроме того, в предлагаемом устройстве для получения пучка рентгеновских лучей использована прострельная рентгеновская трубка с магнитной фокусировкой электронного пучка, что позволяет уже на первом этапе получить достаточно узкий пучок рентгеновского излучения и позволяет добиться также высокой удельной интенсивности рентгеновского излучения (рентгеновского пучка). В дальнейшем, как и в известном устройстве [1 и 2], предусмотрена вторичная коллимация, но более простым способом.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из прострельной рентгеновской трубки 1 с магнитным фокусирующим устройством 2, зеркала с круглым сквозным отверстием в центре 3, установленного на металлической призме, отверстие в которой совпадает с отверстием в зеркале. Призма с зеркалом является первичным коллиматором излучения. Зеркальное покрытие нанесено на внешнюю поверхность зеркала. Далее следует коллиматор 4, детектор 5 с измерительным устройством, барабан с фильтрами 6, защитные экраны 7, телевизионная камера с оптической системой 8 и монитором. Измерительное устройство, монитор, блок питания рентгеновской трубки не показаны на чертеже. Коллиматор 4 расположен на минимально допустимом расстоянии (4 - 5 мм) от поверхности измеряемого образца 9, установленного на предметном столе 10. Рентгеновские лучи от трубки 1 проходят через отверстие в зеркале 3 и попадают на коллиматор 4, изготовленный из материала, поглощающего рентгеновские лучи и прозрачного для видимого света. В качестве материала для коллиматора 4 выбрано свинцовое оптическое стекло достаточно большой толщины. Отверстия в коллиматоре пробиты пучком лазера. Затем отверстиям придают такую форму и обрабатывают таким образом, что его внутренняя поверхность отражает рентгеновские лучи определенной длины волны. Этим самым обеспечивается дополнительная фокусировка рентгеновского пучка в место измерения. Соотношение диаметров отверстий в коллиматоре на входе и на выходе рентгеновских лучей равно 2:1, при этом за счет дополнительной фокусировки достигается выигрыш в интенсивности рентгеновского пучка на 20%.

Между облучаемым образцом и детектором рентгеновских лучей размещен барабан с фильтрами, установленный с возможностью поворота и автоматической смены фильтров при вращении барабана. Количество фильтров варьирует в диапазоне 4 - 12. Возбужденное флуоресцентное излучение материалов покрытий через фильтр 6 попадает на детектор и регистрируется измерительным устройством.

В области регистрации флуоресцентного излучения (между детектором и облучаемым образцом) установлен защитный экран для поглощения рассеянного излучения. Экран изготовлен из химически чистого кадмия или другого материала в зависимости от энергии регистрируемого флуоресцентного излучения. Экран позволяет свести к минимуму попадание на детектор многократно рассеянного рентгеновского (фонового) излучения. Тем самым достигается повышение точности измерения.

Телевизионная камера 8 расположена так, что ее оптическая ось совпадает с продольной геометрической осью рентгеновского пучка. Телевизионная камера с помощью зеркала 3 с отверстием для прохождения пучка рентгеновских лучей смотрит на образец через отверстие коллиматора, через которое пучок рентгеновских лучей фокусируется на поверхность измеряемого образца. Таким образом оптическая ось телекамеры и продольная геометрическая ось рентгеновского пучка практически соосны и направлены перпендикулярно поверхности образца. Для того, чтобы на фокусируемое телекамерой точное место измерения толщины покрытий не накладывалось изображение отверстия в зеркале, зеркальная поверхность располагается под углом 41^o50' к продольной геометрической оси рентгеновского пучка и под углом 42^o10' к оптической оси телекамеры. Использование в телекамере оптического тракта с малой глубиной резкости позволяет повысить точность установки измеряемого объекта по оси Z (по вертикали), т. е. точно устанавливать расстояние от трубки до измеряемого объекта. Источником освещения в области установки и измерения образца являются два световода 11, закрепленные в шарнирных опорах 12, позволяющих отрегулировать уровень освещенности измеряемого участка поверхности, исключить появление бликов и теней.

Под коллиматором 4 как можно ближе к нему расположен алюминиевый стержень 13, вращающийся с помощью электромотора с приводом. Стержень вращается перпендикулярно пучку рентгеновских лучей, падающих на измеряемый образец, и служит предохраняющим средством от наезда образца на стеклянный коллиматор при передвижении предметного стола вдоль оси Z. В качестве стержня может быть использована обычная вязальная спица. Положение вращающегося стержня, плоскость вращения которого пересекает оптическую ось оптронной пары, контролируется таким образом, что он останавливается в положении, не мешающем проводимым измерениям.

Предметный стол 10 установлен с возможностью передвижения (в направлениях X, Y и Z) с помощью ходовых винтов с малым шагом, на которых установлены диски с прорезями, перпендикулярно которым установлены оптронные пары светодиод и фотодиод, фиксирующие координаты предметного стола (с точностью 25 мкм).

Для удобства работы оператора на одном и том же экране монитора предусмотрено совмещение изображений образца с изображением текстовой и графической информации с ЭВМ. При этом предусмотрено построение с помощью ЭВМ карты рельефа поверхности покрытия по выборке координат фиксированных точек, в которых измерены толщины покрытий на образце.

Предлагаемое устройство реализовано в приборе "Толщиномер РТФ-3". Изготовлено несколько обратных образцов. Анализируемые покрытия - золото, серебро, никель, медь, олово, платина, палладий и др. металлические покрытия, неметаллы (лакокрасочные покрытия, полимерные покрытия и др.). Минимальная площадь поверхности образца, с которой получается информация о толщине покрытия, составляет 0,1 мм². Диапазон измеряемых толщин в мкм 0,01-100 в зависимости от материала покрытия. Погрешность измерения 0,05 - 5%. Ход координатного стола в мм по горизонтали - 100, по вертикали - 50. Точность определения позиции образца - 25 мкм. Среднее время одного измерения - 10 с.

Предлагаемое устройство позволяет производить измерения толщины покрытий на плоских и выпуклых поверхностях изделий, например на корпусах для интегральных схем, иглах, микроинструментах медицинского и другого назначения, разнообразных изделиях, габариты которых позволяют их установку на измерительном столе.

Источники информации.

1. Fisher H., патент N 4597093 (США), 24.06.1986, кл. 378-50.

2. Fisher H., патент N 4799246 (США), 17.01.1989.

3. Latter T., патент N 4648107 (США), 06.03.1987.

4. Spongz I.I. Sawyer B.E., патент N 4962518 (США), 09.10.1990.

Формула изобретения

1. Устройство для определения толщины покрытий рентгенофлуоресцентным методом, содержащее источник рентгеновского излучения в виде рентгеновской трубки, зеркало с отверстием для прохождения пучка рентгеновских лучей, коллиматор, прозрачный для видимого света и расположенный на минимально допустимом расстоянии от поверхности измеряемого образца, детектор рентгеновских лучей, предметный стол для установки измеряемого образца и телекамеру с оптической системой, отличающееся тем, что в него введены размещенный между облучаемым образцом и детектором рентгеновских лучей барабан с фильтрами, установленный с возможностью поворота и автоматической смены фильтров при вращении барабана, защитный экран, установленный в области регистрации флуоресцентного излучения для поглощения рассеянного излучения, диски с прорезями, ходовые винты и оптронные пары светодиод - фотодиод, причем коллиматор имеет отверстие с соотношением диаметров на входе и выходе рентгеновского излучения два к одному, предметный стол установлен с возможностью передвижения с помощью ходовых винтов, на которых установлены диски с прорезями, перпендикулярно которым установлены оптронные пары светодиод - фотодиод, фиксирующие координаты предметного стола.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что защитный экран изготавливается из кадмия.

РИСУНКИ

Рисунок 1