用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整装置和方法与流程

本发明涉及一种理化检测设备，尤其涉及一种用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整装置和方法。

背景技术：

波长色散型多道X射线荧光光谱仪(以下简称X荧光光谱仪)是现代冶金企业重要的理化检测仪器设备。X荧光光谱仪在进行测量时，是利用从X射线管发射的X射线照射到被测量样品表面，激发出二次X射线(荧光X射线)，每种元素具有特征波长的荧光X射线，经过狭缝被分光晶体色散定向射到元素通道上的检测器，检测器将接收的X射线能量转换为电脉冲信号再经后续电路进行处理，测量出样品中某种元素的X荧光射线强度并经过一系列数学处理转换为该元素的化学含量值。

X荧光光谱仪分光按照“聚焦波束几何法”的方式进行色散，如图1所示，分光晶体的曲率半径即在聚焦(罗兰)圆上有规律地对特征X荧光射线的谱线进行波长色散。分光晶体色散服从布拉格定律，即满足下式：

nλ＝2dsinθ

式中n为衍射级数；λ为荧光X射线波长；θ为分光晶体掠射角；d为晶面间距。对于X荧光光谱仪的某一个元素通道而言，其中n、λ和d等参数是固定不变的，根据布拉格定律，不同元素通道的θ参数也有理论值。在设备进行安装调试和分光晶体老化重新更换后，分光晶体的掠射角θ(空间位置)会与理论值有偏差，必须进行调整以满足上述布拉格定律的约束条件，从而获得测量元素的最佳衍射强度，以保证测量精度。

X荧光光谱仪分光晶体掠射角的调整需要在X射线开启时，用对应通道元素匹配的样品进行连续测量，如果单从调整效果来看，需打开仪器面板在X射线开启的情况下对某个元素通道分光晶体的掠射角进行连续调整，操作调整人员手拿螺丝刀在元素通道分光器处缓慢反复来回拧动调整螺丝来调整晶体角度，直至强度达到最大测量强度值，这期间操作调整人员将受到电离辐射，为了安全起见严禁这种操作方法。现有技术是：实际调整时先盖上X荧光射线光谱仪面板，开启X射线确定某个元素分光器中分光晶体在一定掠射角下的X射线强度，然后关闭X射线打开面板，操作调整人员用螺丝刀在元素通道分光器的调整螺丝以一个方向拧动螺丝一定角度，再盖上面板打开X射线观察此时的X射线强度，并与前一个强度值比较，如果是变大就按此方向继续阶梯调整，反之则反方向阶梯调整。如此循环往复直至找到最大X 射线强度值，在这个过程中每次调整角度都需开启、关闭X射线和盖上、打开面板这些步骤，费时费力、极为繁琐。由于强度信号输出有时间滞后，给观察和记录最大强度带来很大误差，而且手工调整分光晶体对操作调整人员的技术和经验都有很高要求，很多时候靠手感，角度调整量无法准确掌握，要有多年的操作经验方能胜任，即使这样，掠射角调整一次成功率很低，没有定量的最佳X射线强度指标，需要进行多次操作方能完成粗略的调整。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整装置和方法，本发明通过长距离线控操纵柔性安装在X荧光光谱仪元素通道分光器上高精度运行的步进电机，驱动分光晶体调整螺丝按要求转动完成晶体掠射角的精确调整。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整装置，包括支架、步进电机、弹簧、层架、调整螺丝刀、固定螺丝、支头螺丝，所述步进电机输出轴上套有弹簧，输出轴一端插入调整螺丝刀，调整螺丝刀穿过层架上的开孔，支头螺丝从调整螺丝刀的外侧径向拧入指向步进电机输出轴轴键平面，调整螺丝刀头在弹簧作用下能紧贴晶体调整螺丝槽内，形成耦合连接用以调整分光晶体角度；所述调整螺丝刀顶端部为凸台，调整螺丝刀顶端部上端面与弹簧接触，下端面能与层架开孔的上端面接触；

所述步进电机安装于支架顶部，支架为框架式，支架内上部装有层架，支架内下部能套装于固定通道上并经固定螺丝将支架固定于固定通道上，固定通道内装有分光晶体，通过晶体调整螺丝来调整分光晶体掠射角。

所述调整装置还包括定位销，定位销固定于支架内的层架下方，定位销能搁在固定通道上用于定位支架。

所述固定螺丝为蝶形螺丝。

一种用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整方法，其步骤是：

第一，关闭X射线，打开X荧光光谱仪保护面板，将分光晶体调整装置固定安放到需要进行调整的元素固定通道，做好步进电机输出轴、调整螺丝刀和晶体调整螺丝的机械耦合，进行步进电机、电机电缆和电机驱动器之间的电气连接，电机驱动器位于X荧光光谱仪外；

第二，盖上X荧光光谱仪保护面板，开启X射线，用合适的样品进行X射线强度测量观察；

第三，在步进电机运行前通过电机驱动器记录调整起始位置参数，在电机驱动器上输入步进脉冲，通过电机驱动器远距离操控步进电机，按顺时针或逆时针方向调整分光晶体角度 的晶体调整螺丝；

第四，测量读取每步对应的X射线强度值，在网格纸上绘制X射线强度变化曲线，根据强度变化趋势，初步确定X射线最大强度对应的分光晶体位置，记录下X射线最大强度值I_max；

第五，在X射线最大强度值处附近通过顺时针或逆时针方向调整晶体调整螺丝，使出现的X射线强度值＞(I_max7δ)即可，此时对应的分光晶体掠射角即为最佳角度。

所述步进电机每个步进脉冲为1.8°至0.036°。

本发明的用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整装置和方法是在X荧光光谱仪外部线控操作进行分光晶体的掠射角调整，利用步进电机驱动器，通过长距离线控操纵，柔性地安装在X荧光光谱仪元素通道分光器上高精度运行的步进电机，驱动分光晶体调整螺丝按要求转动，完成晶体掠射角的精确调整。由于在X荧光光谱仪外部连续作业保护调试人员免受可能的电离辐射，避免调试中频繁开启、关闭X射线和盖上、打开面板。步进电机驱动器能记忆调整角度位置空间起始点，防止人工调整时因经验欠缺对调整螺丝旋转力度把控不够引起的起始点丢失而反复调整，最大限度地减少调整误差。步进电机可经指令分辨率设置完成每个脉冲1.8°到0.036°的高精度微步进，设定步长脉冲精确控制方法，每步都可以得到实时X射线强度。为了确保调整过程中得到准确合理的X射线强度，从而精确确定分光晶体的掠射角，以定量方式即X射线最大强度值的7δ区间确定为最佳强度，用以确定最佳分光晶体掠射角。

本发明能安全、高效精确地完成X荧光光谱仪固定道分光器中分光晶体的调整，有效地指导X荧光光谱仪分光系统的点检维护作业。

附图说明

图1为X荧光光谱仪固定道分光器色散结构示意图；

图2为本发明用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整方法流程图；

图3为通过掠射角与X射线强度关系获得最佳角度区间示意图；

图4为本发明的固定道X荧光光谱仪分光晶体调整装置调整衍射角度示意图；

图5为本发明的固定道X荧光光谱仪分光晶体调整装置侧视示意图；

图6为本发明的固定道X荧光光谱仪分光晶体调整装置主视示意图；

图7为步进电机与调整螺丝刀连接立体示意图；

图8为步进电机与调整螺丝刀连接示意图。

图中：1步进电机，2弹簧，3层架，4调整螺丝刀，5定位销，6支架，7固定螺丝，8固定通道，9晶体调整螺丝，10支头螺丝，11层架固定螺丝，12电机固定螺丝；17分光晶体，18电缆，19电机驱动器，20分光晶体调整装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图5至图8，一种用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整装置20，包括支架6、步进电机1、弹簧2、层架3、调整螺丝刀4、定位销5、固定螺丝7、支头螺丝10，所述步进电机1输出轴上套有弹簧2，输出轴一端插入调整螺丝刀4，调整螺丝刀4穿过层架3上的开孔，调整螺丝刀4顶端部为凸台，调整螺丝刀4顶端部上端面与弹簧2接触，下端面能与层架3开孔的上端面接触；支头螺丝10从调整螺丝刀4的外侧径向拧入指向步进电机1输出轴轴键平面，接近输出轴轴键平面但不拧紧，当步进电机1输出轴旋转时轴键平面带动支头螺丝10一起转动，并带动调整螺丝刀4同步转动，由于支头螺丝10没有顶紧步进电机1输出轴，在进行分光晶体角度调整时，调整螺丝刀4在弹簧2的压紧下会随着晶体调整螺丝9的旋转，沿着步进电机1输出轴作轴向上下起伏移动，保证整个调整过程中调整螺丝刀4头在弹簧2的压力作用下能紧贴晶体调整螺丝9槽内，形成紧密可靠的耦合连接。

所述步进电机1经电机固定螺丝12安装于支架6顶部，支架6为框架式，由前后两板支架板及上部开孔的顶板组成，支架6内上部经层架固定螺丝11装有层架3，定位销5固定于支架6内的层架3下方，定位销5为四个，分别分布于两边的支架板上，定位销5能搁在固定通道8上用于定位和支撑支架6；支架6内下部能套装于固定通道8上并经固定螺丝7将支架6固定于固定通道8上，固定螺丝7为蝶形螺丝，固定通道8内装有分光晶体，通过晶体调整螺丝9来调整分光晶体掠射角。

一种用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整方法，其步骤是：参见图2至图4，

第一，关闭X射线，打开X荧光光谱仪保护面板，将分光晶体调整装置20固定安放到需要进行调整的元素固定通道8，即固定道分光器，包括：将步进电机1经电机固定螺丝12安装于支架6顶部，将支架6经定位销5定位后安装于固定通道8上，并通过蝶形固定螺丝7固定于固定通道8上；并做好步进电机1输出轴、调整螺丝刀4和晶体调整螺丝9的机械耦合，进行步进电机1、电机电缆18和电机驱动器19之间的电气连接，电机驱动器19位于X荧光光谱仪外；

第二，盖上X荧光光谱仪保护面板，开启X射线，用合适的样品进行X射线强度测量观 察；

第三，在步进电机1运行前通过电机驱动器19记录调整起始位置参数，在电机驱动器19上输入步进脉冲，通过电机驱动器19远距离操控步进电机1，按顺时针或逆时针方向调整分光晶体17角度的晶体调整螺丝9；

第四，测量读取每步对应的X射线强度值，在网格纸上绘制X射线强度变化曲线，根据强度变化趋势，初步确定X射线最大强度对应的分光晶体位置，记录下X射线最大强度值I_max；

第五，在X射线最大强度值处附近通过顺时针或逆时针方向调整晶体调整螺丝9，使出现的X射线强度值＞(I_max7δ)即可，此时对应的分光晶体掠射角即为最佳角度。

所述步进电机每个步进脉冲为1.8°至0.036°。

本发明用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整方法：包括了步进电机的安放、机械耦合、样品测量、调整起始位置参数确定、分光晶体调整确定X射线最大强度值、定量强度X射线强度区间值和确定分光晶体最佳掠射角等步骤。

本发明用于波长色散型固定道X荧光光谱仪分光晶体调整方法的特点是：

由于采用远距离线控操作微型步进电机以驱动分光晶体掠射角调整螺丝，X荧光光谱仪的面板不用频繁打开、盖上，调整过程中其一直处于盖上状态保护操作作业人员免受电离辐射的危害，调整作业的工作强度大幅下降；X射线也不用反复开启、关闭，保护了X射线发射器和X射线管可能受到的负荷冲击，延长了X射线发射器和X射线管的使用寿命。

采用高精度的步进电机可根据实际需要分别进行每个脉冲1.8°至0.036°的高精度微步进，驱动分光晶体调整螺丝按技术要求达到精确掠射角调整，每一步步进调整都能得到实时对应的X射线强度值，如果电机驱动器以高分辨率指令输出控制步进电机，则X射线强度可认为近似真实的连续变化量，无需计算机或PLC软件编程就可实现，与手工调整分光晶体掠射角相比误差减少，更容易达到可信的X射线强度值，从而得到最佳的分光晶体掠射角；由于该步进电机可进行最高0.036°的微步进，步进精度高、重现性好，不用通过复杂的减速齿轮机构驱动调整螺丝，实现直接耦合连接。

步进电机的驱动控制器具有起始点位置记忆复位功能，可以在分光晶体掠射角调整X射线强度变化趋势方向发生错误、调整失败时，通过起点复归功能快速找到调整开始时的起始点位置重新进行反方向调整，避免人工调整时由于无法准确记住起始位置，造成重新调整X射线最大强度位置的丢失，引起分光晶体掠射角调整的误差。

步进电机输出旋转轴驱动调整螺丝刀头能自动跟随晶体调整螺丝旋转升降，保证整个调 整过程中调整螺丝刀头在弹簧的压力作用下能紧贴晶体调整螺丝槽内，形成紧密的耦合连接，不会出现调整螺丝刀头空转、打滑而引起步进电机无效行进，产生X射线强度值读取误差。

由于连续调整分光晶体掠射角确定最大X射线强度过程中，只有过了最大强度处继续调整，X射线强度出现下降明显趋势时，才可在过去的调整位置判断曾经出现最大的X射线强度值，调整过程中利用网格纸记录步进电机每步行进所对应的X射线强度得到关系曲线。由于X射线强度是动态变化量，某一处掠射角的X射线强度值无法重复测量得到完全一致的值，运用X射线最大强度值的-7δ区间确定为最佳强度，即在曾经出现最大X射线强度值附近角度位置顺时针或逆时针调整，只要出现X射线强值在“最大强度值7δ”区间以上，它所对应的掠射角位置就是最佳空间位置，参见图3。其中：7δ＝(100-2.56×10^-10)％≈0.999999934464。

实施例：在X荧光光谱仪分光器分光晶体调整时，使用了KEYENCE公司(基恩士)QS系列混合型步进电机组件(包括QS-M28微步进电机、QS-10N电机驱动器和QS-C5G软性电缆等)对日本岛津公司MXF系列X荧光光谱仪固定道分光器分光晶体进行掠射角调整，其结果能满足X荧光光谱仪的分析检测要求。

本发明的X荧光光谱仪分光晶体调整方法的主要技术参数包括：

(1)步进电机最高指令分辨率

(2)每个脉冲1.8°到0.036°的高精度微步进；

(3)不小于5m的远距离线控软性电缆；

(4)X射线强值＞“I_max7δ”，所对应的掠射角θ位置；

(5)1:1电机连接耦合驱动。

以硅Si和锰Mn元素固定道分光器中分光晶体更换后，晶体掠射角调整前后的X荧光光谱仪测量效果对比(见表1)，以英国标样局可锻造铁标样BAS 655/3在MXF-2400X荧光光谱仪上连续10次测量X射线强度值为例(X射线管电压40KV,管电流60mA，积分时间40秒)：

表1：X荧光光谱仪强度数据对比表(单位：kcps)

本发明用于波长色散固定道X荧光光谱仪分光晶体调整装置和方法满足了X荧光光谱仪分光器中分光晶体空间几何位置偏移后，按照布拉格定律约束条件对分光晶体掠射角θ进行调整，在保证设备的完整性不进行解体的情况下，不改变电子光学、电气电路和机械部分的结构组成，安全高效、高精度地完成分光晶体掠射角调整，保证X荧光光谱仪分析数据元素数据的稳定、可靠。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。