[发明专利]具有晶粒取向映射功能的实验室X射线微断层扫描系统

说明书

相关申请

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2012年10月18日提交的美国临时申请No.61/715,696的优先权，其标题为：Laboratory X-Ray Micro-Tomography System with Crystallographic Grain Orientation Mapping Capabilities，在此引入其全文并入本文。

背景技术

金属、陶瓷和其他重要材料是由许多单个晶体颗粒组成。对于均匀的组合物材料，全部晶粒的晶体结构是相同的，但是它们相对的晶体取向在整个材料里是不相同的。事实上，材料的许多重要的工程性质是晶粒性质的功能，列举几个示例，例如晶粒大小、边界、大小分布、和取向。

单个的组合物多晶材料通常没有和基于吸收和/或相位衬度的在传统的X射线断层扫描中鉴定单独的晶粒和边界有对比。

电子背散射衍射成像(electron backscatter diffraction，EBSD)可被执行于扫描型电子显微镜中材料的抛光横截面的表面上，以使晶粒和晶粒边界二维成像。晶粒取向在EBSD中被测定。用聚焦离子束铣削工具和EBSD成像的连续切片能产生三维(3D)EBSD数据。然而，3D EBSD是一种有破坏性的测量技术，因为样本在过程中被破坏。

材料的演变在时间领域中随着外界因素的变化，例如温度循环、应力或应变，对于了解材料失效和最佳加工条件，以产生具有最佳性质的材料是极其重要的。由于3D ESBD只能捕获一次样本的晶粒图，这对研究材料的演变是非常不理想的。

X射线衍射衬度断层扫描(diffraction contrast tomography，DCT)为无破坏性的方法，用于获得多晶显微结构的三维特性。该方法允许用于提高吸收的多晶的晶粒形状、晶粒取向及显微结构同时映射。

在常见的X射线DCT布置中，样本被具有高能量同步辐射的单色光束照射。当样本被旋转，且晶粒穿过照射光束时，布拉格(Bragg)衍射条件被单独的晶粒完成，这些衍射斑点被记录在放置于样本后的二维探测器上。衍射几何被用于将斑点分配到它们出现的地方的晶粒处，并测定晶粒的结晶取向。这些斑点被用作晶粒投影，以重建各个晶粒形状。该技术已被应用到多个材料科学调查中，例如，晶界网络的三维表征中和某些不锈钢的晶间应力腐蚀裂化的原位研究中。通过X射线DCT调查的其他材料已包括铝合金Al 1050。更重要的是，如今可以非破坏性地执行常规的3D晶粒图的测量，这使得重复测量以研究时间演变成为可能。

使用同步辐射源以执行这些测量的必要性是非常有限的，且实验室辐射源衍射计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)系统将缩小这个差距。众所周知，同步加速器生成具有比实验室辐射源亮度更高的大小量级的X射线，及DCT为同步加速器开发的方法要求高光束亮度，其表现在高光束准直和单色性中。

相比同步加速器，实验室辐射源通常具有非常差的亮度，因为它们就轫致辐射(Bremsstrahlung)发射非常广的X射线波长的带宽。除轫致辐射背景外，相比X射线总功率发射的，特征发射谱线发射的强度低，且当试图单色化实验室辐射源的光束时，单色仪(晶体单色仪或多层)进一步降低强度。

然而，Lauridsen等人的于2012年1月12日公布的美国专利申请US2012/0008736A1，描述了一种能使用实验室射线源的X射线DCT系统。该系统反映同步加速器DCT设置的实施，其中假定聚焦且单色的X射线光束的使用。此外，使用非标准探测器的方案被描述为探测衍射信号。

发明内容

实验室射线源X射线DCT系统提出的构型的问题是他们的性能应该是低的。因为它们要求聚焦、单色的光束，从现有的实验室X射线光束得出的X射线通量应该太低，导致不实用的长曝光时间。

因此，对于能够在实验室中执行X射线DCT分析的方法和系统的需要持续存在。具体地，对于能够在研究和不具有同步加速器辐射源的工业设施中，使用X射线DCT的技术的需要存在。还特别需要的是利用简单且有效地探测系统的布置。

通常，根据一方面，本发明的特征为三维晶粒取向映射的方法。在该方法中，一个旋转的样本被从实验室X射线辐射源获得的宽带锥形X射线辐射源照射，以在X射线探测器上生成衍射束图像。关于样本旋转角度的信息的图像的数据被处理(例如，通过一控制器)，以获得晶粒取向和位置的三维重建。