摘要:X射线衍射仪是目前纳米检测中最为行之有效的一种方法，对纳米技术的发展有着重要的意义。但是，目前由于受其驱动器性能的影响，在应用推广上还受到一定的限制。针对这一问题，文章提出采用超磁致伸缩材料，研制的驱动器具有位移量大、分辨率高、结构简单等特点，将其应用于X射线衍射仪中，将对其发展起着极大的推动作用。
1引言
80年代，由于扫描隧道显微镜的发明和应用，使人们提高了观测原子量级微观世界的能力，它和随之出现的各种扫描探针显微术(SPM)一起在生物、化学、物理学、微电子学、材料学、摩擦学等领域的应用日益广泛，一门新兴的科学即纳米科学与技术正在形成，并正受到各国政府与学术界的高度重视。但是，目前以SPM为基础的观测技术只能给出纳米级的分辩率，却不能给出表面结构准确的纳米尺寸，这是因为到目前为止还缺少简便的纳米精度(0·1~0.01nm)的尺寸测量和定标手段。特别是对纳米制造即所谓原子操作来说，如果不能给出准确的位置，不可能有任何的实际意义，所以这些都迫切需要一种具有纳米甚至亚纳米精度的装置对其进行标定。纳米测量技术已成为纳米技术发展的关键，所谓纳米测量技术就是纳米或更小分辨率的物体或表面形态的尺寸测量的科学[13。目前，实现纳米测量的方法主要有:光学外差干涉仪、Fabry一Perot标准具及X射线衍射仪。光学外差干涉仪的分辨率及精度都比较低;Fabry一Perot标准具精度高，但其结构复杂、制造要求严格、调整难度大等使该仪器的应用受到限制;而X射线干涉仪则克服上述问题，具有精度高、测量范围大、结构简单等特点，在线测量中有着广泛的研究价值和应用前景田。
在X射线衍射仪中，其关键技术之一是微动平台中微位移驱动器的设计。驱动器性能的好坏，将直接影响X射线衍射仪的精度及性能。微位移驱动技术是现代超精密纳米测量仪器及纳米测控系统的核心技术之一，随着对驱动器特性(迟滞、漂移及输出力等)要求越来越高，学术界在不断探索新的驱动技术。基于超磁致伸缩材料的微位移驱动技术便是近年来国际竟相研究的热点之一，其具有线性好、漂移小及输出力大等特点，将其应用于X射线衍射仪中，将可极大的提高仪器的性能。
2 X射线衍射仪基本工作原理及对驱动器的要求
2.1基本工作原理
如图1所示，当单色X射线以布喇格角入射到完整的单晶硅晶体上时，根据X射线动力学理论，会有3束出射光:随着在晶体中传输距离按指数规律衰减的直接入射光，满足Bragg条件的衍射光和由于异常Borrmann效应而出现的向前衍射光。衍射光和向前衍射光后两束光相对晶面呈对称分布，X射线干涉仪就是利用了晶体的这一分束特性。将一块单晶加工成3片平行的晶片，第3片可以在其平面内相对其他2片运动。一束X射线以准确的布喇格角入射到晶片上，经第1片和第2片衍射后，它们的光束会合在第1片上。经第3片衍射后，其光强与相位有关。当第3片横移时，衍射光强按正弦规律随衍射面发生周期变化。这个周期只与衍射面的间隔有关，而与X射线的波长无关[3](见图2)。
对于理想的薄晶片，衍射光和向前衍射光的相位差可达180°。当晶片很厚时，相位相同。因此当晶片选择适当的厚薄，可以得到不同相位差。衍射光的正弦变化与背景噪声的对比度远低于向前衍射光。
2.2 x射线衍射仪的结构及对驱动器的要求
X射线干涉仪主要有两个部分组成:一部分是干涉仪与传感器进行比较、控制横移和监视输出的测量系统;另一部分是机械和热稳定性能好的光学试验台。测量系统的干涉仪是由一块单晶硅构成，在其上面加工出3片晶片，第3片晶片与整体切开，只留薄带与晶体相连，起弹性对称铰链作用，晶块的上表面和下表面作为测量基准。被检测的传感器安装在一个框架上，检测晶体上表面的位移(见图3)。
由于分析器固定在微动工作台上，随分析器微动工作台发生移动。因此，微动工作台是测量系统的关键部分。要实现精密微位移测量，分析器的俯仰误差要小于5×10–9，侧滑误差要小于5×10一6;同时为了逐点测量采样点的光强值，分析器的移动必须是步进而非连续的，如果使用(220)晶面，其晶面.司距为0.192nm，如果一个周期采样10个点，则分析器移动的步长近似为20nm[1]。驱动机构必须有良好的线性度和重复性。目前，采用的驱动器主要有以英国为代表的电磁式驱动器及以日本为代表的压电陶瓷驱动器。电磁式驱动器结构简单、精度高，但存在发热现象及线性不好的缺点;压电陶瓷驱动器不存在发热现象但有迟滞及蠕变。基于超磁致伸缩材料的磁致伸缩驱动器具有线性好、分辨率高、位移量大等特点，将其应用于X射线衍射仪中，将极大地提高仪器的性能指标。
3驱动器工作原理及结构
3.1工作原理
所谓磁致伸缩是指材料在磁场作用下，其长度(或形状)发生伸长或缩短的现象。最近在国际上研制成一种多元稀土一铁拉弗斯相化合物(R'，R'')Fe2，其饱和磁致伸缩应变量达到1500xl0–6~2000x10一6，相当于传统材料的20~50倍，所以成为超磁致伸缩材料。
稀土超磁致伸缩材料属立方晶体，其磁致伸缩
系数一般是通过测量沿主轴(<100＞，<110>，(111＞)方向长度变化得到的，磁场从垂直转到平行于测量方向。其一般表达式为
式中a;为饱和磁化强度相对晶轴方向余弦;β为测量方向相对晶轴的方向余弦;λ100.λ111分别表示磁化向量沿<100)及(111)方向时该方向的长度变化。
在物体内各向同性(多晶或非晶)的特殊情况下
式中λS为饱和磁致伸缩系数;θ表示磁化向量和测量方向之间的夹角。
3.2磁致伸缩驱动器设计原理
磁致伸缩驱动器就是利用磁致伸缩材料在磁场下可以发生形变的这一特性，将电能转换成机械能。磁机械藕合系数(k)是由动态应变系数(d)、动态磁导率(μr)和弹性顺度(3)决定的，有
磁机械祸合系数决定了驱动器最大位移范围，因而应尽量选用系数比较大的材料。在驱动器应用中，可用下式:
式中ε，H、T、B分别表示应变、磁场强度、应力、磁感应强度;SH为顺度μT;声为磁导率，其分别受磁场强度及应力影响，因而用SH及μT声表示。
3.3磁场分析
超磁致伸缩材料中的磁场可看成是由两部分构成:一部分是由线圈中电流及永磁铁产生的;另一部分是来自超磁致伸缩材料的磁化。则磁场强度
利用积分有限元法可求得线圈中各点的磁场强度。
3. 4偏置磁场的设计
为了使超磁致伸缩棒工作在更好的线性范围及更大的磁致伸缩率下，需要预先施加一定的磁场，称之为偏置磁场。偏置磁场的大小应根据不同成分的超磁伸缩材料而确定。我们采用Tb0.27,DY0.73，Fe1.9,材料，其特性曲线见图4, 5[4]。用铆铁硼作为永久磁铁，以产生500 Oe的偏置磁场。
3. 5微位移驱动器的结构
微位移驱动器是利用超磁致伸缩材料在外部磁场发生变化时，其材料发生伸长、形变这一特点研制的，具体结构见图6。驱动器是由磁致伸缩棒[5]、永磁铁套桶、驱动用螺线管线圈、扼铁及弹性钢片等组成。由永磁铁产生一个偏置磁场，从而使驱动器工作在伸缩率最大及良好的线性段。另外，通过调节预紧螺栓，来调整磁致伸缩棒上的预紧力，从而使磁滞最小。通过改变驱动线圈中电流的大小，来改变棒中磁场的大小，进而控制位移。在驱动器中，磁场构成闭合回路，从而降低了漏磁，并且也不会受到外部磁场的影响，这样仪器可以和其他精密仪器放在一起使用，而不会互相干扰。由于用作产生驱动磁场的螺线管线圈会有发热现象，因而利用温度传感器及循环水冷装置构成闭环，将温度控制在30 ℃士0. 01 ℃的范围内，以达到精度要求[6]
4驱动器特性
4.1驱动器响应特性
超磁致伸缩微位移驱动器的位移响应特性由两部分组成:一为磁场与磁致伸缩量之间的响应，一般在微秒量级上;二为驱动电流与磁场之间的响应[7]。驱动磁场是由螺线管线圈中的电流引起的。螺线管线圈中的电流与驱动电源的电流存在以下关系:
超磁致伸缩微位移驱动器具有很高的响应速度，大大超出了X射线衍射仪对驱动器的要求。
4. 2驱动器位移特性
在恒温精密实验室中，将驱动器置于隔震平台上，采用自行研制的纳米级超精密电容传感器(分辨率0. 5 nm)对驱动器进行监测，测得实验数据曲线如图7,8所示。通过实验可以看出，驱动器的分辨率优于0. 5 nm，位移范围可达40 μm。如果对驱动器电源电流进一步细分，还可以提高其分辨率。对于驱动器出现的磁滞现象，可以通过计算机进行补偿和修正。
5结论
超磁致伸缩驱动器具有稳定性好，分辨率高，位移范围大等特点，适用于X射线衍射仪。并且随着超磁致伸缩材料特性的进一步改善和提高，驱动器的性能也将进一步得到提高，将对纳米检测技术的发展起到极大的推动作用。
参考文献
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本文作者：贾宇辉 谭久彬
