一种微波布拉格实验用高精度角度测量装置及其测量方法

摘要

本发明公开了一种微波布拉格实验用高精度角度测量装置，包括：刻度盘，其设置有第一组角度刻度；游标盘，其与刻度盘同轴设置，游标盘设置有第二组角度刻度；轴，其设置在刻度盘和游标盘的圆心处，刻度盘和游标盘绕轴旋转；指针组，其包括两个指针，用于指示第一组角度刻度或第二组角度刻度的角度值。本发明测量装置具有更高的测量精度。本发明还公开了一种微波布拉格实验用高精度角度测量装置的测量方法。

说明书

技术领域

本发明涉及微波实验测量技术，尤其一种微波布拉格实验用高精度角度测量装置及其测 量方法。

背景技术

微波布拉格衍射实验是用来模拟X射线衍射的实验，本实验中利用一块放大的模拟晶体， 用来代替真实晶体，用一束厘米数量级的微波代替X射线。向模拟晶体入射时，观察入射波 在不同晶面上的反射；研究其反射波产生干涉所符合的条件(2dsinθ＝Kλ)与微波的波长、“晶 体”的晶格常数以及衍射角之间的关系，从而对晶体的结构分析方法得到一些最基本的理解。 在微波布拉格衍射实验中，因为其刻度盘最小刻度为1度，在实验过程中该角度精度能够探 寻晶体的100面(100面入射线与100面法向夹角为0°)和110面(110面与100面法向夹 角为45°)，但如果想进一步探寻120或210等晶面时，就需要刻度盘的最小刻度更小，因 为此时入射线与120面法向夹角的理论值不是整数度位置，同时各个晶面峰值位置附近的测 量点也需要加密。现有技术中微波布拉格衍射实验中刻度盘是由两个180°对称组成，造成 每个读数在刻度盘上有两个位置。在实验中，要区分读数的具体位置，且只能精确到1°， 这就对衍射极大值时的角度测量产生误差，所以亟需一种更高测量精度的测量装置。

发明内容

本发明克服了现有技术中测量精度不高和容易产生误差等缺陷，提出了一种微波布拉格 实验用高精度角度测量装置及其测量方法。

本发明提出了一种微波布拉格实验用高精度角度测量装置，包括：

刻度盘，其设置有第一组角度刻度；

游标盘，其与所述刻度盘同轴设置，所述游标盘设置有第二组角度刻度；

轴，其设置在所述刻度盘和所述游标盘的圆心处，所述刻度盘和所述游标盘绕所述轴旋 转；

指针组，其包括第一指针与第二指针，所述第一指针与所述第二指针可调节地设置在所 述刻度盘和游标盘的上方，用于指示所述第一组角度刻度或第二组角度刻度的角度值。

其中，所述第一组角度刻度的范围为0-360°，精度为0.5°。

其中，所述第二组角度刻度设置有0-30个刻度单位，每一刻度单位为29′，精度为1′。

其中，进一步包括底板；所述底板上设置所述轴，用于调整所述轴的高度。

其中，进一步包括垫板；所述垫板与所述轴的顶部固定连接，用于固定模拟晶体。

本发明还提出了一种微波布拉格实验用高精度角度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：计算入射角α与反射角的夹角θ，所述夹角θ的角度值为所述入射角α的角度 值的两倍；

步骤二：校准所述高精度角度测量装置，使所述垫板上待测模拟晶体的法线与所述游标 盘的零刻度对齐并随所述游标盘共同旋转；

步骤三：保持所述刻度盘静止，调整所述游标盘的零刻度至所述夹角θ的角度值；

步骤四：保持所述刻度盘与所述游标盘相对静止，旋转所述刻度盘使所述游标盘的零刻 度与所述第一指针对齐；

步骤五：保持所述刻度盘静止，调整所述游标盘的零刻度至所述入射角α的角度值；

步骤六：调节所述第二指针使其与所述刻度盘的零刻度对齐；

步骤七：测量所述模拟晶体的微波布拉格实验数据。

其中，进一步包括：改变所述入射角α的角度值并重复执行所述步骤一至步骤七测量所 述模拟晶体在不同入射角度下的微波布拉格实验数据。

其中，所述步骤二校准所述高精度角度测量装置的过程包括：

步骤A1：旋转所述刻度盘或游标盘，使所述刻度盘上的零刻度与所述游标盘上的零刻度 对齐；

步骤A2：调节所述第一指针，使所述第一指针与所述刻度盘的零刻度和所述游标盘的零 刻度对齐；

步骤A3：调节所述第二指针，使所述第二指针与所述刻度盘的180°刻度对齐。

其中，所述步骤三与步骤五中，旋转所述游标盘的零刻度至指定角度值的过程包括：

步骤B1：沿所述刻度盘的第一组角度刻度增大的方向旋转所述游标盘；

步骤B2：读取所述游标盘的零刻度对齐的所述第一组角度刻度的刻度线数值，记作R1， 且第二组角度刻度的刻度线数值R2即为0；若所述游标盘的零刻度未对齐所述第一组角度刻 度的刻度线，则读取所述第一组角度刻度上所述游标盘的零刻度经过的最大刻度线数值，记 作R1，并读取所述第二组角度刻度上与所述第一组角度的刻度对齐的刻度线数值，记作R2；

步骤B3：计算所述游标盘的零刻度指示的角度值，计算公式如下所示：

Angle＝R1*C1+R2*C2；

式中，Angle表示游标盘的零刻度指示的角度值，R1表示读取的第一组角度刻度的刻度线 数值，C1表示第一组角度刻度的精度，R2表示读取的第二组角度刻度的刻度线数值，C2表 示第二组角度刻度的精度；

步骤B4：检测所述游标盘的零刻度指示的角度值与指定角度值是否相同，若不相同则调 整所述游标盘直至所述游标盘的零刻度指示的角度值与指定角度值相同为止。

本发明的高精度角度测量装置中游标盘的新刻度盘的最小刻度值比现有技术刻度盘的最 小刻度值更小。由于采用了游标盘所以不用对角度数据进行估读。

本发明具有更高的精度，能够对更多的衍射峰进行分析，分析更多面的衍射情况，使衍 射峰对应的角度位置测量更准确。

附图说明

图1表示本发明中微波布拉格实验用高精度角度测量装置的俯视图。

图2表示一实施例中微波布拉格实验中高精度角度测量装置的主视图。

图3表示本发明的微波布拉格实验用高精度角度测量装置的测量方法的流程图。

图4表示调整游标盘值指定角度的流程图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、 实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有 特别限制内容。

图1至图4中，1-刻度盘，2-游标盘，3-轴，4-指针，5-底板，6-垫板。

本发明中微波布拉格实验用高精度角度测量装置的结构如图1所示，其中包括具有第一 组角度刻度的刻度盘1、具有第二组角度刻度的游标盘2、轴3和指针组。刻度盘1和游标盘 2以轴3为中心同轴设置，刻度盘1和游标盘2可绕轴3进行旋转。指针组用于指示刻度盘1 或游标盘2上的角度值。指针组中包括第一指针41和第二指针42。第一指针41和第二指针 42可采用铁片并延伸至刻度盘1和游标盘的上方，在此应当采取硬度足够的铁片，防止指针 41与指针42晃动。指针4位于刻度盘1的上方，通过俯视指针4读取刻度盘1和游标盘2 上的角度值。

本实施例中，第一组角度刻度由0-360°标记，第一组指示刻度环绕地设置在刻度盘1 的圆周上，其最小刻度为0.5°。第二组角度刻度设有0-30个刻度单位，每一刻度单位为29′， 精度为1’。第二组角度刻度设置在游标盘2的圆周上，第二组角度刻度与第一组角度刻度 相接触。第二组角度刻度将第一组角度刻度中的最小角度0.5°细分成30份，由此最小刻度 提高到了1′，从而提高了角度测量精度。

为了使本发明的高精度角度测量装置与微波布拉格实验中的其他部分仪器相配合，本发 明优选地在轴3的底部设置底板5，如图2所示。底板5可以调节轴3的高度从而使高精度 角度测量装置与其他仪器的高度更好地匹配，例如微波发射器和接收器。

如图2所示，本发明的轴3顶部设置有垫板6，垫板6与设置在其上的模拟晶体相连接， 带动模拟晶体与轴3同步旋转。

在微波布拉格实验中将第一指针与微波的入射方向对齐，将第二指针与接收器的接收方 向对齐，以第二指针42指示的角度记为出射角的角度。本发明提出的微波布拉格实验用高精 度角度测量装置的测量方法的流程如图3所示，主要包括如下步骤：

步骤一：先计算反射角α与反射角的夹角θ的角度值，夹角θ的角度值为入射角α角度 值的两倍，即θ＝α*2。

步骤二：对高精度角度测量装置进行校准，通过旋转刻度盘1或游标盘2，使刻度盘1 上的零刻度与游标盘2上的零刻度对齐，再调节第一指针41使第一指针41与刻度盘1的零 刻度和游标盘2的零刻度三者对齐，并调节第二指针42与刻度盘1上的180°刻度线对齐。 同时还将设置在垫板6上的模拟晶体的法线与游标盘2的零刻度对齐，并使模拟晶体能随游 标盘2共同转动。

步骤三：保持刻度盘1静止，调整游标盘2的零刻度至夹角θ的角度值。调整游标盘2 的过程如图4所示，在游标盘2和刻度盘1校零的前提下，沿刻度盘1上第一组角度刻度增 大的方向旋转游标盘2至某一角度。若游标盘2的零刻度与刻度盘的第一组角度刻度对齐， 则直接读取该第一组角度刻度的刻度线记作R1，同时将第二组角度刻度的刻度线数值R2记 为0；若游标盘2的零刻度不与刻度盘的第一组角度刻度对齐，则读取游标盘2的零刻度经 过的最大的第一角度刻度，即读取沿游标盘2逆向旋转方向上离游标盘2零刻度最近的第一 组角度刻度的刻度线数值，记作R1，同时读取游标盘的第二组角度刻度上与第一组角度刻度 对齐的刻度线数值，记作R2。根据公式计算此时游标盘2的零刻度所指示的角度值 Angle＝R1*C1+R2*C2；其中，Angle表示游标盘的零刻度指示的角度值，R1表示读取的第一组 角度刻度的刻度线数值，C1表示第一组角度刻度的精度，R2表示读取的第二组角度刻度的刻 度线数值，C2表示第二组角度刻度的精度。例如：旋转后游标盘2的零刻度线位置正对的刻 度盘1上的50°刻度线后第8根刻度线，由于刻度盘的精度是0.5°，所以所在的刻度线数 值为50°/0.5°+8＝108，即为R1。从而游标盘2的零刻度指示的角度为108*0.5°+0*1′ ＝54.0°0′；若游标盘2的零刻度位于50°与50.5°之间时，读取游标盘2的零刻度经过的 第一组角度刻度的最大刻度数值，即50°对应的刻度线数值，此时R1＝50°/0.5°＝100；再 读取第二组角度刻度上与第一组角度刻度对齐的刻度线，若第二组角度刻度上第10根刻度线 与第一组角度刻度的刻度线对齐，则记R2＝10；此时游标盘2的零刻度所指示的角度值为 100*0.5°+10*1′＝50°10′。

若游标盘2的零刻度指示的角度值与指定角度值不同时，重新旋转游标盘2并计算指示 的角度值，直到游标盘2的零刻度指示的角度值与指定角度值相等。

步骤四：保持刻度盘1与游标盘2相对静止，旋转刻度盘1使游标盘2的零刻度与第一 指针41对齐，此时第一指针41所指示的角度值即为夹角θ的角度值。

步骤五：保持刻度盘1静止，以步骤三中类似的方法调整游标盘2的零刻度至入射角α 的角度值。

步骤六：将第二指针42调节至刻度盘1上的零刻度位置。此时，微波的入射方向的角度 值为θ，游标盘2的零刻度线(即，模拟晶体的法线)的角度为：θ-α＝α，微波的反射方 向的角度值为0，即入射角等于反射角。

步骤七：测量该模拟晶体在上述情况下的微波布拉格实验数据。

实施上述测量方法后，可调节入射角的角度并从步骤一重新执行，以测量不同角度的微 波布拉格实验数据。

实施例1：

本实施例描述100面晶面的微波布拉格实验测量过程。首先将100面法线与游标盘2的 零刻度线对齐。对于晶面法向与100晶面法向角度为整数度的晶面，精度为0.25°，入射角 等于反射角的微波布拉格衍射的测量方法。以100面为例：入射方向首先从30°开始，往后 每隔0.5°测量一次，直至140°，游标盘2的零刻度线位置每增加0.5°，与接收器连接的 指针，即第二指针42就往后移动1°，确保入射角等于反射角，此时先获得精度为0.5°的 入射角等于反射角的微波布拉格衍射的第一份数据。测量完以上数据后，将100晶面旋转同 来。首先校准零刻度线，其次，逆时针稍微旋动游标盘2，使其转到0.25°，即15′的位置， 反方向转动刻度盘1，旋转刻度盘1转动时游标盘2随刻度盘1同步旋转，其与刻度盘1之 间保持相对静止。使得第一指针41对准游标盘2上零刻度的位置。此时，入射方向垂直于 100晶面。改变入射方向，当第一指针41指向刻度盘1上0.5°刻度线时，入射角为0.25°， 当入射指针指向刻度盘上1.0°刻度线时，入射角为0.75°，入射指针依次与刻度盘上刻度 线对齐时，入射角一次增大0.5°，即入射角为0.25°，0.75°，1.25°，1.75°，……； 若从30.25°开始测量，当入射指针指向刻度盘上30.0°，30.5°刻度线时，则入射角为 30.25°，30.75°，……；为使入射角＝反射角，与接收器相连的指针指示的位置依次是 360-30.5＝329.5°，360-31＝329°……。如此可以获得入射角间隔为0.5°的入射角等于反 射角的微波布拉格衍射的第二份数据。将第一份数据和第二份数据按照入射角从小到大依次 排列拼在一起，就可以得到精度为0.25°的入射角等于反射角的微波布拉格衍射数据，实现 高精度测量。

实施例2：

本实施例中描述了与100面夹角不为整数的晶面垂直入射测量方法。以120面垂直入射 为例，120面与100晶面夹角为26.6°，要做到垂直入射，必须借助游标盘2以提高角度的 精度，将100晶面旋转，以上一实施例为基础，将游标盘2旋转至26.5°6′的位置即可。 保持入射角不变，移动接收器指针，从30°开始每增加0.5°依次测量，最后即可获得垂直 入射120面的入射角不等于反射角的微波布拉格衍射数据。

实施例3：

本实施例中更高精度的任意面入射角等于反射角微波布拉格衍射测量。以100面，测量 精度为0.1°(本发明最高精度为1′)为例：入射角从30.1°开始，每增加0.1°依次测量。 入射角等于反射角，则入射角为30.1°时，入射角和反射角之间的夹角为60.2°。首先校准 零刻度线，保持刻度盘1不动，移动游标盘2至角度为60.2°位置，其次转动刻度盘1，并 保持刻度盘1与游标盘2之间相对静止，使得第一指针41指向游标盘上60.2°刻度线处。 接着，移动与接收器连接的第二指针42至刻度盘1上零刻度线处，该步骤也可以在最后执行。 此时入射角与反射角间的夹角为60.2°。最后，保持第一指针41与第二指针42以及刻度盘 1不动，将游标0刻度线旋转至30.1°位置，这样就可以做到了入射角等于反射角，均为 30.1°，从而可以测量入射角为30.1°的数据。若测量的晶面与100面有夹角，如120面(与 100面夹角为26.6°)，则在以上测量步骤的基础上考虑26.6°夹角。同样，如从入射角等 于30.1°开始计算，先计算入射角与反射角夹角θ＝60.2°，通过校准零刻度线，移动游标 盘2使其零刻度至60.2°角度位置。保持游标盘2与刻度盘1相对静止的情况下，旋转刻度 盘1使第一指针41指向60.2°的位置。由于入射角为30.1°，则移动游标盘2使其零刻度 移至3.5°(30.1°-26.6°＝3.5°)的位置。最后，将第二指针42旋转使其对准刻度盘1 的零刻度线。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技 术人员能够想到的变化和优点部被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。