Часть 5 (1125043), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Поэтомуполуширина линии даже для моноэнергетических электронов будет сильнозависеть от таких шумовых потерь энергии. Для снижения уровня шумовполупроводниковых детекторов используют охлаждение детектора и входногопредусилителя до температуры жидкого азота. Таким способом удается довестиразрешение детекторов до величины 100-150эв.Рис.5.14. Блок-схема энергодисперсионногорентгеновского спектрометра.
1берилиевоеокно;2полупроводниковый детекторрентгеновских квантов; 3малошумящий предусилитель;4-криостат; 5-ЭВМЭнергодисперсионные спектрометры имеют одно очень важноепреимущество по сравнению с кристалл-дифракционными спектрометрами они не требуют перемещений детектора в камере спектрометра, т.к. весь спектррегистрируется одновременно для всех длин волн.И хотя разрешение энергодисперсионного спектрометра существенноуступает кристалл-дифракционному, простота кинематической конструкции иэкспрессность метода регистрации ставят энергодисперсионный метод напервое место при решении большинства задач, особенно на предварительнойстадии исследования, рентгеновского микроанализа. Поэтому в конструкциисовременных рентгеновских микроанализаторов обычно присутствуют оба типаспектрометров.В таблице 5.2 приведены основные характеристики этих двух типовспектрометров.170Таблица 5.2.
Сравнительные характеристики кристалл-дифракционныхи энергодисперсионных спектрометров.Основные параметры спектрометровЭнергетическое разрешениеЭффективность детектораТребования к фокусировкеСкорость проведения анализаКристаллдифракционныеспектрометры<10эв<30%ЖесткиеДесятки минут- часыЭнергодисперсионныеспектрометры≈100-150эв95-100%ОтсутствуютМинуты5.5.2. ПРИНЦИПЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГОРЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНОГО МИКРОАНАЛИЗАВ основе количественного рентгеноспектрального микроанализа лежитпредположение, высказанное Р.Кастеном [24] о том, что интенсивностьхарактеристического излучения IA, испускаемого атомами элемента A,пропорциональна концентрации СA этого элемента в образце. Если использоватьэталон из чистого элемента А, можно записатьIC A = AE ,(5.28)IAгде I A E - интенсивность той же характеристической линии, получаемой отэталонного образца. Однако реальная ситуация осложняется целым рядомфакторов.
Во-первых, образцы, как правило, содержат существенно большедвух компонентов. Во-вторых, при взаимодействии электронов зонда ивозникающего рентгеновского излучения с веществом образца-мишенивозникают многочисленные процессы, приводящие к искажению измеряемыхконцентраций элементов, содержащихся в образце. Рассмотрим влияниефакторов атомного номера, поглощения и усиления флуоресценции.Влияние атомного номера определяется двумя конкурирующимифакторами: отражением и торможением электронов зонда. Допустим, чтообразец состоит из матрицы с атомным номером ZA и примеси с атомнымномером ZB. Если принять, что ZA>ZB , то при измерении концентрациипримеси, состоящей из атомов B сорта, она, с одной стороны, должназанижаться за счёт того, что количество отраженных назад электронов для болеетяжелого элемента А больше, чем элемента В, т.к.
ηA>ηB. Поэтому болеетяжелые атомы матрицы как бы экранируют атомы примеси. С другой стороны,потери энергии электронами зонда, т.е. тормозная способность вещества должнарасти с ростом атомного номера и, следовательно, интенсивностьхарактеристической линии рентгеновского спектра легкого элемента в тяжелойматрице должна быть больше, чем для более легкой матрицы. Следуетподчеркнуть, что второй процесс будет превалировать над первым.
Поэтомуизмеряемая концентрация элемента В в матрице А будет завышена посравнению с реальным содержанием. Для учета этого факта необходимовводить поправку в виде множителя kz в формулу (5.28) на атомный номер.Фактор поглощения рентгеновских лучей в материале образца будеттакже влиять на интенсивность характеристической линии, регистрируемойдетектором, и, следовательно, на определяемую концентрацию элемента.Рассмотрим такой пример: пусть образец состоит из матрицы атомов А и171примеси атомов В, причем μA>μB. Тогда характеристическое рентгеновскоеизлучение, испущенное атомами элемента В внутри объёма матрицы, будетпоглощаться сильнее, чем в матрице из более лёгких атомов. Поэтомуизмеряемая концентрация элемента В в образце будет занижена по сравнению среальным составом.
Учет этого фактора обычно осуществляется введениемпоправки на поглощение в виде множителя kA в формулу (5.28) дляконцентрации.Фактор флуоресценции. Если образец содержит атомы двух сортов А иВ, характеристическое рентгеновское излучение, генерируемое, например,атомами А-сорта, может при определенных условиях вызывать флуоресценциюатомов В-сорта. Таким образом полное рентгеновское излучение атомов В-сортабудет состоять из двух частей - квантов, возбужденных электронами зонда иквантов, возникших в результате флуоресценции.
Этот факт будет приводить кзавышению измеряемой концентрации атомов В-сорта и соответствующемууменьшению измеряемой концентрации атомов А-сорта. В литературе этоявление получило название фактора усиления флуоресценции илисенсибилизированной флуоресценции. Аналогичное явление возникает и поддействием непрерывного рентгеновского излучения, генерируемого в образцеэлектронами зонда. Поэтому в формулу для концентрации (5.28) необходимоввести ещё две поправки kF и kC. Тогда выражение для концентрацииопределяемого элемента примет видSIC A = k Z ⋅ k A ⋅ k F ⋅ kC ⋅ AE .(5.29)IAТакой способ определения концентрации элементов по измеренияминтенсивностей характеристических линий на образце и на эталонах получилназвание метода трех поправок, или ZAF-метода.
В настоящее времяразработаны теория и многочисленные методы рассчета обсуждавшихся вышепоправок,существуютспециальныепрограммыдляобработкиэкспериментальных рентгеновских спектров на ЭВМ, позволяющие проводитьполный анализ измеряемого спектра и определение концентрации входящихэлементов, а также всех ошибок, возникающих при этом. Наиболее часто впрактике рентгеновского микроанализа для обработки спектров используютсятакие программы, как MAGIC, COR2, FRAME. Это достаточно мощныепрограммы, позволяющие с высокой степенью надежности получать данные обэлементном составе образцов.Рентгеновский микроанализ позволяет определять атомный составматериалов практически во всем интервале концентраций с точностью около2%. Чувствительность анализа неоднородна по всему спектру элементовтаблицы Менделеева и сильно зависит от атомного номера.
Так для легкихэлементов, например, для Be (Z=4), предельное обнаруживаемое количествоэлемента составляет более 10%. С ростом атомного номера точность анализарастет и при благоприятных условиях может достигать 0.1-0.01% для Re (Z=75)[25,26].1725.6. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ РАСТРОВОЙЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИРассмотренные выше основные принципы работы РЭМ показывают, чторастровый электронный микроскоп это прибор предназначенный в первуюочередь для исследования структуры поверхности. Выпускаемые в настоящеевремя приборы имеют увеличение от десятков до нескольких сотен тысяч раз.Как уже отмечалось растровые электронные микроскопы имеют в 103 разбольшую величину глубины резкости по сравнению с оптическими приборами(например, при увеличении 500× она составляет приблизительно 0.5мм). Этообеспечивает значительно более высокое качество изображения при сравнимыхувеличениях и позволяет успешно применять методику получения стереопар.Для этого один и тот же участок поверхности образца регистрируется при двухположениях отличающихся поворотом на несколько градусов.
Иногда для этихцелей применяют два или более детекторов. Получаемые при этом изображенияпозволяют воссоздать объёмную картину поверхности исследуемого образца.Одним из существенных достоинств РЭМ является возможность, в целомряде случаев, проводить исследования образцов практически безпредварительной подготовки поверхности. В более сложных случаяхструктурные детали поверхности могут быть выявлены путем селективногохимического травления приводящего к образованию рельефа поверхности.Следует подчеркнуть, что в тех случаях, когда контраст формируется за счетслабых источников (каналирование электронов, магнитный контраст,наведенный ток, катодолюминесценция) неровности поверхности, тонкийприповерхностный нарушенный слой, образовавшийся в результатемеханической шлифовки, дающие более сильный топографический контрастмогут затруднить наблюдение слабого контраста.
Поэтому в этих случаяхнеобходимо удалить неровности поверхности и нарушенный слой и тем самымустранить конкурирующий источник контраста. Обычно для приготовленияметаллических образцов используют тонкую механическую полировкуповерхности и электрополировку [27].
Такое сочетание часто дает оптимальныерезультаты.Важным условием для нормального наблюдения поверхности является еёочистка от загрязнений (особенно органических), которые разрушаясь подвоздействием электронов зонда, могут приводить к образованию тонкойдиэлектрической пленки. Такая пленка будет заряжаться под электроннымпучком и искажать изображение рельефа поверхности. Вообще проблемастатического заряда поверхности в РЭМ имеет особое значение. В случаедиэлектрических образцов накопление статического электричества можетприводить к появлению заряженных островков затрудняющих выход вторичныхэлектронов и нарушающих формирование изображения поверхности.
Дляустранения эффекта зарядки поверхности обычно используют несколькоприемов: нанесение проводящего покрытия (пленки углерода, золота,алюминия) снимающего статический заряд, работа микроскопа при малыхускоряющих напряжениях, ограничение времени сканирования образца.Толщина образцов для РЭМ не имеет определяющего значения. Образцымогут иметь размеры порядка нескольких десятков мм, и ограничиваютсятолько конструктивными возможностями держателя.173Таким образом можно сказать, что широкий диапазон возможностейприменения РЭМ в различных областях науки и в промышленных лабораторияхобусловлен с одной стороны многообразием механизмов образованияконтраста, а с другой - чрезвычайно большой глубиной резкости изображенияи высоким пространственным разрешением.На начальных этапах РЭМ широко применялась в основном дляисследования структуры поверхностей излома и специально приготовленных(избирательное химическое травление) поверхностей металлов и сплавов.
Нарис.5.15а в качестве примера показано SEM изображение структуры изломакомпозиционного материала. На снимке хорошо видны волокна B осажденногона тонкие нити W и структура матрицы сплава B-Al. Волокно имеет достаточносложную структуру - в центре расположена тонкая нить из чистого W, попериферии располагаются бориды вольфрама и по-видимому на самойповерхности имеется слой чистого B. Из снимка видно, что материал матрицыплотно обволакивает нити боридов вольфрама.Рис.5.15а. Структура излома поверхности композиционного материала на основе B-Alсплавов.На следующем рис.5.15б показана топография излома поверхностимонокристалла сапфира.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
