EPMA_EDS_v.n1.0 (1248285)
Текст из файла
ЦКП "Материаловедение и диагностика в передовыхтехнологиях" при ФТИ им. А.Ф. ИоффеРЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ МИКРОАНАЛИЗС ИСПОЛЬЗОВАНИЕМЭНЕРГОДИСПЕРСИОННОГО СПЕКТРОМЕТРАОглавление:Принцип детектированияРСМА с использованием ЭДСВДС и ЭДСОсобенности измерения на ЭДСАппаратураКоличественная оптимизацияКоличественный анализПлан работыКонтрольные вопросы:356778899Методические указания к лабораторным работампо диагностике материаловСанкт-Петербург20102ВведениеРентгеновские фотоны обладают свойствами как частиц, так и волни их свойства можно охарактеризовать – а значит и измерить – втерминах энергий или волн. Для рентгеноспектрального микроанализа(РСМА) можно использовать как энергодисперсионный спектрометр(ЭДС), который сортирует фотоны по их энергии, так и спектрометр сволновой дисперсией (ВДС), использующий принцип разделениярентгеновского излучения по длинам волн.Исторически спектрометр с волновой дисперсией был первымрентгеновским спектрометром, установленным на электронноммикроскопе.
С развитием полупроводниковых технологий в 60-е и70-е годы прошлого века был разработан быстродействующийЭД спектрометр, вскоре ставший наиболее популярным типомрентгеновского детектора для растровых электронных микроскопов.Принцип детектированияРентгеноспектральный микроанализ основан на способноститвердого тела испускать рентгеновское излучение под воздействиемпучка электронов с энергией 1-50 кэВ. На фоне непрерывногоизлучения связанного с торможением электронов ядрами атомов(тормозногоизлучения)появляютсярезкиепики–характеристическое рентгеновское излучение.
Каждая линиявозникает при взаимодействии электрона с определенным атомом,поэтому, определив длину волны, можно сказать, какие элементыприсутствуют в мишени. Это можно двумя способами: с помощьюэнергодисперсионного спектрометра или с помощью спектрометра сволновой дисперсией.В спектрометре с волновой дисперсией выходящее из образцарентгеновское излучение попадает в кристалл-анализатор, где взависимости от угла падения и согласно закону Брегга-Вульфаразделяется по длинам волн. В качестве детектора используетсягазовый пропорциональный счетчик.В энергодисперсионном спектрометре средой, в которойпроисходит детектирование, является твердое тело. Падающее надетектор излучение поглощается атомами кремния в результатефотоэффекта: энергия рентгеновского фотона передается фото- и ожеэлектронами, которые, в свою очередь, теряют ее в столкновениях сэлектронами валентной зоны, перебрасывая их в зону проводимости3(Рис.
1). Последние могут свободно перемещаться по кристаллу, чтообусловливает электрическую проводимость; образовавшиеся дыркиведут себя как свободные положительные заряды. При наличиинапряжения смещения электроны и дырки разделяются и собираютсяэлектродами, расположенными на поверхности кристалла. Такимобразом, попавший в детектор рентгеновский фотон вызываеткратковременный импульс тока, который после усиления может бытьзарегистрирован.Ясно, что чем выше энергия падающего рентгеновского кванта, тембольшее импульс тока, регистрируемый системой. На этом принципеосновано разделение падающих квантов по энергиям. Важноотметить, что в счетчик одновременно попадают квантырентгеновского излучения с различной энергией, генерируемые вобразце.
То есть, происходит накопление спектра во всем диапазонеэнергий – от нуля до энергии электронного пучка.Рис. 1. Схема полупроводникового детектора.Даже в особо чистом кремнии всегда имеются остаточные примеси,которые приводят к появлению в полупроводнике дополнительныхэнергетических уровней, расположенных между валентной зоной и4дном зоны проводимости. Эта проводимость нежелательна, так каксвязанный с нею ток затрудняет регистрацию сигнала, порождаемогорентгеновскими фотонами.
Для компенсации примесей в кремнийвводят литий посредством диффузии. Атомы лития поставляютэлектроны на примесные уровни, "обнуляя" вклад последних впроводимость. В результате получается материал, близкий посвойствам к идеально чистому кремнию.РСМА с использованием ЭДССуществует качественный и количественный рентгеноспектральный микроанализ.Качественный микроанализ позволяет определить, какие элементыприсутствуют в образце.
В случае ЭДС происходит накопление всегоспектра, поэтому при любом измерении автоматически производитсякачественный анализ.Количественный микроанализ необходим для количественногоопределения концентрации элементов в образце. Это относительныйметод, основанный на сравнении измеренной интенсивностирентгеновских линий, генерируемых в образце, с интенсивностямисоответствующих линий в эталоне известного состава, при известныхтоках зонда и идентичных прочих аналитических условиях(одинаковое ускоряющее напряжение, одинаковая геометрияустановки образца и стандарта, одинаковое состояние поверхности идр.).
Для учета различий в составах образца и стандарта вводятсяпоправки на матричные эффекты (см. методичку по РСМА – общиевопросы).Система энергодисперсионного микроанализа поставляется совстроенной базой данных, в которой записаны готовые данные оэталонах для всех элементов (концентрации и интенсивности,отнесенные к интенсивности кобальта при стандартных условияханализа). Это позволяет выполнять количественный микроанализ вшироком диапазоне условий – геометрии, ускоряющих напряжений,токов зонда – не используя собственный набор стандартов, а лишьпериодически проводя количественную оптимизацию по одномувыбранному элементу (например, кремнию, кобальту, меди и др.).5ВДС и ЭДСНесмотря на широкое применение, ЭДС обладает рядомнедостатков, наиболее очевидными среди которых являются низкоеспектральное разрешение (Рис. 2) и более низкая чувствительность посравнению с ВДС.
ВДС обладает более высоким спектральнымразрешением и высокой чувствительностью. В сущности оба типаспектрометров хорошо дополняют друг друга, будучи установлены наодну и ту же электронно-оптическую колонну.Сравнение характеристик ВДС и ЭДС дано в таблице 1.Таблица 1. Сравнение параметров ВДС и ЭДС.ХарактеристикиЭффективностьсборарентгеновскогоизлученияВДСНизкая – типичный телесныйугол около 0.001 стерадиан.Высокий – обычно не менее10нA из-за низкойэффективности сбора.Хорошее – зависит отСпектральноекристалла, обычно порядка 5разрешение10эВ.<0.01%.
В зависимости отПределыматрицы и элемента могутобнаружениядостигать нескольких частей наэлементовмиллион (n·10-4%).Элементы анализируютсяВыполнениепоследовательно один заанализадругим. (последовательныйанализ).Требуемый токзондаКоличественныйанализ.Легко - измеряется пик ивычитается фон.Требует более высокойквалификации и большеговнимания от оператора.6ЭДСБолее высокая – обычно0.005 - 0.1 стерадиан. ЭДдетектор можно приблизить кобразцу.Низкий – вплоть до значенийменее 0.1нA.Хуже – зависит от энергии,обычно <133эВ на линии MnKα, <65эВ на линии С Kα.0.1- 0.5%.Все элементы анализируютсяодновременно (параллельныйанализ).Сложно – для разделенияперекрывающихся пиков ивычитания фона требуютсясложные алгоритмы.Относительно прост вприменении благодаря высокойстепени автоматизации.Особенности измерения на ЭДСАппаратураКак правило, ЭД спектрометры являются аналитическойприставкой растрового электронного микроскопа.
В данной работеЭДС фирмы Oxford используется совместно с микроскопом Jeol 7000F(Рис. 3). Управление спектрометром и обработка измеренийпроизводятся посредством программного обеспечения INCA.Рис. 2. Сравнение спектров, полученных на ЭДС (желтый) и ВДС (серый).Рис. 3. Схема устройства растрового электронного микроскопа с ЭДС.7Количественная оптимизацияКак уже было сказано раньше, измерение рентгеноспектральногомикроанализа с использованием ЭДС предполагает сопоставлениеэкспериментальных спектров с базой данных эталонных спектров. Тоесть, это безэталонный метод – в процессе эксперимента непроисходит измерения спектра эталонного образца в тех же условиях.Изменение условий анализа в каждом конкретном эксперименте(ток зонда, температура и проч.) влияет на интенсивность и/илиположение пиков в спектре. Для точного определения пика каждогокомпонента и правильного количественного анализа необходимопровестиколичественнуюоптимизацию–сопоставитьэкспериментальные величины с информацией базы данных.Количественная оптимизация состоит в измерении положения иинтенсивности одного известного пика.Количественный анализЧто происходит при нажатии кнопки "количественный анализ"?Во первых, происходит удаление фона из спектра образца иэталонных профилей с помощью "top hat" фильтра (Рис.
4).Отфильтрованные эталонные профили подгоняются к спектруобразца по процедуре наименьших квадратов, и из спектравыделяются чистые пики элементов. Концентрация (в первомприближении)вычисляетсяизотношенияинтенсивностифильтрованного эталонного профиля, подогнанного по методунаименьших квадратов, к спектру образца.Фильтр "top hat" применяетсядля подавлениявысокочастотного шума иплавно изменяющегося фонаРис. 4. Схема фильтрации пиков.Спектральный пиквместе с фоном8Спектр послефильтрацииКонцентрация используется в качестве первого приближения длявведения поправок (см. методичку по РСМА – общие вопросы).Итерации продолжаются до достижения изменения весовойконцентрации менее 0.1%.План работыВ ходе работы предполагается следующая последовательностьдействий:1.
Исследование образца на растровом электронном микроскопе.Получение изображений во вторичных и обратно отраженныхэлектронах. Выбор участка анализа, представляющего интерес.2. Настройка системы рентгеноспектрального микроанализа с ЭДС.Выбор тока, проведение количественной оптимизации.3. Проведение измерений рентгеноспектрального микроанализа –определение качественного и количественного состава различных фаз,получение профиля концентрации, карт распределения элементов.4. Обработка данных (дома): определение размера фаз поизображениям растровой электронной микроскопии, сопоставлениеразмера и состава фаз.Контрольные вопросы:1.
Что такое рентгеноспектральный микроанализ?2. Какой принцип работы ЭДС детектора?3. Какая разница между ЭДС и ВДС детекторами?4. Зачем необходимо проводить количественную оптимизацию?9.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
