sb000035

где αis – коэффициенты, показывающие, как влияет присутствие в пробе

элемента s на интенсивность флуоресценции элемента i: если s = i, то αii = = 1/Ni – величина, обратная скорости счета от пробы, полностью состоящей из элемента i. Число неизвестных в системе уравнений (2.1) равно числу компонент пробы m. Заменив в (2.1) одно из уравнений дополнительным уравнением (2.2), нужно решить полученную систему уравнений относительно концентраций элементов C1, C2, …, Cm.

Коэффициенты a в системе уравнений (2.1) определяются экспериментально. Для этой цели следует использовать бинары (смесь элемента i и s) с известными концентрациями Ci и Cs. Система уравнений решается в виде:

где Ni и Ns – скорость счета квантов флуоресценции в бинаре для аналитических линий элементов i и s.Так как число коэффициентов α в (2.1) равно т(т–1), а при помощи бинара определяют два коэффициента αis и αsi, то число бинаров должно быть равно 1/2m(m–1).Этот метод позволяет проводить анализ для проб с сильным межэлементным влиянием.

Анализ с поправками на поглощение аналитической линии в пробе. Анализ ведется по аналитическому графику NA = N(CA), где NA – скорость счета квантов флуоресценции элемента А; CA – его концентрация. Аналитический график строится при помощи набора стандартов. Концентрацию определяют в предположении, что интенсивность аналитической линии, зарегистрированной от пробы, равна интенсивности той же линии от некоторого стандарта. Вследствие различия состава стандарта и пробы концентрация Cj, найденная по аналитическому графику, не будет равна истинному содержанию Сх элемента в пробе. Истинную концентрацию с уче-

том поглощения аналитической линии в пробе следует определять как:

где μm x ,μm j – массовые коэффициенты поглощения аналитической линии в пробе и стандарте соответственно. Таким образом, для реализации этого

11

метода необходимо определить массовые коэффициенты поглощения аналитической линии, которые для стандартов нужно рассчитать, а для пробы измерить экспериментально.

Анализ с введением арифметических поправок .

Если при анализе элемента А в пробе присутствует мешающий элемент В (с атомным номером ZB > zA+2), то соотношение (2.3) не выполняется. Интенсивность флуоресценции элемента А в пробе возрастает за счет дополнительного возбуждения его атомов флуоресцентным излучением атомов элемента В. В этом случае следует использовать соотношение

где β – котангенс угла наклона аналитического графика NA = N(CA), полученного на наборе стандартов; γ - коэффициент, учитывающий дополнительное возбуждение атомов А, который не зависит от соотношения концентраций элементов А и В. Коэффициент γ может быть определен по специальному стандарту, содержащему элементы А к В в известном количестве. Этот метод может быть использован и при наличии эффекта избирательного поглощения аналитической линии элемента А, которое возможно, если между краем поглощения элемента А и его аналитической линией присутствует край поглощения элемента В. Этот эффект можно рассматривать как отрицательное возбуждение, и коэффициент γ в этом случае будет отрицательным.

Краткое описание спектрометра СПАРК-1.

Спектрометр портативный аналитический коротковолновый – СПАРК-1 предназначен для рентгеноспектрального флуоресцентного ана-

Рис.2.1. Функциональная схема спектрометра СПАРК-1

лиза химических элементов от 22 Ti до 38 Sr по К-серии и от 56 Ва до 92 U по L-серии в твердых и порошкообразных пробах.

12

Функциональная схема спектрометра представлена на рис. 2.1. Высокое напряжение, генерируемое высоковольтным источником 1, подается на рентгеновскую трубку 2. Рентгеновское излучение, возникающее на прострельном аноде трубки, попадает на исследуемую пробу 3 и возбуждает в ней флуоресцентное излучение. Гониометрическое устройство 6 обеспечивает настройку рентгенооптической схемы по методу Иогансона на определенную длину волны излучения или автоматическое сканирование по спектру. Отраженное от кристалла-анализатора 4 излучение регистрируется блоком детектирования 5, в котором кванты излучения преобразуются в импульсы напряжения. Частота следования импульсов определяется интенсивностью излучения, попадающего в блок детектирования. Импульсы поступают на вход усилителя дискриминатора 7, на выходе которого они выравниваются по амплитуде и длительности. Регистрация импульсов возможна двумя способами: при сканировании по спектру при помощи интенсиметра 10 и самопишущего потенциометра 11, записывающего на ленте спектр флуоресцентного излучения образца; при измерении интенсивности флуоресцентного излучения фиксированной длины волны с помощью пересчетного устройства 8 и цифрового блока индикации 9, отображающего количество квантов флуоресцентного излучения, зарегистрированное блоком детектирования за заданное время экспозиции. Первый способ используется при исследовании элементного состава образцов по спектрам флуоресценции. Второй – при определении интенсивности аналитической линии анализируемого элемента. Спектрометр СПАРК-1

состоит из трех блоков: блок регистрации, высоковольтный блок, спектрометр.

Настройка спектрометра на необходимую длину волны осуществляется вращением штурвала (находится на спектрометре слева). Длина волны, на которую настроен спектрометр, отображается механическим счетчиком в ангстремах (Å).

Загрузка образцов осуществляется вращением штурвала, находящегося на спектрометре справа. Имеется четыре загрузочных люка. Номер люка, находящегося под загрузкой, нанесен слева от него цифрой черного цвета; при этом в спектрометре под излучением находится люк, номер которого нанесен справа цифрой красного цвета.

В работе используются образцы, представляющие собой наборы стандартов с известным содержанием никеля и железа, а также смеси, со-

13

стоящие из никеля и железа. В качестве наполнителя используется борная кислота (Н3В2О3). Маркировка нанесена с обратной стороны образцов.

Порядок выполнения работы.

1.Нажать клавишу «СЕТЬ» на блоке спектрометра, нажать клавишу «СЕТЬ» на высоковольтном блоке. Дать прогреться аппарату не менее 5 мин. Нажать клавишу «Высокое ВКЛ» на высоковольтном блоке. При

этом переключатель «Напряжение» должен находиться в положении 12 кВ.

2.Выставить счетчик спектрометра на длину волны Кα – флуоресцентного излучения никеля λNiKα = 1,655 Å.

3.На блоке регистрации установить экспозицию – "10 сек", режимы «I» и «ручн». На высоковольтном блоке установить напряжение "18 кВ".

4.Загрузить в спектрометр образец 100% Ni.

5.Нажать клавишу «ПУСК» на блоке регистрации. После этого происходит счет квантов флуоресценции никеля, попадающих в детектор спектрометра в течение времени экспозиции. Записать показания количества квантов. Изменяя настройку спектрометра с шагом ± 0,001 Å, повторить измерение количества квантов флуоресценции до получения максимального значения количества регистрируемых квантов.

6.Установить счетчик спектрометра на значение λ, при котором количество регистрируемых квантов максимально (по результатам п. 5).

7.Нажать клавишу «ПУСК» на блоке регистрации. По окончании счета снять показания количества квантов флуоресценции с цифрового индикатора. Повторив измерения 3 раза, найти среднее арифметическое и, разделив на время экспозиции, записать в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Результаты измерения интенсивности излучения никеля в образцах

8.Загрузить в спектрометр (не перенастраивая его) следующий образец из числа указанных в табл. 2.1.

9.Повторить пп. 7–8 для всех образцов, указанных в табл. 2.1.

10.Выставить счетчик спектрометра на длину волны Кα – флуоресцентного излучения железа λFeKα = 1,933 Å.

11.3агрузить в спектрометр образец 100% Fe.

14

12. Повторить пп. 7–8, используя образцы, содержащие железо. Результаты занести в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Результаты измерения интенсивности излучения железа в образцах

13.Нажать клавишу «высокое ВЫКЛ.» на высоковольтном блоке.

14.Нажать клавишу «СЕТЬ» на высоковольтном блоке.

15.Нажать клавишу «ВЫКЛ.» на блоке спектрометра.

Порядок выполнения расчета концентраций с помощью системы уравнений связи.

1. Записать систему уравнений связи для образца, состоящего из

двух элементов, используя обозначения αFeNi, αNiFe, CFe, CNi, NNi0, NFe0, NNi, NFe. (NNi0, NFe0 – значения для 100%-образцов)

2.Вывести формулы для расчета коэффициентов влияния с использованием этих обозначений.

3.Рассчитать коэффициенты влияния αFeNi, αNiFe. Для этого в качестве стандартного бинара использовать NF1, в котором CNi = 15,7 %; CFe = 9,8 %.

4.Рассчитать концентрации никеля и железа в образцах NF2, NF3. Дополнительные уравнения:

- для образца NF2: СFe+CNi=24 %, - для образца NF3: СFe+CNi=26,9 %.

Порядок выполнения расчета концентраций с введением поправок на поглощение.

1. Построить аналитический график NNi = N(CNi) с диапазоном изме-

нения СNi от 0,5 % до 100 %.

2. По аналитическому графику определить концентрацию Cj в образцах NF1, NF2, NF3. Результаты занести в табл. 2.3.

15

Сx αC j μm x , где μmx – приведены в табл. 2.3, – нужно определить, зная

μm j

истинную концентрацию никеля в образце NF1 (приведена в табл. 2.3).

Порядок выполнения расчета концентраций с введением арифметических поправок.

1. Построить аналитический график NFe = N(CFe) c диапазоном изменения CFe от 0,5 % до 100 %.

2.Считая зависимость CFe =βNFe линейной, по графику определить коэффициент β.

3.Зная концентрации в образце NF1 CFe = 9,8 %; СNi = 15,7 %, найти

коэффициент γ из формулы СFe βNFe (1 γCNi ) .

4. Используя полученные значения β и γ, рассчитать концентрацию железа для образцов NF2, NF3.

Содержание отчета.

1.Цель работы.

2.Краткое описание методики количественного анализа, функциональная схема спектрометра СПАРК-1.

3.Результаты исследования стандартов и анализируемой пробы (таблицы, графики).

4.Расчет концентрации элементов в анализируемых пробах.

5.Сводная таблица, в которой представлены результаты расчета концентраций никеля и железа тремя способами.

6.Выводы. В выводах должно быть проведено сравнение результатов, полученных по разным методикам, указаны причины погрешностей.

Контрольные вопросы.

16

1.Описать преимущества энергодисперсионного спектрометра по сравнению с кристалл-дифракционным.

2.Какие требования предъявляются к спектру первичного излуче-

ния?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ДЕФЕКТОСКОПИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕНТГЕНОТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

Цель работы.

Исследование характеристик рентгенотелевизионной системы и проведение дефектоскопии изделий.

Общие положения.

Эффективность исследований изделий микроэлектроники, повышение их долговечности и надежности в значительной степени зависят от применяемых методов и средств технического контроля качества. Наибольшее применение для этих целей нашли физические методы неразрушающего контроля, основанные, в частности, на использовании рентгеновского излучения. Эти методы обеспечивают выявление и анализ внутренних и наружных дефектов материалов. На позитивном изображении включения более легкие, чем основной материал, выявляются в виде светлых участков на темном фоне, а более плотные – в виде темных участков на светлом фоне. Рассмотрим принцип метода рентгеновской дефектоско-

пии (рис. 3.1).

1

2

D

3

4

Рис.3.1. Принципиальная схема рентгеновской дефектоскопии

17

полненных из легкоатомного материала. Частота расположения линий на единице длины миры изменяется от одного ее края до другого.

Количественно разрешающую способность измеряют числом линий на 1 мм, при этом под линией подразумевают две различимые соседние полосы (прозрачную и непрозрачную для излучения).

Рис. 3.2. Штриховая мира для определения разрешающей способности

Разрешающая способность связана с нерезкостью изображения выражением:

Нерезкость H характеризует возможности способа рентгенографии воспроизводить на изображении острые края объекта съемки и количественно измеряется в миллиметрах. Нерезкость вызывается различными причинами. Наиболее существенными из них являются размер фокусного пятна рентгеновской трубки, соотношение расстояний между фокусным пятном, исследуемым объектом и приемником изображения, рассеивание световых квантов, движение объекта, а также форма и структура объекта.

Контрастная чувствительность – это выраженное в процентах отношение минимального ступенчатого приращения толщины материала объекта, которое можно заметить на изображении, ко всей толщине объекта. Контрастная чувствительность зависит от характеристик материала объекта, свойств преобразователя излучения, энергии излучения и т. д. Наилучшими условиями контроля деталей и изделий являются такие, которые позволяют получить наиболее высокую чувствительность при оптимальной производительности. Важным моментом является правильный выбор режима контроля: фокусного расстояния, расстояния от контролируемого объекта, анодного напряжения и анодного тока рентгеновской трубки.

Уменьшение фокусного расстояния повышает яркость изображения, что улучшает выявляемость дефектов. Однако при уменьшении фокусного расстояния возможно ухудшение чувствительности метода вследствие роста геометрической нерезкости. Напряжение и ток рентгеновской трубки

19

выбираются в зависимости от толщины и плотности материала контролируемого изделия.

С увеличением толщины и плотности материала увеличивается поглощение в нем рентгеновского излучения, в результате чего ухудшается выявляемость дефектов.

Для сохранения яркости изображения, при котором обеспечивается наилучшая выявляемость дефектов, необходимо повысить мощность дозы излучения за просвечиваемым материалом. При выбранном фокусном расстоянии повышение мощности излучения осуществляется, в первую очередь, путем увеличения анодного тока трубки, а при максимально допустимом токе для применяемой рентгеновской трубки – повышением анодного напряжения. При небольших напряжениях на трубке с ростом напряжения процентная чувствительность метода улучшается благодаря повышению яркости изображения. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к ухудшению процентной чувствительности из-за ухудшения контраста изображения дефектов. Оценить оптимальное напряжение можно с помощью выражения:

где μэф – эффективный линейный коэффициент ослабления материала, см-

1; D – толщина контролируемого материала, см. С ростом толщины просвечиваемого материала напряжение повышается, а чувствительность ухудшается.

Описание лабораторной установки.

В лабораторной работе используется рентгенотелевизионная система на базе переносного компьютера, предназначенная для проведения рентгеновского контроля.

20