
книги из ГПНТБ / Локальные методы анализа материалов
..pdfлучены в работах Энока. Однако их большая сложность не позволяет рекомендовать пользоваться ими в практи
ческой |
работе даже при использовании ЭЦВМ. |
В большинстве случаев «добавки» от непрерывного |
|
спектра |
— 1 %, но в некоторых случаях, как показано |
в работе [129], могут достигать4%. В работе [117] дает ся после возможных и разумных упрощений выражение для отношения интенсивности излучения за счет возбуж дения непрерывным участком спектра к интенсивности возбужденной электронным ударом:
^ |
= 4,34• 10-» Л к л ~ ' AZEK |
f (Хе г/0 ). (ЮЗ) |
|||
|
/ э |
гкЛ |
К, А |
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(104) |
|
2te = H - ; > U c o s e c e , |
|
|
||
где \1тк—линейный |
коэффициент |
поглощения |
с корот |
||
|
коволновой стороны /(-края. |
|
|
||
Подробно вопросы, |
связанные |
с /ф.н .с > |
рассмотрены |
||
в работах [125, 128], где расчетные результаты |
сравни |
||||
ваются с экспериментальными. |
|
|
|
||
Для |
иллюстрации |
важности |
учета |
непрерывного |
спектра в качестве примера рассмотрим случай включе ния, размер которого сравним с размером зонда. Для простоты допустим, что флуоресцентное возбуждение вызвано элементом, содержащимся в матрице, вмещаю щей включение.
|
Рассмотрим два случая: пусть во включении элемент |
||||||
А |
содержится в количестве |
СА, |
а в матрице его нет, т. е. |
||||
СА = 0 В матрице. Тогда в первом |
приближении |
СА — |
|||||
= |
I* |
Однако измерения |
на стандарте дают /А = |
/ЭЛ+ |
|||
— . |
|||||||
|
1А |
• Следовательно, сравнивая |
со стандартом, |
опре |
|||
-\-1ф.п.сА |
|||||||
делим СА И вместо СА |
запишем: |
|
|
||||
|
|
С'л= |
/ |
, Д |
л |
; |
( Ш 5 ) |
|
|
|
эА |
' |
ф.н.сЛ |
|
|
отношение Сл/Сл = 1 + (/ф.н.с.лДаА), т. е. измеренная ве личина во Ёключении, будет искажено на величину, рав-
ную отношению интенсивностей флуоресцентного воз
буждения к интенсивности |
первичного. |
|
|
|
|
|
|||||||
Пусть теперь матрица |
содержит 100% |
элемента |
А |
||||||||||
с атомным номером Z A , |
а средний атомный номер вклю |
||||||||||||
чения |
Z. Пусть |
q= |
7,\ZA , интенсивность |
от |
элемента |
А, |
|||||||
когда |
зонд попадает |
на |
включение, |
составит: |
|
|
|||||||
|
i\ |
~ |
с А Л + |
я\ |
/А — КА + |
^ ф . н . И ; |
|
|
|||||
|
|
K A - Y t V * " — ^ ? - - |
|
<Ю6> |
|||||||||
|
|
|
'эВ "Т > . н . с Л |
|
1 + |
F |
|
содержание |
|||||
т. е., когда даже во включении |
С А « 0 % , |
||||||||||||
элемента А будет определено равным 2—3%. |
|
|
|||||||||||
Следовательно, определять в малом включении со |
|||||||||||||
держание элемента, |
который в значительном количестве |
||||||||||||
находится в матрице, не имеет смысла. |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
Общие |
замечания |
|
|
|
|
|
||||
|
о |
методах |
введения |
|
поправок |
|
|
||||||
Введение |
поправок |
по |
рассмотренной |
схеме |
сводит |
||||||||
ся к мультипликативному процессу: |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
CA |
= |
KJ(Z)f(li)f(<o). |
|
|
|
|
|
(107) |
||
Мультипликативный |
множитель |
исправляет |
отклоне |
||||||||||
ние от линейной зависимости СА |
от КА. |
Для |
введения |
поправок надо знать полный состав образца. Такая за дача может быть решена традиционно: состав образца в первом приближении оценивают по отношению изме
ренных интенсивностей, т. е. |
полагают, что |
СА0)=К(А1. |
|
Для данного значения КД0) |
вычисляют |
поправочный |
|
множитель. Далее, используя |
полученное |
содержание |
|
С1! ) как новое приближение, |
последующей |
итерацией |
добиваются сходимости результатов, заранее задаваясь точностью расчетов. Однако, как показано в работе [ПО], использование введения поправок при помощи мультипликативного множителя усложняет структуру уравнения для введения поправок и затрудняет правиль ную оценку физических предпосылок, заложенных в каж дом приближении при введении поправок. В работе [130] было показано, что процесс итерации во многих случа ях анализа многокомпонентных систем не дает сходя щихся результатов.
Каждая итерация включает две стадии: устанавли вают приблизительный состав анализируемого образца и вычисляют отношение интенсивности, которую нужно ожидать теоретически для каждого элемента:
/<•(') і*
Процедура введения поправок, рассмотренная ранее, используется фактически для того, чтобы вычислить аб солютную интенсивность в числе фотонов на электрон, связанную с прямым возбуждением. Используя в каче
стве |
первого приближения |
с у = |
КА0) |
, |
все последую |
|||
щие |
С у , |
С у , |
нормируются |
таким |
образом, |
что |
||
2С, - =1 . |
Следовательно, при |
каждой |
итерации мы |
вы- |
числяем величины интенсивности, которые следует ожи дать для теоретически возможных составов. Поскольку выражение (108) не должно давать точного значения СА, надо использовать какое-то другое соотношение, чтобы получить во втором этапе каждой итерации новую оцен ку состава. В работе [131] для этого использовано ги перболическое приближение, т. е. для аналитической ка либровочной кривой для каждого элемента пользуются выражением:
— ^ ^ а 1 — ^ . |
(109) |
Основанием для выбора такого приближения послу |
|
жили данные работы [131], в которой было |
показано, |
что подобный ход аналитических кривых действительно
имеет место для |
большого |
числа |
изученных |
|
двойных |
||||
и тройных |
систем. |
Тогда, |
если для |
каждого |
элемента |
||||
построить |
зависимость Ki = |
f(Ci), |
то |
гипербола |
опреде |
||||
лится тремя точками |
(0,0), |
(1, 1) |
и |
(С, К}, |
где |
С опре |
|||
деляется как С у |
, |
получаемое на |
первой |
стадии ите |
|||||
рации: |
|
|
|
с ( / ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
(ПО) |
|
|
/ ( У |
- |
|
* |
|
|
|
||
|
А |
|
О И - ' Ф ' |
|
С/Т"') |
|
|
|
|
Следующую оценку значения СА, |
соответствующую |
||||||||
полученному отношению интенсивности К(дп) |
, |
рассчиты |
|||||||
вают по уравнению: |
«Г>с-ю |
|
_ |
|
|
|
|||
|
с у - |
|
|
|
|
|
К{Ап)(С-К)-\-К{\-С)
В отличие |
от выражения (108) в этом |
приближении |
ни выражения |
(ПО), (111), ни конечные |
результаты не |
нормализуются после схождения на единицу. Таким об разом, если пропущен какой-либо элемент при анализе или имела место ошибка при введении поправки или в опытных измерениях, то это сразу выясняется, так как окажется, что 2СІ=?М. Рассчитывая поправки рассмот ренным выше способом, по существу мы спрямляем по правочную кривую, переходя к гиперболическим коор динатам, и этой операцией действительно сокращаем процесс введения поправок.
Упрощенная методика расчета
Как ясно из предыдущего, все формулы, связываю щие интенсивность с концентрацией, нелинейны. Поэто му уже для трехкомпонентных систем ввиду сложности выражения для поправочных множителей введение по правок требует работы на ЭВМ. Значительного упроще ния в расчетах можно достигнуть предложенным недав но методом гипотетического состава [132], в котором исходят из Ки и путем общих рассуждений выбирают гипотетические концентрации так, чтобы в сумме они со ставляли 100% • Эти общие рассуждения таковы.
Если т ^ С т ^ , |
то / А ( Т ) < 1 . |
Если |
Z A < Z , |
то |
fA(Z)"> |
|
> 1 ; [А(со) всегда |
> 1 и при ZAT^Z |
максимальна |
(т. е. |
|||
около 0,3 при Z » 3 0 |
и убывает при уменьшении или уве |
|||||
личении Z от этого |
значения). |
Наибольшей |
поправкой |
обычно является /А(Т), которая может достигать 0,1. Исследование показывает, что без ущерба для знания точных СІ можно задать С " ш о т с точностью ~ 1 0 % в об ласти 0—20% и с точностью 2—3% в области С г > 8 0 % при наименее благоприятных условиях. Таким образом, требования к точности угадывания гипотетического со става не слишком жесткие: в области малых концентра ций, где поправки велики и легко ошибиться, диапазон допустимой ошибки велик, а в области больших кон центраций поправки относительно малы и намного оши
биться трудно. |
|
|
|
|
Возьмем, например, |
систему Fe—А1 при У 0 = 3 0 |
кв, |
||
когда измерены |
KAI=0,182, |
КРЄ^ 0,370. Поправка |
на |
|
флюоресценцию |
в системе |
мала, так как отношение по |
||
тенциалов возбуждения |
VWV.pe =0,22, а атомных номе- |
ров /1л/Мл:=0,48 т. е. их произведение 0,1, а |
Ркк—\; |
||||||||
/'.-u(Z)>l; |
f F e ( Z ) < l . |
Составим таблицу коэффициентов |
|||||||
поглощения |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Л ! Л ' а |
FeKa |
|
||
|
|
|
|
Al |
386 |
94,0 |
|
||
|
|
|
|
Fe |
385 |
71,5 |
|
||
т. e. fAifa) |
С |
1 и |
he |
(U-)<1- |
|
Отсюда |
видно, что CFe > |
||
> / < V e . |
Возьмем |
ближайшую |
|
цифру |
С£"п о т — 0>40Тогда |
||||
с п т о т = |
о,60. На |
самом деле |
состав 40,8% Fe, |
59,2% Al , |
|||||
т. е. ошибка |
менее чем 2%. |
|
|
|
|
||||
Во |
всех |
случаях анализ |
надо начинать с |
элемента, |
для которого поправка невелика (в частности, при наи большей его концентрации), а второй элемент подрав нивать до 100%. В большинстве случаев анализа это можно сделать. Если один элемент основной, а осталь ные легирующие, то, как уже говорилось, можно доволь но грубо задать их гипотетические концентрации без ущерба для точности расчета истинных концентраций.
Метод количественного анализа вариаций ускоряющего напряжения
Сравнительно недавно Куприяновой и Дицманом [62, с. 171] был предложен метод количественного опре деления элементов, который можно назвать методом съемки при вариации ускоряющего напряжения (вплоть до потенциала возбуждения данной серии анализируе мого элемента).
Достоинством этого метода является возможность проводить количественный анализ любого элемента, вхо дящего в состав образца, совершенно не интересуясь пол ным составом последнего. Физические основы метода очень просты. При уменьшении энергии первичных элек тронов от EQ ДО некоторого ЕІ, близкого к характеристи ческой энергии возбуждения EQ, возбуждение характери стического рентгеновского спектра атомов анализируе мого элемента будет происходить все в более и более тонком поверхностном слое. Поэтому с достаточным при
ближением можно |
пренебречь поглощением излучения |
в самом образце; |
будет отсутствовать дополнительное |
возбуждение за счет характеристического и непрерывно го возбуждений. Число же электронов, ионизующих ато-
мы в анализируемом образце и эталоне, может быть не одинаковым (если Z образца и Z стандарта различны) вследствие различия процессов рассеяния электронов. Следовательно, можно принять, что при E0^Eq в каче стве величин, достаточно полно характеризующих раз личие этих процессов, можно использовать значения удельной тормозной способности, силы тока, протекаю щего через образец и стандарт.
Итак, для определения концентрации элемента необ ходимо измерить отношение интенсивности и соотноше ние силы тока через анализируемый образец и эталон при различных Е0 й построить зависимость произведе ния (/л ДА ) • (і'обрА'ст) от £ 0 . Экстраполируя полученную кривую до значения Eq, получим искомую концентрацию элемента.
Очевидно, однако, что при этом новом методе анали за сильное искажающее влияние может оказать состоя
ние |
поверхностного слоя (в |
первую очередь окисления |
его). |
Действительно, при Eu=LEq в порождении характе |
|
ристического рентгеновского |
излучения анализируемого |
элемента будет участвовать все более тонкий слой ве
щества. Эти слои будут тем тоньше, чем |
меньше |
Eq |
|
и чем меньше Z определяемого элемента. |
Для |
элемен |
|
тов среднего и больших Z при относительно |
больших |
Eq |
|
влияние поверхностного слоя (окисление его) |
окажется |
не столь существенным, как при анализе элементов с ма лыми Z. Поэтому можно ожидать, что для больших и средних Z при работе на установках, где максимально достигаемое напряжение не превышает 40—50 кв, долж
на |
получаться линейная зависимость (ІА |
ЦА) |
(іобрА'от) |
от |
£. Для элементов малых Z это должна |
быть |
кривая |
типа экспоненциальной. Последнее утверждение следу ет из того, что зависимость интенсивности линий харак теристического спектра для легких элементов в зависи
мости от избытка напряжения |
характеризуется |
кривой |
с максимумом (рис. 75). Как |
показано в работе |
[133], |
подобные кривые достаточно хорошо описываются фор
мулой: |
|
|
При С/ 0 »1 |
'>f f l „cosec9; |
|
/ ( £ / „ ) « |
I n t/„ |
(112) |
ІЗ* |
105 |
I{U0) имеет максимум |
при |
Umax: |
|
In UmaK |
= |
(1 |
N |
а при (7о=const, |
/ ~ |
|
|
(113)
(114)
Следовательно, |
если кривые зависимости |
( / Л / / А ) Х |
|||||||||
X (іобр/іст) = |
f (-Ео/^і) |
от £ |
(или Е0/Еі) |
изобразить |
в по |
||||||
|
|
|
|
|
лулогарифмическом |
|
мас |
||||
|
|
|
|
|
штабе, то для тех |
элемен |
|||||
|
|
|
|
|
тов, для которых в преде |
||||||
|
|
|
|
|
лах |
40—50 |
кв |
|
кривые |
||
|
|
|
|
|
f(Eo/Ei) |
|
имеют |
максимум, |
|||
|
|
|
|
|
будут |
представлены |
двумя |
||||
|
|
|
|
|
прямыми |
с резким |
изломом |
||||
|
|
|
|
|
в точке, |
соответствующей |
|||||
|
|
|
|
|
максимуму. |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Этот |
вывод |
был |
|
подтвер |
||
|
|
|
|
|
жден измерениями |
на серии |
|||||
|
|
|
|
|
образцов из бинарной систе |
||||||
|
|
|
|
|
мы В—W . |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Приведенные |
|
физичес |
||||
|
|
|
|
р8е |
кие обоснования |
метода хо |
|||||
і? |
<w |
/л? |
гл? |
рошо |
подтверждаются |
экс |
|||||
Рис. 75. Зависимость |
интен |
периментальными |
данными, |
||||||||
полученными |
в |
|
работах |
||||||||
сивности Ка-линии |
легки > |
[134, 135]. |
|
|
|
|
|||||
элементов |
от |
перенапряже |
Подобным методом была |
||||||||
|
ния |
|
|
||||||||
|
|
|
определена |
концентрация |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
элементов |
в |
165 |
анализах |
двух-, трех- и четырехкомпонентных систем. Оказалось,
что |
определение |
концентрации |
с |
точностью не ме |
|
нее ± 2 , 5 % |
(отн.) |
получено в 63 случаях, что составля |
|||
ет |
60%- В |
качестве примера |
на |
рис. 76 приведены |
|
результаты |
анализа четырех систем, |
а на рис. 77 приве |
дена гистограмма ошибок, характеризующая рассмот ренный метод. При обработке литературных данных, где
НЄ бЫЛИ Приведены ЗНачеНИЯ ОТНОШеНИЯ і'обрА'сті оно заменялось отношением 1—б0 бр/бС т- В последнем отноше нии бобр и бет представляют собой долю обратно рас сеянных электронов от исследованного образца и эта лона, полученную по данным работы [64, с. 171]- Важ ным экспериментальным подтверждением допустимости
hd lPd I(Pd) l(Pd)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
Е0,кв |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 76. |
Зависимость |
|
- ^ / / д Х |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
от |
-а для |
линии: |
|||
|
|
|
|
|
а — Сг/С„ |
в |
сплаве N1 — Сг, |
угол |
выхо- |
|||||
|
|
|
|
|
да излучения |
4 5 ° ( / ) , |
18° (2), |
6° (3); |
б — |
|||||
|
|
|
|
|
РйК„ |
и |
P d L |
в |
сплаве |
Pd — Ni; |
и — |
|||
Ек10 |
20 |
30, |
iiO |
Е0,кв |
СоКр |
в |
сплаве Со — Fe, |
угол выхода |
||||||
|
излучения |
45° |
{]), |
18° (2) |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
1 Л , . л , |
LLlJJ. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Л7 |
і » |
Л7 |
40 |
50 |
60 |
|
70 |
80 |
90 |
|
100 |
|
|
|
|
|
|
CocmО6, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
-ЗО |
•20 |
-JO |
О |
10 |
|
20 |
|
ЗО |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ошибка, % (отн.) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Ц |
|
|
1 |
•, |
•.. |
|
|
|
|
|
-$р |
-40 |
-ЗО |
-20 |
-/0- |
0 |
10 |
|
20 |
ЗО |
60 |
|
|
Ошибка, % (отн.)
-50-60 -ЗО -20 -10 Q |
10 20 ЗО |
40" |
Ошибка,% |
(от//.) |
|
Рис. 77. Гистограмма распределения ошибок количе-. ственного определения элементов для метода экстра-' полиции к потенциалу возбуждения
сделанных приближений является независимость отно шения і'обр/іст от избытка напряжения, Z и угла В (рис.78).
Ошибка определения концентрации методом экстра поляции к Eq зависит от точности экспериментального измерения интенсивностей и токов через образец (или
loffp
1эт
ьо V
0.9
0,8
0.7 О
1,1
1,0
0,9
0,8
1,1
1,0 -
0,9 -
0,8
0.7
+ А/і
• Fe Л. Ті о Al
10 |
20 |
ЗО |
40 Е0,юд |
+ Ni
. _ ± _ + .
_J |
|
|
|
_1 |
|
10 |
20 |
30 |
40 |
SO Е0,КЭв |
|
|
|
|
|
f |
Cr |
|
|
|
|
• |
Pd |
-+—+—+•
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
Е0,кэв |
Рис. 78. Зависимость отношения поглощенных токов че рез исследуемый образец и стандартный образец от из бытка напряжения для различных Z и углов выхода
от знания точных величин коэффициентов б) и точности экстраполяции, которая в свою очередь зависит от чис ла точек выбранного интервала ускоряющего напряже ния и точности его определения.
Предложенный метод можно использовать при ис следовании тонких пленок. Измерения отношения интен сивностей линии при различных ускоряющих напряже ниях позволяют определить не только состав, но и тол щину пленки [136].
При исследовании малых включений измерения при различных ускоряющих напряжениях позволяют экспе-
риментально оценить соотношение между размерами ре ального зонда и анализируемых частиц как на поверх ности объекта, так и в глубине.
Анализ экспериментальных данных показывает, что предложенный новый метод особенно эффективен для
исследования многокомпонентных |
систем, в |
которых |
надо определять элементы больших |
и средних |
атомных |
номеров, причем заранее состав этих образцов неизвестен. Также он достаточно эффективен и при определении ко личественного содержания легких элементов, особенно в тех случаях, когда для вычисления концентрации дру
гими методами |
используют |
параметры, |
определенные |
'с недостаточной |
точностью. |
Это относится |
прежде все |
го к значениям коэффициентов поглощения, скачкам по глощения. Вполне удовлетворительные результаты дает использование метода тонкого слоя [117] при введении
поправок в измеренные интенсивности |
на поглощение |
и атомный номер в случае больших ц.т |
и Я. Чем больше |
два последних параметра, тем меньшей толщины слой Д(рг), из которого может выйти и попасть на кристалл-
анализатор порожденное характеристическое |
излучение. |
|||||
Толщина |
этого слоя A(pz) будет |
обратно |
пропорцио |
|||
нальна величине |
%—|xm cosec 0, а |
порожденная интен |
||||
сивность |
прямо |
пропорциональна |
функции |
ионизации |
||
в поверхностном |
слое |
ф(0). |
Последняя определяется |
|||
эффективностью |
ионизации |
ретродиффундированными |
||||
(обратно рассеянными) |
электронами. |
|
||||
Таким образом, для тонкого слоя вместо |
выражения |
|||||
(86) можно написать: |
|
|
|
|
||
|
к |
А=с*ж.ц_, |
|
|
(115). |
Значения ф(0) и Ф(0)* можно определить из кривых 1&ф(Рг) —f(Pz) (см. рис. 67) или из опытных данных
'для энергетического распределения обратно рассеянных электронов. Дункамб рассчитал кривые для поверхно стей ионизации ф(0) в зависимости от Z для различных
значений перенапряжения U0. Эти результаты представ лены на рис. 79. Значения для Ф(0)* для образца с не которым Z получаются по одному из следующих отно шений:
2 = 2 а д ИЛИФ(0)* = 2 С , Ф ( 0 ) І . |
(116) |