Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Локальные методы анализа материалов

..pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
13.21 Mб
Скачать

лучены 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+

— .

 

• Следовательно, сравнивая

со стандартом,

опре­

-\-1ф.п.сА

делим СА И вместо СА

запишем:

 

 

 

 

С'л=

/

, Д

л

;

( Ш 5 )

 

 

 

эА

'

ф.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\

— 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)(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

 

 

 

 

р

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

для

линии:

 

 

 

 

 

а — Сг/С„

в

сплаве N1 — Сг,

угол

выхо-

 

 

 

 

 

да излучения

4 5 ° ( / ) ,

18° (2),

(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*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)

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ