книги из ГПНТБ / Локальные методы анализа материалов

производить тонкое перемещение электрододержателей, грубое и тонкое движение предметного столика.

Осветительное устройство может переключаться по выбору либо на отраженный, либо на проходящий свет.

Помимо устройств для наблюдения, предусмотрены также устройства для микрофотосъемки, для проектиро­ вания на щель спектрографа и для юстировки лазера ме­ тодом автоколлимации.

Искровой промежуток, в котором производится воз­ буждение, находится между объектом и микрообъекти­ вом. Поэтому необходимы объективы с большими ра­ бочими расстояниями. Зеркальный объектив имеет фо­ кальное расстояние 15,7 мм. Различная комбинация оку­ ляров и микрообъективов позволяет получить увеличения от 50 до 500 крат.

После соответствующей градуировки измерительной пластинки с перекрестием, находящейся в окуляре, мо­ жно определять диаметр кратера, полученного в резуль­ тате воздействия на образец лазерного луча.

Для обеспечения безопасности средняя часть микро­

той от самопроизвольного поджнга лампы при откры­ той головке лазера, при юстировке резонатора и в ре­ жиме визуального наблюдения препарата.

В СССР также создана аналогичная установка типа МСЛ-2. В 1970 г. начат ее серийный выпуск. В моногра­ фии [39] дано подробное ее описание. Дополнительные сведения по лазерному спектральному микроанализу можно найти в работах [48—51]. В отличие от других

Лазерный локальный микроанализ

сразделением операций отбора микропроб

иих анализа

Метод нанесения анализируемого вещества на кон­ чик электрода [39] повышает абсолютную чувствитель­ ность до Ю - 1 0 и даже Ю - 1 1 г.

При лазерном микроанализе в ряде случаев целесо­ образно отделить процесс отбора материала микропробы от его возбуждения и регистрации спектра. Возможность острой фокусировки излучения ОКГ на малой площади (до 3—5 мкм) используют для предварительного отбо­ ра пробы на какую-либо промежуточную основу. Пере­ нос вещества пробы на основу может быть осуществлен многократно для того, чтобы количество перенесенного вещества превысило предел абсолютной чувствительно­ сти спектрального анализа.

Основу с нанесенным на нее веществом подвергают спектральному анализу, условия проведения которого должны быть тщательно продуманы. Особенно важен правильный выбор условий возбуждения вещества про­ бы в разряде.

В результате проведенных исследований была раз­ работана методика, которая предусматривает раздель­ ное проведение операций по отбору пробы с помощью оптического квантового генератора и ее спектральному анализу [41].

Ниже приведено описание методики локального мик­ роанализа магниевого чугуна (3,07% С; 2,42% Si; 0,74% Mrr; 0,02% S; 0,13% Р; 0,045% Mg) па микронеоднород­ ность распределения кремния.

Пробы отбирали следующим образом. На микро­ шлиф накладывали прозрачную лавсановую пленку размером 2—3 мм2 и толщиной 15 мкм. Объектив мик­ роскопа МБР-1 фокусировали на выбранную зону мик­

прозрачная лавсановая пленка не разрушалась, а лишь напылялась снизу продуктами выноса из зоны кратера, размер которого в этом случае составлял 20 мкм (диа-

было недостаточно для проведения стандартного спект­ рального анализа, то на одну пленку наносили последо­ вательно 10 микропроб, взятых при помощи 10 импуль­ сов ОКГ в 10 однотипных микрообластях шлифа. При повышении локальности (уменьшении диаметра кратера до 10 мкм и менее) количество импульсов излучения ОКГ, обеспечивающих отбор необходимого количества вещества пробы, следует увеличивать.

Нанесенное на пленку вещество пробы подвергали спектральному анализу с возбуждением в разряде от генератора ДГ-1, работающего в дуговом режиме. Плен­ ку с пробой помещали в кратер угольного электрода1 и сжигали при силе тока 3 а и межэлектродном проме­ жутке 2 мм. Противоэлектродом служил угольный стер­ жень, заточенный на усеченный конус. Предварительно электроды в течение 2 мин подвергали обжигу в дуге при силе тока 12 а. Съемку спектра выполняли на спек­ трографе ИСП-22 без конденсорной линзы (но с антивиньетирующей линзой на щели спектрографа) при рас­ стоянии от разряда до щели 120 мм. Ширина щели спектрографа 15 мкм. Длительность экспозиции опреде­ лялась временем полного сгорания пробы и составляла 20 сек. Спектры регистрировали на пластинках типа I I чувствительностью 16 ед. ГОСТ.

Определение содержания кремния в различных зо­ нах микрошлифа проводили методом трех эталонов. Для построения градуировочного графика использовали комплект эталонов № 26, выпускаемый ВНИИСО (чу­ гун, обработанный магнием). Содержание кремния в образцах этого комплекта меняется в пределах 0,78—2,64%.

казало удовлетворительную воспроизводимость получай' мых результатов.

Результаты анализа позволили подтвердить наличие значительной мнкронеоднородиости в распределении кремния. Так, содержание кремния в отдельных микро­ участках исследуемого чугуна составляет 3,6—3,9%. тогда как в других микроучастках содержание кремния не превышает 1,6%. Полученные данные находятся

вудовлетворительном соответствии с результатами

локального рентгеноспектрального анализа этого чугу­ на, проведенного на микрозоиде MS-46 фирмы «Камека» [52].

Рис. 30. Градуировочиьіі'і график для аналитичес­ кой пары липни

Разработанная методика может быть с успехом при­ менена и в ряде других случаев. Так, при использова­ нии техники активацнонного анализа локальность отбо­ ра проб может быть доведена до нескольких микрон (до 2,5 мкм на установке К-ЗМ), а число проб, нанесен­ ных на пленку, — до одной.

Это позволит получать не усредненный химический состав однотипных структурных составляющих или микрозон изучаемых металлов или неметаллических мате­ риалов, а конкретные данные о локальном составе из­ бранного под микроскопом микроучастка.

Преимуществом описанной методики следует счи­ тать также возможность отбора проб при помощи не-

лей, так как не требует использования сложных специ­ ализированных установок.

В работе [70] описана конструкция лазерной при­ ставки к металломикроскопу МИМ-6 или МИМ-7 для от­ бора микропробы на прозрачную пленку.

Г л а в а З

Анализ испаренной лазером микропробы по масс-спектрам

Образовавшиеся в вакууме при взаимодействии сфо­ кусированного лазерного луча с твердой непрозрачной мишенью атомы или ионы могут характеризовать хими­ ческий состав облученной зоны. Для их регистрации и последующего определения состава испаренного мик­ рообъема применяют быстродействующие динамические масс-спектрометры. Нейтральные атомы дополнительно ионизируются электронным лучом, а ионы, полученные, например, при помощи гигантского импульса, разделя­ ясь по массам, непосредственно регистрируются кол­ лектором.

Масс-спектрометры с лазерными источниками нагрева

Разделение ионов по времени пролета

Масс-спектрометром с лазерным источником нагрева будем называть такой прибор, в котором лазер, рабо­

ного масс-спектрометра с разделением масс по времени пролета (рис. 31).

Оператор при помощи окуляра, осветительной си­ стемы и фокусирующей оптики, входящих в лазерный микроскоп, а также микрометрического винта, соеди­ ненного с предметным столиком, выбирает на поверхно­ сти образца необходимую зону для исследования. За­ тем включают блок питания лазера. Расположенные в блоке питания высоковольтные конденсаторы емкостью до тысячи микрофарад заряжаются через повышающий трансформатор и выпрямитель до 1—1,5 кв.

Энергия конденсатора, определяющаяся емкостью конденсатора и напряжением на обкладках, выделяется на лампе и сопровождается мощным импульсом излуче­ ния. Кристалл рубина диаметром 7 и длиной 12 мм, об-

лученный импульсной лампой ИСТП-6000, генерирует на длине волны 0,694 мкм в режиме свободной генерации. Излучение, отражаясь от полупрозрачного зеркала, фо­ кусируется на образце, находящемся в вакуумной изме­ рительной камере масс-спектрометра.

Испаренная лучом лазера мпкропроба разлетается по объему вакуумно-измерительиой камеры за доли

Л — фокусирующая оптика; 12 — лазерный микроскоп; 13 — микрометрический

миллисекунд. Следовательно, за этот краткий промежу­ ток времени необходимо ионизировать нейтральные ато­ мы, находящиеся в парах пробы, и разделить их по мас­ сам.

Для этого образец располагают между двумя элек­

пульса положительной полярности от генератора попа­ дают в пространство I I — I I I .

В пространстве под действием поля Е\ ионы приоб­ ретают заметную скорость (Е^Е), с которой поступа­ ют в экранированное от воздействия внешних электри­

Разделение ионов в поле квадрупольного анализатора

Наиболее перспективным для лазерной масс-спектро- метрии является метод разделения ионов квадрупольным масс-анализатором (фильтр масс). Селекция ионов в широком диапазоне скоростей не зависит от угла вхо­ да, удаления частицы от оси пространства разделения и от разброса ионов по энергиям. Это выгодно отличает

ких или динамических масс-спектрометров не использу­ ются такие параметры ионов, как энергия, импульс или скорость.

В этом анализаторе селекция ионов по массам про­ изводится в зависимости от ускорения, полученного в электрическом гиперболическом поле квадрупольного конденсатора.

В работе [63] этот способ селекции использовали для определения газовой составляющей, полученной при

Луч лазера, нагревая образец, в режиме свободной генерации испаряет необходимый микрообъем. При по­ мощи катода с фокусирующей оптикой электронный луч ионизирует нейтральную составляющую парового обла­ ка, и ионы устремляются через входную диаграмму в пространство между стержнями. Для того чтобы иони­ зированные частицы все время двигались между стерж­ нями вдоль оси к коллектору ионов, необходимо, чтобы на них действовала сила, возвращающаяся к оси.

Подобную возвращающуюся силу мы получим, если напряженность поля, создаваемая стержнями, является функцией квадрата расстояния от оси.

Такое поле можно создать при помощи шести гипер­ болических цилиндров, образуемых тремя гиперболами, оси которых пересекаются под углом 60° к оси, совпа­ дающей с направлением пучка частиц. Однако изготов­ ление стержней гиперболического сечения является сложной технологической задачей. Математические рас-