мальный пробег соответствующих частиц. С целью повышения разрешения контактной авторадиографии предлагалось также использовать более мелкозернистые эмульсии и проявители. Пе речисленные улучшения методики позволили несколько повысить авторадиографическое разрешение и, кроме того, обеспечили возможность одновременного исследования авторадиограммы и микроструктуры в металлографическом микроскопе.
Для разработки метода, максимально использующего воз можности авторадиографического разрешения и свободного от неоправданных усложнений, надо выяснить, во-первых, какое разрешение может быть реализовано в идеальных условиях экс перимента, и, во-вторых, какие отклонения от идеальных усло вий могут быть допущены без существенного уменьшения разре шающей способности. Имеющиеся в литературе расчеты макси мального разрешения и чувствительности авторадиографии [415, 418] основаны на грубых приближениях (не учитывается наличие спектра p-излучения, рассеивания частиц в веществе и т. д.). По пытка более строгой оценки, основанной на минимуме допуще ний, была сделана С. С. Гинзбургом.
Автором получена формула, описывающая функцию рассея
ния точечного источника |
(распределение плотности почернения |
в авторадиографическом |
изображении) для авторадиографиче |
ских систем различной геометрии:
|
2я ^шах |
|
Р(х) = — |
j* |
I* |
| cos ф IА (£ Е*±1)е0 .ф dq> dEo, |
|
b |
b |
|
где P(X) — среднее значение функции рассеяния в малом интер |
вале расстояний |
(х — 6, х + 6) от источника; |
Е0— энергия р-частицы; |
А = |
Етпяу—— El) |
— спектральная плотность |
|
|
1—ехр
р-частиц с начальной энергией Е0 в излучении с макси мальной энергией £ тах;
Ф— угол испускания р-частиц относительно поверхности образца.
Величину (АЕ*±1)е0,ф — потери энергии р-частицей с началь
ной энергией Е0, испущенной под углом ф, определяли графо аналитически, используя параметрическое уравнение средней проекции траектории моноэнергетических частиц:
где < Ф > — средняя проекция пространственного угла рассея ния;
z — расстояние, отсчитываемое вдоль траектории. Максимальное авторадиографическое разрешение обеспечи
вают следующие условия:
1) эмульсия должна наноситься непосредственно на поверх ность образца без зазора;
2)толщина образца должна быть ничтожно мала, радиоак тивные атомы сгруппированы в точечные источники;
3)толщина эмульсионного слоя должна быть равна размеру
зерна |
галогенида серебра, т. е. для стандартных эмульсий |
~0,1 |
мкм [419]; |
4)в качестве радиоактивных следует использовать изотопы
сминимальной энергией излучения (водород Н3, никель Ni63);
5)активность образца и продолжительность экспозиции обес печивает выполнение закона взаимозаместимости Бунзена и Роско (поглощение эмульсионным слоем определенного количества энергии р-частиц дает один и тот же эффект независимо от плотности потока частиц). Плотность зерен эмульсии, несущих скрытое изображение, после экспозиции линейно зависит от плотности потерь энергии частицами; это справедливо для мяг кого излучения, малых активностей и небольших экспозиций.
Результаты расчетного определения общих потерь энергии и относительной плотности при условиях, сформулированных вы
ше, приведены на рис. 209 в виде кривых 1 и 2 соответственно. Для сравнения последней величины с результатами имеющихся расчетов приведены данные Каро [418] (кривая 3). Как видно из графика, относительная плотность убывает вдвое на расстоянии 0,015 мкм\ таким образом, максимальная разрешающая способ ность метода авторадиографии около 0,03 мкм и определяется лишь размером зерна применяемой эмульсии. Хотя при контакт
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ной |
авторадиографии |
в |
|
|
эмульсионном |
слое |
погло |
|
|
щается |
|
100% |
|
|
излучения |
|
II |
р-Н3, а в данных условиях— |
|
лишь |
15,7%, |
рассчитанная |
|
$» §Г |
схема |
обеспечивает |
и боль |
|
$ Q |
шую чувствительность. Чув |
|
Ц |
ствительность |
— |
величина, |
|
обратная числу р-распадов, |
|
fi |
обусловливающих |
заданную |
|
|
плотность |
|
проявленных |
зе |
|
|
рен. Разрешение |
рассматри |
|
|
ваемой схемы выше на два |
~ опо |
г, |
порядка, чем при контактной |
авторадиографии, а доля ис- |
Рис. 209. Относительная плотность почернения |
г |
|
/ |
~ |
|
’ |
|
рЗСПЗ- |
н потерн энергии ^-частицами в авторадиогра- |
ПОЛЬЗуеМОЙ |
ЭНерГИИ |
фическом |
изображении точечного источника |
н и ж р |
ПРАГП |
„ „ |
n p n 0 n ni/ |
р-Н3 при идеальных условиях экспозиции |
ДСВ НИЖе |
ВСегО |
НЗ |
ПОрЯДОК, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
поэтому для создания той |
|
|
|
|
|
|
|
|
же плотности зерен в кру |
|
|
|
|
|
|
|
|
ге, |
диаметр которого |
ра |
|
|
|
|
|
|
|
|
вен |
разрешению, требует |
|
|
|
|
|
|
|
|
ся |
значительно |
меньшая |
|
|
|
|
|
|
|
|
экспозиция. |
влияния |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
учета |
|
|
|
|
|
|
|
|
воздушного зазора h меж |
|
|
|
|
|
|
|
|
ду эмульсией и образцом |
|
|
|
|
|
|
|
|
был проведен расчет отно |
|
|
|
|
|
|
|
|
сительной |
плотности |
для |
о |
|
0,1 |
o,z |
о,з |
ор |
|
|
тех случаев, когда величи |
Расстояние от источникар-Н3, пкн |
|
|
ны зазора |
составляют 0,1 |
Рис. 210. Относительная плотность почернения |
|
и 0,2 мкм. Константа рас |
|
(сплошная кривая) и потери энергии Р-части- |
|
сеяния р-частиц воздуха в |
цами |
в |
авторадиографическом изображении |
|
точечного источника Р-Н3 при наличии рассеи |
|
2600 раз |
меньше, |
чем |
вающей |
прослойки толщиной |
0.1 мкм между |
|
эмульсии, поэтому рассея- |
|
|
|
|
источником и эмульсией. |
|
ние в воздухе будет несущественно и им можно пренебречь. |
|
|
|
Результаты расчета показывают, что при наличии воздушно |
|
го зазора |
разрешение |
составляет |
2,04Л3, а без учета рассеяния |
|
в эмульсии 2Л3 |
Отсюда следует вывод, что при контактной |
ав |
|
торадиографии |
невозможно |
получить разрешение |
лучше, чем |
|
удвоенная |
величина |
воздушного |
зазора |
между образцом |
и |
|
эмульсией. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Представляет интерес оценка влияния рассеивающей среды |
|
между |
образцом и эмульсией: на |
практике |
часто |
приходится |
изолировать образец от эмульсии, чтобы избежать их взаимо действия. Для простоты был рассмотрен случай, когда проме жуточная среда толщиной 0,1 мкм обладает той же константой рассеяния, что и эмульсия. Расчетное распределение общих по терь и относительной плотности приведено на рис. 210; автора диографическое разрешение в этом случае составляет 0,04 мкм, т. е. достаточно велико. Потери энергии р-частиц в эмульсион ном слое снижаются до 5,3%, т. е. втрое по сравнению с опти мальными условиями; соответственно уменьшается чувствитель ность. Значит, введение рассеивающей среды небольшой толщи ны между эмульсией и образцом снижает чувствительность, почти не меняя разрешения. Однако при значительном увеличе нии толщины или уменьшении константы рассеяния разрешение может существенно ухудшиться.
Уменьшение толщины образца от бесконечности до нуля лишь незначительно повышает авторадиографическое разрешение ис точников, активизированных изотопом с мягким р-излучением. Для небольшого выигрыша в разрешении толщину образца не обходимо снизить до сотых долей микрона (до сотых долей мак симального пробега соответствующего p-излучения в данном материале); это явно нецелесообразно, так как из практики про свечивающей электронной микроскопии хорошо известно, на
сколько сложно методически осуществить такое утонение рав номерно.
При реализации условий, близких к оптимальным, включая применение монослоя эмульсионных кристаллов, авторадиогра фическое разрешение определяется лишь величиной зерна эмуль сии. Наиболее мелкозернистые ядерные эмульсии имеют зерна менее 0,1 мкм. Однако, как правило, эти эмульсии обладают специфическими недостатками: низкой чувствительностью, неод нородностью, значительной вуалью.
При контактной авторадиографии, для которой разрешающая способность на два порядка больше размера зерна стандартных, эмульсий, целесообразно использовать эмульсии с более круп ным зерном, чем у применяемых в настоящее время. Такая за мена позволила бы сильно уменьшить продолжительность экспо зиции, не снижая разрешения.
Существует два основных механизма проявления — химиче ское и физическое. Химический проявитель восстанавливает ионы серебра эмульсионных кристаллов, несущих скрытое изо бражение. Образуется фибрилярный кристалл обычно с разме ром в 2—2,5 раза больше, чем исходное зерно. Концентрация проявителя определяет толщину нитей проявленных фибрилярных кристаллов серебра [419] и слабо влияет на размер прояв ленных кристаллов. При физическом проявлении серебро из пересыщенного раствора высаживается на зернах эмульсии, не сущих скрытое изображение. При этом образуются компактные кристаллы серебра, их размеры легко контролируются продол жительностью проявления и обычно не превосходят размеров исходного зерна эмульсии. Физическое проявление можно про водить до и после фиксирования.
Таким образом, если все остальные условия обеспечивают максимальное разрешение, физическое проявление легко позво ляет достигнуть разрешающей способности порядка размера зерна эмульсии, а химическое — не лучше 0,2—0,3 мкм. При контактной авторадиографии выбор проявителя несуществен.
Метод электронномикроскопической авторадиографии
Из предыдущего раздела следует, что при исключении воз душного зазора между эмульсией и образцом и утонении слоя эмульсии до 0,1—0,2 мкм можно достичь авторадиографического разрешения, лимитируемого лишь величиной зерна эмульсии, условиями экспозиции и фотопроцесса. Разрешение остается вы соким даже при наличии тонкой рассеивающей пленки между эмульсией и образцом. Полученное разрешение может быть пол ностью реализовано лишь при увеличениях 1500—2000 и более, что соответствует предельному полезному увеличению светового микроскопа. Кроме этого, если эмульсионный слой копирует рельеф образца, глубина резкости светового микроскопа недо-
•статочна для исследования значительного поля авторадиограм мы. Наконец, при увеличениях ~2000 очень трудно найти место образца, соответствующее данному участку авторадиограммы.
Весьма заманчиво получить авторадиографический препарат, который одновременно характеризовал бы и структуру образца, и, кроме того, был пригоден для просмотра в электронном ми кроскопе. Способ получения такого препарата (назовем его ав торадиограммой— репликой) должен обеспечивать сохранность поверхности металлического образца и возможность ее повтор ного исследования. Необходимо также обеспечить возможность предварительного просмотра препарата, совмещенного со шли фом в отраженном свете и отделенного препарата в проходящем свете. Указанный способ должен быть универсальным и по воз можности простым. Всем перечисленным требованиям удовлетво ряет следующая предложенная нами схема метода [420—422].
На протравленную и обезжиренную поверхность образца, со держащего радиоактивный изотоп, в установке для напыления наносится угольный слой. Образец с нанесенным слоем погру жается в расплавленную и разбавленную ядерную эмульсию и сушится при комнатной температуре. После экспозиции в усло виях пониженной температуры и влажности эмульсионный слой проявляют и фиксируют непосредственно на образце. В резуль тате экспозиции и фотопроцесса на поверхности образца обра зуется авторадиограмма — реплика; это препарат, состоящий из проявленных зерен эмульсии, расположенных в тех местах уголь ного слоя, которым в структуре образца соответствуют атомы радиоактивного изотопа. Авторадиограмма — реплика отделяет ся при помощи желатины и переносится на сеточку для просмот ра в электронном микроскопе.
Похожая схема метода электронномикроскопической автора диографии была независимо предложена в работе [423]. Однако она пригодна лишь для некоторых металлических материалов, разрешение ее ниже, а выбранный режим проявления не обеспе чивает стойкости авторадиограммы под электронным лучом.
Настоящая схема метода электронномикроскопической авторадиографии применима для всех материалов. Ее разреше ние и чувствительность на 1—2 порядка выше, чем контактной авторадиографии. Техника метода принципиально проста, ре зультаты вполне воспроизводимы. Метод электронномикроскопи ческой авторадиографии позволяет видеть в электронном микро скопе авторадиограмму, совмещенную с угольной репликой и, таким образом, определять локализацию радиоактивного эле мента в тонкой структуре исследуемого объекта. Метод элек тронномикроскопической авторадиографии позволяет и количе ственно оценить распределение меченых атомов в структуре: для этого надо определить плотность кристаллов проявленного се ребра в соответствующих участках авторадиограммы реплики (аналогично измерению плотности почернения при фотометри-
ровании контактных авторадиограмм) [418]. Благодаря возмож ности одновременного исследования химической и структурной топографии с помощью этого метода удалось получить новые данные о связи химической и структурной неоднородности в металлических сплавах.
Исследование распределения примесей внедрения (водорода и углерода) в металлах методом электронномикроскопической авторадиографии
Распределение водорода
Изучение локализации водорода в металлических структурах
представляет |
интерес по ряду причин. Во-первых, водо |
род — почти |
неизбежная примесь любого металла; во-вторых, |
отрицательное воздействие водорода проявляется при всех тем пературах обработки металлов и охватывает широкий диапазон
явлений от пористости |
отливок |
до |
водородной |
хрупкости; |
в третьих, влияние водорода очень |
специфично и вместе с тем |
весьма существенно. |
|
|
|
водорода |
FP |
Исследование распределения радиоактивного |
методически удобно, так |
как это |
наиболее мягкий (3-изотоп |
и, |
следовательно, авторадиографическое |
размытие |
минимально; |
кроме того, вследствие высокой подвижности атомов (ионов) |
во |
дорода наблюдаемое распределение почти не зависит от способа введения водорода.
Довольно подробный обзор данных о связи водорода с несо вершенствами кристаллического строения металлов имеется в работе [424]. Здесь отметим только, что к настоящему времени рассмотрены практически все возможные механизмы взаимодей ствия водорода с дислокациями — образование атмосфер Сноека, Коттрелла и Судзуки, изучены деформационное старение и возврат пика текучести в водородсодержащих сплавах. Тем не менее.некоторые авторы сомневаются даже в принципиальной возможности такого взаимодействия.
С помощью метода электронномикроскопической авторадио графии исследовалось распределение водорода в зависимости от ряда факторов [170].
Р а с п р е д е л е н и е в о д о р о д а в о д н о ф а з н ы х с т р у к т у р а х
Никель является металлом, легко абсорбирующим водород и не образующим стабильных гидридов. Если водород не связан с дислокациями и способен к легкой диффузии, то большая рас творимость, по мнению авторов работы [425], создает избыток водорода. Это должно привести к равномерному его распреде лению в объеме зерна. Однако водород, как показали исследо
