книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения

На экране электронно-лучевой трубки сигнал регулируется относительно нулевого уровня. При его увеличении возрастает не только контраст, но и уровень шума. Шумы уменьшают регулировкой яркости и снижением уровня черного, что в целом улучшает качество изображения. Одним из наибо­ лее интересных приложений этого метода является возможность наблюдения «внутренних» поверх­ ностей затемненных пор и полостей. Если выход­

ной сигнал изменяется по закону Es = k E l, то пу­

тем вариации величины показателя степени v (v = 1,2, 3 или 4) можно увеличить контраст меж­ ду деталями изображения только в светлых или только темных участках.

Другой способ использования изменений сиг­ нала, несущего информацию об изображении, со­ стоит в его дифференцировании электронными методами и использовании этой дифференциро­ ванной интенсивности для модуляции сигнала в электронно-лучевой трубке (рис. 3.2.18, 3.2.19). При этом получаемое изображение не может быть интерпретировано напрямую, однако может быть соединено с обычным изображением (в различных «пропорциях») с целью акцентирования слабых изменений контраста по отношению к более силь­ ным. Острота дифференцированных «пиков» и линий увеличивается, и слабые изменения микро­ структуры становятся видимыми (рис. 3.2.19).

В электронном растровом микроскопе стан­ дартное изображение формируется в результате модуляции интенсивности опорного сигнала (в электронно-лучевой трубке) посредством сигнала,

несущего информацию от детектора (так называе­ мая Z-модуляция). Если У-составляющие сканиро­ вания и движения луча по экрану рассогласованы, то на изображении монитора получится линия, яркость которой будет изменяться от точки к точ­ ке. Блокированный сигнал изображения может быть представлен на дисплее, если его подать на У-отклоняющие катушки только электронно-луче­ вой трубки. Тогда на экране возникнет профиль интенсивности, ноль которого будет совпадать с выбранной линией. Этот прием преобразования сигнала позволяет получать профили интенсивно­ стей от совокупности У-составляющих сканирова­ ния, что придает изображению поверхности вид псевдотрехмерного представления (рис. 3.2.20).

Полученный профиль может сопоставляться с рельефом образца только в тех случаях, когда ва­ риации яркости, представляемые этим профилем, сами соответствуют топографическим особенно­ стям исследуемой поверхности. Это выполняется не всегда, поскольку между локальным строением поверхности и током вторичных электронов суще­ ствует сложная нелинейная зависимость. Сама У-модуляция также зависит от ряда факторов, та­ ких как химический состав пробы и состояние ее поверхности.

Дополнительная информация может быть по­ лучена при комбинации выходных сигналов от нескольких детекторов или выводе на дисплей (ЭЛТ) только линий с одинаковой интенсивностью для градации сигнала на дискретные уровни ин­ тенсивности (рис. 3.2.21).

Существуют и другие, более прецизионные ме­ тоды обработки сигналов. Конструкции растровых электронных микроскопов постоянно совершенст­ вуются по мере развития компьютерных средств и программного обеспечения обработки видеосиг­ налов изображения.

Среди многочисленных возможностей РЭМ, которые могут быть реализованы с помощью вы­ числительной техники, важное место занимает метод количественного определения высоты рель­ ефа на поверхности образца с помощью стерео­ графических пар. Метод состоит в наблюдении и документации участка поверхности пробы под двумя различными углами зрения с последующей количественной интерпретацией конечных изме­ нений видимых геометрических параметров. Раз­ ница в высоте расположения h двух точек А и В может быть определена из разницы расстояний между этими точками (или параллакса р), изме­ ренных при двух различных положениях данного участка объекта относительно первичного пучка, иными словами, измеренных на двух стереографи­ ческих снимках. Необходимые расчеты базируются на геометрических соотношениях, и для их прове­ дения необходимо соблюдать определенное про­ екционное взаиморасположение объекта и первич­ ного пучка. Выбор проекционной системы зависит от используемого увеличения.

Реально РЭМ создает центральную проекцию, в которой точка сканирования (точка отклонения первичного луча катушки сканирующей системы) является центром перспективы. При больших уве­ личениях протяженность области сканирования пренебрежимо мала по сравнению с расстоянием до центра перспективы. В этих условиях целесо­ образно использовать прибор для получения не центральной, а параллельной проекции. Пара сте­ реографических изображений может быть получе­ на либо перемещением образца перпендикулярно оптической оси, либо его наклоном. В последнем случае наклоненный образец можно дополнитель­ но сдвинуть так, чтобы одна из точек анализируе­ мой поверхности по местоположению совпадала со своей позицией на первом изображении.

Дальнейший расчет зависит от выбранного увеличения. Для получения приемлемой величины параллакса необходимо целенаправленно изменять угол зрения между двумя выбранными точками на исследуемой поверхности. Для увеличений < х50

исследуемая площадь достаточно велика, и оба вышеупомянутых условия (изменения параллакса и угла зрения между точками А и В) могут быть вы­ полнены простым смещением образца (рис. 3.2.22).

В этом случае высота h определяется из выраже­

ния: h = , где t — величина сдвига, D\ — рас­

стояние между объектом и центром перспективы. В случае больших увеличений наблюдаемая

поверхность слишком мала для получения прием­ лемой величины параллакса простым смещением образца. В этих случаях применяется его наклон. При увеличениях > х500, помимо наклона, необ­ ходим также и определенный сдвиг, чтобы вер­ нуть выбранные точки в поле зрения.

Если поверхность образца лежит в плоскости, содержащей ось наклона (рис. 3.2.23), а — угол наклона, М — увеличение, Di — расстояние от центра перспективы до оси наклона, то высота h определяется из следующего выражения:

д4J (MD2)2 [дг, cosа - хг]- MD2xxx2sin а

\(MD2) +х,х2 sina + MD2(x,-x2)cosa

Для увеличений >х1000 прибор целесообраз­ нее использовать для создания параллельной про­ екции. В этом случае вычисления существенно упрощаются, если принять плоскость, параллель­ ную плоскости изображения (фотографии), за плоскость проекции (рис. 3.2.23). Тогда высота h измеряется по перпендикуляру к этой плоскости:

ь *, х2 cosa(s,-x,)

Рис. 3.2.22. Получение стереопары при малых

увеличениях методом смещения образца

Рис. 3.2.23. Получение стереопары

методом наклона образца:

а—при малых увеличениях; б— при больших увеличениях

Применение персональных компьютеров, ос­ нащенных специализированными программами обработки изображений, так же как и в световой микроскопии, позволило превратить растровый электронный микроскоп в высокоэффективный аналитический прибор. При наличии компьютера интенсивность сигнала вдоль каждой линии ска­ нирования подается непосредственно в анализатор изображения. В качестве примера на рис. 3.2.24 приведена блок-схема одного из современных элек­ тронных растровых микроскопов типа DSM 950.

Важным параметром электронных растровых микроскопов является объем рабочей камеры об­ разцов. В современных моделях, оснащенных вы­ сокоэффективными системами откачки, размеры камер достигают 300 х 300 х 300 мм. Это дает возможность размещать не только многопозици­ онные держатели образцов, но и элементы высо­ коточной механики для передвижения пробы по всем трем осям, вращения и наклонов по отноше­

нию к электронному зонду, а также уникальные приспособления для проведения экспериментов в режиме реального времени (in situ) с осуществле­ нием нагрева, охлаждения, механического или другого воздействия.

Изучение переходных и динамических процес­ сов, а также объективная интерпретация наблюде­ ний требуют регистрации изображений по ходу исследования, для чего используются как цифровая видеокамера, так и видеозапись. Зарегистрирован­ ное изображение подается на промежуточный или дополнительный монитор с ЭЛТ (рис. 3.2.25, в).

Растровый электронный микроскоп может быть снабжен набором держателей образцов в виде спе­ циализированных приставок для проведения ком­ плексного исследования динамических процессов и превращений в материале, включая наблюдения в режиме реального времени. К наиболее доступ­ ным приспособлениям такого типа можно отнести следующие приставки:

•одновременного перемещения, вращения и наклонов образца;

•нагрева и охлаждения;

•создания в образце механических напряжений.

Рис. 3.2.24. Блок-схема электроники в микроскопе DSM 950:

1— блок излучающего катода;

2 — линзы, формирующие растр; 3— растр;

4— электронный контроль оптической системы и канала детектора; 5 — канал детектора;

6 — монитор оператора; 7 — фотоустройство;

8 — блок устройств для преобразования сигнала;

9— автоматизированное управление;

10— видеоподключение; 11 — выбор режимов работы;

12 — накопитель изображений (2 Мбит);

13— обработка изображений; 14— манипулятор для перемещения образца; 15— вакуумный контроль

применяемую при изготовлении шлифов, заменя­ ют электролитической, чтобы устранить искажен­ ный поверхностный слой металла.

Эффективность применения растрового элек­ тронного микроскопа существенно возрастает, если он оснащается дополнительной системой для обнаружения и анализа спектра рентгеновских лу­ чей. В этом случае с его помощью реализуется рентгеноспектральный метод исследования метал­ лов и сплавов.

Литература

1.Микроанализ и растровая электронная микро­ скопия / Под ред. Ф. Морис, Л. Мени, Р. Тиксье. М.: Металлургия, 1985. 392 с.

2.Практическая растровая электронная микро­ скопия / Под ред. Дж. Гоулдстейна, X. Яковица. М.: Мир, 1978. 656 с.

3.2.4. Химический анализ образцов

спомощью растровых электронных микроскопов

В настоящее время растровые электронные микроскопы все шире комплектуются рентгенов­ скими спектрометрами. Целесообразность подоб­ ного комбинирования приборов заключается не только в расширении возможностей РЭМ, благо­ даря чему оказывается возможным получать дан­

ные о химическом составе наблюдаемой поверх­ ности, но и в повышении разрешающей способно­ сти собственно химического анализа по поверх­ ности по сравнению с обычными микрозондами.

В растровом электронном микроскопе поверх­ ность пробы с достаточно четко выраженным рельефом может наблюдаться с удовлетворитель­ ным качеством в условиях, когда контраст созда­ ется при детектировании вторичных электронов. В этом случае первичный пучок остро сфокусиро­ ван до диаметра в 10-15 нм, а разрешающая спо­ собность очень высока. Однако при этом ток элек­ тронов в первичном пучке очень мал. Например, для вольфрамового катода сила тока ~1СГ9 А, что не может вызвать эмиссии рентгеновских лучей достаточной интенсивности, т. е. аналитическая чувствительность прибора в таких условиях работы меньше, чем обычных микрозондов. В электрон­ ном микроскопе с рентгеновским микроанализа­ тором химический анализ осуществляется путем измерения энергии и интенсивности рентгеновско­ го излучения, которое генерируется в образце (пробе) сфокусированным электронным пучком. Метод, получивший название рентгеноспектраль­ ного, позволяет определить, какие химические элементы и в каком количестве присутствуют в поверхностном слое образца, а также наглядно представить картину их распределения (табл. 3.2.4.1).

З.2.4.1. Общие сведения о спектрометрах на базе РЭМ

В методе рентгеноспектрального анализа ос­ новным источником информации является харак­ теристическое рентгеновское излучение. Толщина анализируемого слоя около 1 мкм. Анализ рентге­ новского излучения, эмиттированного образцом, производится с помощью спектрометров, снаб­ женных диспергирующими кристаллами и детек­ торами, расположенными вокруг колонны, внутри которой находится электронная оптика. В наибо­ лее общей конструкторской схеме рентгеновский микроанализатор (микрозонд) состоит из следую­ щих основных частей (рис. 3.2.26 а, 3.2.26 б):

•узла электронной оптики, обеспечивающей как формирование требуемого исходного пучка (зонда), так и фокусировку эмиттированного об­ разцом рентгеновского излучения необходимой интенсивности;

•набора кристаллов-спектрометров, перекры­ вающих диапазон длин волн от 0,09 до 5 нм;

•оптического микроскопа, необходимого для локализации и идентификации анализируемого участка;

•электронных блоков для регистрации и обра­ ботки сигналов от детекторов, выполнения расчет­ ных процедур, а также контрольно-управленче­ ских функций. Они могут быть объединены с ПК;

• механических манипуляторов для перемеще­ ния образца под зондом, а также его оперативной

замены другими образцами;

• откачивающей системы, способной создавать высокий вакуум, и устройства, предохраняющего образец от загрязнения. В качестве такого предо­ хранительного узла используется ловушка паров, которая охлаждается жидким азотом и размещает­ ся в непосредственной близости к образцу.

Создание высокого вакуума особенно важно при анализе легких элементов, поскольку послед­ ние испускают рентгеновские кванты малой энер­ гии, которые при движении в воздухе на расстоя­ нии нескольких сантиметров могут быть полно­ стью поглощены.

К основным частям могут быть добавлены пе­ риферийные устройства различного назначения: принтеры, сканеры, дополнительные дисплеи и пр. Они расширяют оперативные возможности прибо­ ра и создают удобства при работе с приборным комплексом.

Электронный пучок (зонд) продуцируется вольфрамовой нитью накала (катодом) и фокуси­ руется магнитными линзами на поверхность ис­ следуемого образца. Конструкция объективных линз такова, что точка их фокуса лежит за преде­ лами создаваемого ими магнитного поля. Кроме того, расстояние между фокусом и полюсным на­ конечником должно быть достаточным, чтобы рентгеновский пучок, покидая поверхность образ­ ца, не искажался.

В фокальной плоскости системы линз зонд по­ крывает площадь поверхности образца около 1мкм2 При помощи электронных или механических уст­ ройств можно проводить сканирование выбранно­ го небольшого участка на поверхности образца.

Ускоряющее напряжение электронного пучка может подстраиваться под анализируемый эле­ мент или даже под конкретную линию характери­ стического рентгеновского спектра, излучение ко­ торой необходимо возбудить. На практике обычно используются такие ускоряющие напряжения, ве­ личина которых превосходит потенциал возбуж­ дения выбранной рентгеновской линии в 2-3 раза.

Для обнаружения и анализа характеристическо­ го рентгеновского излучения применяют две де­ текторные системы: дифракционно-дисперсион­

ную и энергодисперсионную (рис. 3.2.27). При наличии указанных детектирующих устройств растровый электронный микроскоп преобразуется в рентгеноспектральный микроанализатор.

Дифракционно-дисперсионные системы осно­ ваны на использовании явления дифракции рент­ геновского излучения на плоскостях кристалличе­ ской решетки. Согласно уравнению Вульфа __ Брэгга:

2(7sin0 = пХ,

где п — номер гармоники или порядок дифракции; X — длина волны, попадающей на кристалличе­ скую решетку с межплоскостным расстоянием d (рис. 3.2.28), излучение способно к дифракции только при строго определенном угле 0.

Используя кристалл с достаточно совершенной решеткой (кристалл-анализатор) с заранее извест­ ным межплоскостным расстоянием, путем изме­ рения угла дифракции можно получить информа­ цию о длине волны. Дифрагированное излучение улавливается газонаполненными или сцинцилляционными детекторами.

Если микроскоп укомплектован диспергирую­ щими кристаллами, то необходимо предпринимать специальные меры по усилению энергии, подво­ димой первичным пучком. Например, потенциал возбуждения конденсорной линзы уменьшают для получения менее сфокусированного первичного пучка. Тогда ток зонда возрастает до КГ8 А, что вполне достаточно для проведения микроанализа на хорошем уровне.

Однако такой режим работы не оптимален для получения изображения поверхности во вторич­ ных электронах вследствие потери разрешающей способности из-за расширения первичного пучка и чрезмерного возрастания интенсивности SE-элек­ тронов, поэтому наблюдения поверхности прово­ дят с помощью ^-электронов. Более того, по­ скольку сканирование осуществляется, как правило, электронными средствами, при малом увеличении изображение распределения элементов в лучах характеристического спектра, полученное с помо­ щью кристалла-анализатора, содержит искажения из-за того, что некоторые области на поверхности образца оказываются не в фокусе.

Возможности перемещения кристаллов-анали­ заторов (монохроматоров) конструктивно ограни­ ченны. Поэтому для выполнения брэгговского за­ кона отражения (Хп = 2Jsin0) в широком диапазо­ не длин волн используется несколько дисперги­ рующих кристаллов (табл. 3.2.4.2). Появление синтетических кристаллов с очень большими межплоскостными расстояниями (например стеа­ рат свинца) позволило расширить диапазон анали­ зируемых элементов до бора (Z = 5).

Дифракционно-дисперсионные системы с кри­ сталлами-анализаторами обладают рядом пре­ имуществ:

• ширина зарегистрированных линий настоль­ ко мала, что позволяет разделять рядом располо­ женные спектральные линии, принадлежащие раз­ ным химическим элементам. Например, SKa

персионных систем, перечисленные линии накла­ дываются одна на другую;

• анализ с помощью дифракционно-диспер­ сионной системы возможен при изучении проб,

содержащих легкие химические элементы с по­ рядковыми номерами выше 5 (от углерода).

Если необходимо получить очень точное ото­ бражение изменений концентрации элементов, присутствующих в малых количествах, целесооб­ разно использовать сфокусированный (изогнутый) кристалл-анализатор с высоким разрешением, со­ вмещенный с электронной сканирующей систе­ мой. В этом случае без значительной расфокуси­ ровки возможно исследование участков поверхно­

сти протяженностью 100-300 мкм.

Возможности дифракционно-дисперсионного анализа ограничены тремя факторами:

1. Разрешающая возможность микрозонда опре­ деляется проникновением электронов в толщу изу­ чаемого материала. Вследствие рассеяния элек­ тронного пучка в металле (явление рентгеновской флуоресценции), от точки местонахождения зонда исследуемый объем простирается на расстояние до 1 мкм во всех направлениях. Это приводит к потере разрешающих возможностей метода по глубине. Уменьшить потери разрешения удается путем снижения ускоряющего напряжения.

Таблица 3.2.4.2

Рабочая область длин волн X, нм

0,02-0,25

0,07

0,05-0,3

0,09-0,4

0,24-0,62

0,06-0,3

0,1-0,5

0,07-0,35

0,1-0,5

0,35-1,7

0,413-1,625

0,554-2,181

0,536-2,11

2,2-8,2

Область анализа (серии спектра)

—— —

S-Zn Mo-Re Ti-U

—— —

Sc-Sr Te-U —

—— —

Si-Fe Sr-Ho w-u

—— —