Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы структурного анализа материалов. Учебное пособие
.pdf
тировании современных серийных устройств является создание устройств
с репликами. Огромное преимущество дифракционных устройств заключается в возможности использования спектра второго порядка, дисперсия
в котором вдвое больше, чем в спектре первого порядка.
5.4.3. Приемник и система регистрации
Как и в фотоэлектрических устройствах для эмиссионного анализа, в
атомно-абсорбционной спектроскопии фотоумножитель также обычно используется в качестве детектора излучения. Его чувствительность регулируется высоковольтным стабилизированным напряжением, подаваемым на
диоды. Измерение выходного сигнала фотоумножителя осуществляется,
вообще говоря, с помощью усилителя, после чего сигналы могут быть записаны, в зависимости от сложности используемой установки, с помощью
микроамперметра, потенциометрического самописца или цифрового считывающего устройства. Это позволяет вам изменить значение интенсивности или процентного коэффициента пропускания, которое затем необходимо преобразовать в значение спектрального поглощения. Его можно
легко вычислить или прочитать прямо с устройства.
Следует отметить, однако, что, поскольку большинство элементов
излучают свет на тех же длинах волн, на которых и поглощаются, сигнал
излучения, если не будут приняты особые меры предосторожности, также
будет обнаружен и, таким образом, уменьшит величину поглощения.
Устранение вклада эмиссионного сигнала достигается за счет модуляции.
Модуляция может выполняться механически или электрически. При механической модуляции луч света, излучаемый лампой с полым катодом, модулируется диском с прорезями, помещенным на его пути и вращающимся
с регулируемой частотой. Этот вращающийся «модулятор» также включает и выключает питание приемника.
Таким образом, приемник настраивается и синхронизируется так,
чтобы реагировать только на переменный сигнал, вызванный модулированным излучением вспомогательного источника. Приемник регистрирует
любое поглощение света пламенем и не регистрирует часть излучения, которая является постоянной во времени из-за излучения. При электрической
модуляции прерывание излучения лампы с полым катодом достигается за
счет подачи на нее переменного или прерывистого напряжения, при этом
приемник также настраивается на эту частоту. Чувствительность атомноабсорбционного метода обычно определяется как такая концентрация элемента в чистом водном растворе, которая соответствует поглощению 1 %
интенсивности резонансной линии этого элемента, излучаемой вспомогательным источником света. Определение чувствительности всегда п
дится по нерастянутой шкале, т.е. используется шкала, где при нулевой
рово-
51
концентрации элемента в растворе соответствующее пропускание равно
100 %, а при неопределенно высокой концентрации оно равно до 0. Чувствительность будет зависеть от среды, в которой находится определяемый
элемент, реагентов, используемых для образования раствора, и типа инструментов, используемых для анализа.
Предел обнаружения определяется минимальной концентрацией
элемента в растворе, при которой сигнал все еще может быть записан на
фоне шума. Предел обнаружения зависит от чувствительности анализа для
данного элемента, характеристик трубки с полым катодом и фотоумножителя и обычно определяется как такая концентрация элемента, которая
позволяет получить сигнал в 3 раза больше, чем шумовой сигнал. Значения
чувствительности и пределов обнаружения обычно выражаются в частях
на миллион (ppm) концентрации.
5.5. Термоэлектронная эмиссионная микроскопия
5.5.1. Физика термоэлектронной эмиссии металлов
В обычной просвечивающей электронной микроскопии электронное
изображение структуры образца создается дифрагированными электронами, рассеянными на неоднородностях очень тонкого исследуемого образца, когда через него проходит пучок быстрых электронов. Эмиссионная
электронная микроскопия отличается тем, что сам образец является источником тех электронов, которые формируют его изображение.
Эмиссионная и, в частности, термоэмиссионная микроскопии позволяют наблюдать за протеканием высокотемпературных реакций в твердом
теле и на его поверхности непосредственно в то время и при температуре,
при которых они происходят. Более того, получение разницы в яркости деталей изображения не требует предварительного создания соответствующего рельефа на поверхности исследуемого образца. В термоэлектронной
эмиссионной микроскопии контраст деталей изображения возникает только из-за разницы в количестве электронов, испускаемых отдельными
участками поверхности образца.
Различия в эмиссии электронов в основном связаны с различием
кристаллографических свойств отдельных участков на поверхности образца, поэтому контрасты изображения присущи самому образцу и являются
его неотъемлемым свойством. Из-за этого существует очень небольшая
временная задержка между изменением структуры образца и связанным с
этим изменением контрастности изображения, что делает это преобразование видимым. Следовательно, в момент их появления наблюдаются высокотемпературные превращения.
52
Согласно электронной зонной теории металлов, их электропроводность создается теми электронами, которые находятся на частично заполненных энергетических уровнях кристаллической решетки металла. В термоэлектронной эмиссионной микроскопии именно эти электроны проводимости высвобождаются из металла и используются для формирования
его электронного изображения. Как правило, при приложении внешнего
поля электроны проводимости движутся в кристаллической решетке относительно свободно и испытывают слабое влияние локальных электрических полей только вблизи отдельных ионов металла в узлах кристаллической решетки.
Однако когда эти электроны приближаются к поверхности металла в
результате теплового движения, они испытывают действие поля тормозных сил. Преодоление поверхностного потенциального барьера возможно
для электронов, обладающих необходимой энергией.
Для большинства металлов, за исключением щелочных и щелочноземельных, работа выхода составляет от 3 до 5 эВ. Таким образом, при
умеренных температурах вероятность преодоления потенциального барьера любым электроном мала. Чтобы из металла ушло заметное количество
электронов, необходимо либо значительно уменьшить работу выхода, либо
увеличить энергию электронов в металле. Легче всего увеличить энергию
электронов, просто нагревая металл. Шоттки иллюстрирует эти условия с
помощью модели, представляющей электроны в виде шариков, которые
беспорядочно движутся по дну потенциальной ямы с наклонными стенками. Мелкие стенки моделируют потенциальный барьер, а распределение
шаров по скоростям подчиняется распределению Ферми. При умеренных
температурах большая часть шаров, катаясь по стенке ямы, достигает
определенной высоты, соответствующей начальной скорости, а затем откатывается на дно ямы. Небольшое количество шаров с чрезвычайно высокими скоростями достигнет края стены (на ее полную высоту), не теряя
своей скорости до конца, перекатится по ней и покинет яму.
Эти шары можно сравнить с высвободившимися эмитированными
электронами металла. Повышение температуры соответствует увеличению
средней скорости шаров; следовательно, все большее количество из них
будет иметь достаточную скорость, чтобы взобраться на стену, выйти из
колодца и, таким образом, имитировать увеличение количества испускаемых электронов с повышением температуры. При исследовании металлов
с помощью термоэмиссионного микроскопа требуемая плотность тока
эмиссии также может быть получена за счет уменьшения работы выхода.
Уменьшение выходной работы можно использовать для наблюдений при
низких температурах. Именно этот метод используется для расширения
диапазона рабочих температур термоэмиссионного микроскопа.
53
5.5.2. Типы электронной эмиссионной микроскопии
Существуют разные методы возбуждения излучения электронов с
поверхности металлов, т.е. другие способы передачи дополнительной
энергии электронам в металле, достаточной для преодоления поверхностного потенциального барьера. Поскольку некоторые из этих методов в
настоящее время используются в других типах электронно-эмиссионных
микроскопов, каждый из которых имеет свои специфические отличительные особенности, следует четко понимать разницу между этими методами
и методом термоэлектронной эмиссии.
Автоэлектронная эмиссия. Если к внешней стороне металла при-
ложить сильное электрическое поле, то распределение потенциала вне металла изменится, так что поверхностный барьер станет «тоньше» и, следовательно, более проницаемым для электронов. Теперь при излучении, возникающем под действием поля, электроны высвобождаются из металла по
другому механизму: они не «проходят» через потенциальный барьер, а
проникают сквозь него, используя туннельный эффект, известный в волновой механике.
Фотоэлектронная эмиссия. При фотоэлектронной эмиссии необхо-
димая дополнительная энергия подводится к электронам металла в виде
электромагнитного излучения. Поскольку в этом типе излучения участвуют валентные электроны заполненных более глубоких энергетических зон,
фотоны должны иметь энергию, превышающую работу выхода. Следовательно, для инициирования фотоэмиссии необходимо излучение с длинами
волн в ультрафиолетовом или более коротковолновом диапазоне спектра.
Вторичная эмиссия. При явлении вторичной эмиссии электронам
передается дополнительная энергия из-за бомбардировки поверхности
электронами или ионами от внешнего источника. Как и в случае фотоэлектронной эмиссии, возбуждающие частицы должны иметь энергию, превышающую работу выхода. В случае ионов и электронов добиться этого несложно. Чаще всего используются энергии в несколько сотен электронвольт. Можно было бы работать даже с высокими энергиями, если бы не
возникла эрозия поверхности металла. Такую эрозию (ионное травление)
можно выгодно использовать в частных случаях, но она имеет отрицательный эффект при изучении динамических процессов, так как накладывается
на первичную структуру и тем самым усложняет интерпретацию каждой
последующей структуры, развивающейся в процессе наблюдения.
5.5.3. Термоэлектронный эмиссионный
микроскоп
Термоэмиссионный микроскоп состоит из следующих частей:
1) устройства для нагрева образца до температур, достаточных для эмиссии электронов; 2) электронно-оптической системы ускорения, коллима-
54
ции и фокусировки эмитированных электронов; 3) устройства для наблю-
E
дения и регистрации электронных изображений; 4) вакуумной системы.
Рассмотрим узлы, характерные только для термоэмиссионного микроскопа.
Узел нагрева. Из-за его простоты и относительно невысоких энергозатрат наиболее широко используемым методом нагрева образца является
косвенный нагрев за счет излучения от внешнего источника. В нагревательном устройстве образец представляет собой дно стакана, внутри которого находится нагревательная спираль, не имеющая прямого контакта с
внутренними стенками стакана. Такая геометрия позволяет наиболее эффективно использовать излучение нагревателя, а также экранировать электронно-оптическую систему от мешающих электронного и светового излучений самого нагревателя. С помощью такого устройства легко получить
температуру образца до 1250 °С. Исследуемая поверхность образца – это
внешняя сторона дна стакана. Обычно объектом исследования является
только дно стакана, представляющее собой образец, приваренный к трубке, из подходящего тугоплавкого металла, например никеля.
Электронно-оптическая система. Единственное отличие электронно-оптической системы термоэлектронного эмиссионного микроскопа от
обычного микроскопа просвечивающего типа заключается в наличии узла
катодной линзы. Этот узел служит нескольким целям. Во-первых, отсюда
берут начало электроны, образующие изображение, поскольку образец является одной из частей (катодом) этой линзы. Во-вторых, электроны ускоряются и монохроматизируются с помощью электрического поля, приложенного между катодом и анодом. В-третьих, этот узел коллимирует и фокусирует испускаемые электроны и, следовательно, служит целью.
Такая линза называется электростатической «иммерсионной» линзой
по аналогии с соответствующей оптической линзой, где показатель преломления в пространстве объектов отличается от показателя преломления
в пространстве изображений. Для электронной электростатической линзы
термин «показатель преломления» следует заменить термином «электрический потенциал».
Разрешение электростатической иммерсионной линзы приблизи-
тельно определяется следующим выражением:
ε
,r
где – средняя энергия эмиттируемых электронов; Е – напряженность
электрического поля на поверхности катода.
Обратите внимание, что разрешение не зависит от увеличения. При
температуре 1000 °C ε составляет ~0,1 эВ, а затем для E = 100 кВ (типичное значение для линзы микроскопа) r будет 10
-6
см, или 100 А.
Однако есть факторы, которые способствуют снижению РС реальных микроскопов. Например, тепловые электроны покидают образец не с
55
одинаковой скоростью и не параллельно оптической оси, а характеризуются определенным энергетическим и угловым распределением. Таким
образом, в реальных микроскопах разумное разрешение, которое можно
ожидать, составляет 500…1000 А. Хотя это значение намного ниже разрешения, достигаемого в обычном просвечивающем электронном микроскопе <5 А, тем не менее оно намного выше, чем РС наилучшего оптического (светового) микроскопа (>1500 А), особенно в работе при высоких
температурах.
Иммерсионную электростатическую линзу можно сфокусировать,
изменяя либо величину напряженности поля линзы, либо расстояние между катодом (образцом) и промежуточным электродом (электрод Венельта). Чаще линза фокусируется путем изменения напряжения, приложенного в зазоре между катодом и электродом Венельта. Если требуется дополнительное увеличение, то можно добавить вторую магнитную линзу, которая работает в режиме, аналогичном режиму проекционной линзы в
обычном электронном микроскопе. С помощью такой комбинации линз
можно достичь увеличения от нескольких до нескольких тысяч раз, что
соответствует обычно достижимому разрешению 500…1000 A.
Система наблюдения и регистрации изображений. Наблюдение и
регистрация изображения в термоэлектронном эмиссионном микроскопе
осуществляется так же, как и в традиционной электронной микроскопии.
Электронные изображения записываются путем фотографирования изображения с флуоресцентного экрана непосредственно на эмульсионный
слой фотопластинки или пленки, размещенной в плоскости электронного
изображения, а также телевизионными методами на магнитной ленте. Поскольку динамические аспекты трансформаций и других изменений, происходящих в твердом состоянии, часто вызывают большой интерес, съемочное оборудование является полезным дополнением. Самый простой
способ – сфотографировать изображение с флуоресцентного экрана кинокамерой через смотровое окно. Однако эта процедура довольно громоздка
и часто мешает нормальному просмотру экрана.
Вакуумная система. Для термоэмиссионного микроскопа требуется
вакуумная система, рассчитанная на создание вакуума 10
-6
мм рт. ст. В этом
случае скорость откачки должна быть достаточно высокой, чтобы провести
дегазацию образца при повышении температуры. Также необходимо учитывать возможность образования оксидной пленки на образце из-за остаточного кислорода в микроскопе, особенно для наиболее химически активных металлов. Оксидные пленки затемняют истинную структуру образца и,
таким образом, затрудняют динамические наблюдения. В противном случае остаточные газы могут изменить химический состав пробы. Например,
атмосфера, содержащая значительное количество остаточного кислорода,
может обезуглероживать поверхность стального образца. Однако следует
56
отметить, что необходимость использования максимально достижимого в
настоящее время вакуума для обеспечения нормальной работы термоэмиссионного микроскопа вовсе не очевидна. Хотя определенный пороговый
вакуум необходим, тем не менее наиболее важными моментами являются
скорость откачки и природа остаточной атмосферы.
6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ
1. Опишите принцип действия и схему хода лучей в оптическом
микроскопе.
2. Перечислите виды аберраций.
3. Дайте определение понятия «разрешающая способность оптиче-
ских микроскопов». Назовите основные способы увеличения.
4. Назовите основные характеристики объективных линз.
5. Каким образом проводят исследования с применением поляризо-
ванного света?
6. Назовите основные особенности высокотемпературной металло-
графии.
7. Назовите источники света в оптической микроскопии и области их
применения.
8. Опишите основные принципы метода двухлучевой интерференции.
9. Опишите основные принцип метода многолучевой интерференции.
10. Перечислите основные методы увеличения контрастности изоб-
ражения.
11. Укажите основные особенности микроскопического исследова-
ния с применением непрозрачной диафрагмы.
12. В чем заключаются особенности фазово-контрастного метода
микроскопического исследования?
13. Опишите принцип работы просвечивающего электронного мик-
роскопа.
14. Для чего используются электронные линзы в просвечивающем
электронном микроскопе?
15. Каким образом формируется изображение в просвечивающем
электронном микроскопе?
16. Опишите устройство просвечивающего электронного микроскопа.
17. Опишите цель установки и принцип работы устройства для
устранения загрязнений в просвечивающем электронном микроскопе.
18. Какие условия обеспечивают разрешающую способность в РЭМ?
19. Для чего используются электронные линзы в РЭМ?
20.
Опишите механизм формирования контраста в РЭМ.
21. Объясните цель установки и принцип работы устройства для
устранения загрязнений в РЭМ.
57
22. Как формируется изображение структуры образца в аутоионной
микроскопии?
23. В чем заключаются особенности аутоионной и автоэлектронной
микроскопии?
24. Опишите основные принципы электронной и ионной оптики, ре-
гистрации параметров заряженных частиц.
25. Как движется заряженная частица в электромагнитном поле?
26. Какие бывают источники электронов и ионов?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение современных методов структурного анализа контроля
качества позволяет совершенствовать технологические процессы и решать
целый ряд задач, возникающих перед современными специалистами в области металлургии, машиностроения и других отраслей народного хозяйства. Знание методик и возможностей различных видов исследований имеет большое значение для изучения структуры кристаллов и структуры металлов и сплавов, изучения структурных изменений, происходящих при
пластической деформации и термической обработки металлов и сплавов и
решения других задач, стоящих перед специалистами-материаловедами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баррет, Ч. С. Структура металлов / Ч. С. Баррет, Т. Б. Массальский ; перевод с английского А. М. Бернштейна, С. В. Добаткина ; под редакцией М. Л. Бернштейна. – Москва : Металлургия, 1984. – 333 с.
2. Батаев, В. А. Методы структурного анализа материалов и контроля качества деталей : учебное пособие / В. А. Батаев, А. А. Батаев,
А. П. Алхимов. – 2-е издание. – Москва : Флинта : Наука, 2007. – 224 с.
3. Башков, О. В. Оптические методы исследования материалов :
учебное пособие / О. В. Башков, Т. И. Башкова. – Комсомольск-на-Амуре :
Изд-во Комсомольского-на-Амуре гос. техн. ун-та, 2011. – 78 с.
4. Быков, С. Ю. Испытания материалов : учебное пособие для вузов / С. Ю. Быков, С. А. Схиртладзе. – Старый Оскол : Изд-во ТНТ, 2012. –
135 с.
5. Козаков, А. Физические основы электронной спектроскопии заряженных поверхностей твердых тел [Электронный ресурс] : монография /
А. Козаков. – Таганрог : Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. – 406 с. //
ZNANIUM.COM : электронно-библиотечная система. – Режим доступа:
http://www.znanium.com/catalog.php, ограниченный. – Загл. с экрана.
6. Куприянов, М. Ф. Современные методы структурного анализа
веществ [Электронный ресурс] : учебник / М. Ф. Куприянов, А. Г. Рудская,
58
Н. Б. Кофанова. – Ростов-на-Дону : Изд-во ЮФУ, 2009. – 288 с. //
ZNANIUM.COM : электронно-библиотечная система. – Режим доступа:
http://www.znanium.com/ catalog.php, ограниченный. – Загл. с экрана.
7. Методы структурного анализа материалов и контроля качества
деталей : учебно-методический комплекс / составители : И. П. Добровольская, В. Н. Барсуков. – Санкт-Петербург : Изд-во СЗТУ, 2007. – 79 с.
8. Пивоваров, С. С. Физические основы теории оптической и рентгеновской спектроскопии [Электронный ресурс] : учебное пособие /
С. С. Пивоваров. – Санкт-Петербург : СПбГУ, 2016. – 64 с. //
ZNANIUM.COM : электронно-библиотечная система. – Режим доступа:
http://www.znanium.com/catalog.php, ограниченный. – Загл. с экрана.
9. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. Т. 1–2 / перевод с английского. – Москва : Мир, 2004.
59
Учебное издание
Башков Олег Викторович
Бурдасова Александра Александровна
Белова Инна Валерьевна
Башкова Татьяна Игоревна
Афанасьева Анна Алексеевна
МЕТОДЫ СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Под общей редакцией О. В. Башкова
Редактор Т. И. Ивашкина
Подписано в печать 17.06.2022.
Формат 60×84 1/16. Бумага 65 г/м
2
. Ризограф EZ 570E.
Усл. печ. л. 3,50. Уч.-изд. л. 3,25. Тираж 49 экз. Заказ 30625.
Редакционно-издательский отдел
Федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный университет»
681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.
Полиграфическая лаборатория
Федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный университет»
681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]