19860

Физические основы рентгеновского микроанализа. Количественный рентгеновский микроанализ с использованием метода трех поправок

Лекция

Физика

Лекция 25 Физические основы рентгеновского микроанализа. Количественный рентгеновский микроанализ с использованием метода трех поправок. Как было отмечено ранее при взаимодействии электронного пучка с образцом генерируется характеристическое рентгеновское излуче...

Русский

2013-07-18

604 KB

27 чел.

Лекция 25

Физические основы рентгеновского микроанализа. Количественный рентгеновский микроанализ с использованием метода трех поправок.

Как было отмечено ранее, при взаимодействии электронного пучка с образцом генерируется характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ). Это обстоятельство лежит в основе метода элементного анализа, называемого рентгеновский микроанализ. Базой для рентгеновского микроанализа служит электронно-оптическая система растрового электронного микроскопа, поэтому часто эти два прибора совмещают в одном, который называется РЭММА (Растровый Электронный Микроскоп Рентгеновский Микроанализатор).

Напомним основные моменты, связанные с генерацией ХРИ. При проникновении первичных электронов в образец они тормозятся не только электрическим полем атомов, но и непосредственным  столкновением с электронами атомов материала образца. В результате этого первичные электроны могут выбивать электроны с внутренних К-, L- или М-оболочек, оставляя атом в энергетически возбужденном состоянии. Образующиеся вакансии заполняются переходами электронов с более высоких энергетических уровней. Атом переходит в основное состояние, избыточная энергия выделяется в виде кванта рентгеновского излучения.

Поскольку энергия возникающего кванта зависит только от энергии участвующих в процессе электронных уровней, а они являются характерными для каждого элемента, возникает характеристическое рентгеновское излучение. Так как каждый атом имеет вполне определенное конечное число уровней, между которыми возможны переходы только определенного типа, характеристическое рентгеновское излучение дает дискретный линейчатый спектр.

Если определить энергии или длины волн спектра характеристического рентгеновского излучения, то можно сделать выводы об элементах, содержащихся в образце, т.е. провести качественный анализ. Это основа рентгеновского микроанализа. Если по характеристическому спектру можно определить интенсивность линий участвующих элементов (как правило, a-линий), то на этой основе можно выполнить количественный анализ элементов.

При проведении рентгеновского микроанализа в систему РЭМ вводится рентгеновский спектрометр. Спектрометры могут быть различного типа. Если спектрометр определяет интенсивность излучения как функцию длины волны l, то он относится к типу спектрометров волновой дисперсии, а когда как функцию энергии Е, то является энергетическим дисперсионным спектрометром.

В спектрометрах волновой дисперсии (СВД) возбужденное в образце рентгеновское излучение попадает на кристалл-анализатор и отражается от него под разными углами q в зависимости от длины волны l в соответствии с законом Брэгга-Вульфа. Отраженное излучение регистрируется пропорциональным рентгеновским счетчиком. С помощью такого спектрометра можно определить элементы с порядковыми номерами от Z = 4 (Ве) до Z = 92 (U). Для этого требуется регистрации излучений с большим интервалом длин волн и, соответственно, необходим набора кристаллов-анализаторов.

Основой энергетического дисперсионного спектрометра (ЭДС) служит полупроводниковый детектор, принцип действия которого был рассмотрен в прошлом семестре. Сигнал с детектора подается в многоканальный анализатор, который позволяет регистрировать и просматривать на экране монитора спектр, включающий пики от всех элементов, входящих в образец.

Большим преимуществом энергетических дисперсионных спектрометров является то, что энергия всех падающих квантов может быть обработана одновременно. В результате этого для снятия рентгеновского спектра требуется всего лишь несколько минут, в то время как при работе со спектрометрами волновой дисперсии необходимо затратить на ту же операцию один или несколько часов. Недостатком энергетических дисперсионных спектрометров является примерно на порядок меньшее энергетическое разрешение по сравнению со спектрометрами волновой дисперсии и возможность идентифицировать элементы начиная только с порядкового номера Z = 11 (Na).

Линии ХРИ наблюдаются на фоне непрерывного тормозного рентгеновского излучения, которое является фоном. На рис. 25.1 приведен спектр рентгеновского излучения от монокристалла NaAlF5Cs, снятый спектрометром энергетической дисперсии, соответственно с фоном тормозного рентгеновского излучения (верхний спектр) и после вычитания фона (нижний спектр).

Рис. 25.1

Видно, что амплитуда линий характеристического рентгеновского излучения значительно ниже уровня фона.

Та же проблема отделений линий ХРИ от фона возникает и при использовании спектрометра волновой дисперсии, как это видно из рис. 25.2, на котором приведен спектр сплава редкоземельных металлов, снятый спектрометром волновой дисперсии.

Рис. 25.2

Качественный анализ обычно используется для определения характера распределения элементов по поверхности образца. Это реализуется путем получения рентгеновского растрового изображения, аналогично формированию изображения в РЭМ. В тот момент, когда сигнал, свидетельствующий о наличии того или иного элемента, поступает на ЭЛТ, на экране появляется светлая точка. Плотность точек является ориентировочной мерой концентрации исследуемого элемента. По этим данным можно приближенно судить о составе различных участков образца, в частности, о распределении элементов по границам зерен, составе вторых фаз и т.д. Следует иметь в виду, что малые количества элементов этим методом обнаружить нельзя, так как при сканировании продолжительность регистрации в каждой точке невелика, что приводит к ошибке счета. После качественного анализа часто проводят количественный анализ в отдельно выбранных точках.

В качестве примера качественного анализа на рис. 25.3 приведено распределение элементов в образце армированного алюминия. Приведено изображение образца во вторичных электронах и характеристических рентгеновских лучах Кα: Al, Cr, Co, Ni соответственно.

Рис. 25.3

Количественный анализ базируется на следующих соотношениях. Имеется образец, элементный состав которого предварительно определен в результате качественного анализа. Требующие определения относительные концентрации элементов есть Ci. Также неизвестная атомная концентрация есть n0, соответственно атомная концентрация каждого элемента есть ni = Ci.n0. Рассмотрим выход характеристического рентгеновского излучения конкретной линии какого-то из элементов из тонкого слоя dx, расположенного на глубине x от поверхности образца, как показано на рис. 25.4. Интенсивность может быть записана в виде

    (25.1)

где Ie – интенсивность электронного пучка на глубине х с энергиями больше энергии связи ионизуемого атома;

е(х) – сечение ударной электронной ионизации оболочки атома, причем е(х) = е[Ee(х), ni(х)];

W – вероятность рентгеновской флуоресценции (имеется конкурирующий Оже-процесс);

– коэффициент линейного поглощения материала образца данного ХРИ, рассчитать который можно, только зная относительные концентрации элементов;

д – телесный угол детектора.

Тогда измеряемая интенсивность при энергии, соответствующей данной линии, имеет вид

На практике разрешить это интегральное уравнение относительно ni не удается, поэтому используется метод эталонов.

В основе метода эталонов лежит положение, что в нулевом приближении отношение интенсивности ХРИ от элемента Z, генерируемого в многокомпонентном образце, к интенсивности ХРИ, генерируемого в моноэлементном образце Z, пропорционально концентрации данного элемента в многокомпонентном образце.

Пусть образец содержит элементы А, В, …По измеренным интенсивностям каждого элемента в нулевом приближении принимается, что атомные концентрации

Дальше вводятся поправки на

  1.  различие в рассеянии и торможении электронов в образце и эталоне за счет различий в атомном номере – фактор kZ;
  2.  различий в поглощении ХРИ (линейный коэффициент поглощения) в образце и эталоне – фактор kА;
  3.  генерирование данного ХРИ в образце за счет квантов ХРИ от других элементов фактор kF.

Это т.н. метод трех поправок или метод ZAF.

С учетом поправок считают в первом приближении После этого методом последовательных итераций определяют значения относительных концентраций, к которым сходится процесс итераций.

В ПЭВМ, поставляемом вместе с РЭММА, "зашиты" программы расчета каждого фактора на основании довольно громоздких эмпирических выражений, которые периодически корректируются. Поэтому более новые РЭММА позволяют получать более точные результаты не за счет улучшения аппаратной базы, а главным образом за счет этих корректировок.

Рис. 25.4

X

dx


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4466. Українська національна демократична революція 1917-1921 рр. Україна в складі СРСР (1922 – 1939 рр.) 75.63 KB
  Українська національна демократична революція 1917-1921 рр. Україна в складі СРСР (1922 – 1939 рр.) Мета заняття.Ознайомити студентів із становленням української державності та боротьбою різних сил в Україні у 1917-1921р.р.,становищ...
4467. Україна в роки Другої світової війни. Суспільно-політичний, соціально-економічний розвиток України від другої половини 40-х до початку 80-х рр. ХХ ст. 79.85 KB
  Україна в роки Другої світової війни. Суспільно-політичний, соціально-економічний розвиток України від другої половини 40-х до початку 80-х рр. ХХ ст. Мета заняття: Ознайомитись з планами гітлерівців щодо України, основними подіями та перебігом війс...
4468. Національно-державне відродження українського народу. Незалежна Україна на сучасному етапі 67.98 KB
  Перебудова в СРСР та її наслідки для України. Спроба державного перевороту в СРСР і Україна. Розпад Радянського Союзу і відродження незалежної України. Розгортання державотворчих процесів. Становлення владних структур, прийняття Конституції України Політичне життя в Україні. Вибори до Верховної Ради України в 1994, 1998, 2002, 2006, 2007 рр. Вибори Президента України 1999, 2004, 2010 рр.
4469. Історія україни Опорний конспект. Методична розробка 1.37 MB
  Методична розробка Опорний конспект з історії України написана на основі навчальної програми курсу Історія України для вищих навчальних закладів І і ІІ рівнів акредитації дає вказівки по вивченню, засвоєнню матеріалу, що вивчається аудиторно. Робота...
4470. Основи теорії держави і права 181.5 KB
  Основи теорії держави і права Ознайомити студентів із поняттям держави і права, їх ознаками, закономірностями виникнення, основними теоріями походження та функціями. Охарактеризувати форми держави і права,поняття та ознаки г...
4471. Основи Конституційного права України 180.5 KB
  Основи Конституційного права України. Мета заняття.Ознайомити студентів із основами конституційного права України, загальними засадами конституційного ладу, народовладдям та формами його здійснення. Охарактеризувати види виборів та головні при...
4472. Основи Цивільного права 223 KB
  Основи Цивільного права Мета заняття.Ознайомити студентів із основами цивільного права, його джерелами та відносинами, що ним регулюються, суб’єктами та об’єктами цивільно-правових відносин, суттю права власності та формами його захи...
4473. Основи трудового права України 281 KB
  Основи трудового права України Мета заняття.Ознайомити студентів із трудовим правом, його джерелами та відносинами, що ним регулюються, колективним та трудовим договорами, робочим часом та часом відпочинку, підставами та порядком звільнення з ...
4474. Основи фінансового та банківського права 129.5 KB
  Основи фінансового та банківського права. Ознайомити студентів із основами фінансового та банківського права, їх джерелами та відносинами, що ними регулюються, суб'єктами та об'єктами цивільно-правових відносин, суттю пра...