WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 6 07;11;12 Влияние лазерной эрозии на концентрацию меди и цинка в поверхностном слое латуни © А.И. Борискин, В.М. Еременко, П.А. Павленко, А.Н. Скрипченко, С.Н. Хоменко Институт прикладной физики НАН Украины, 40030 Сумы, Украина e-mail: ipfmail@ipfcentr.sumy.ua (Поступило в Редакцию 22 cентября 2003 г.) Приведены результаты измерения концентрации меди и цинка на растровом электронном микроскопе РЭММА 102, оснащенном волновым и энергодисперсионным спектрометрами, в поверхностных слоях исходного образца латуни М161 и образца, эрозированного сфокусированным излучением оптического квантового генератора. Проведено их сравнение с результатами измерений на масс-спектрометре МС 3101 с лазерно-плазменным источником ионов. Показано, что эрозия поверхностного слоя образца латуни приводит в нем к значительному изменению концентрации меди и цинка. Установлено, что режим сканирования образца при отсутствии наложения кратеров от лазерных импульсов на исходной поверхности обеспечивает адекватность состава меди и цинка в лазерной плазме их содержанию в исследуемом образце.

На стадии атомизации атомы или молекулы, прочно наличии такого источника дискриминаций в случае их связанные в структуре твердого вещества, под воз- существенного влияния выбор режима сканирования действием импульса сфокусированного излучения оп- образца будет иметь большое значение. Очень важно в тического квантового генератора (ОКГ), работающего этой связи знать степень влияния эрозии пробы на ее состав.

в режиме модулированной добротности, переходят в газовую фазу и образуют атомарный пар. Во второй фазе лазерного импульса излучения атомарный Аппаратура и методика измерений пар ионизируется и образуется плазменный сгусток, расширяющийся в вакууме под действием сил давлеНами проведены некоторые исследования по оценке ния. Состав пара и ионной компоненты плазмы мовариаций концентраций меди и цинка в поверхностном жет отличаться от элементного состава пробы из-за слое стандартного образца латуни М161, подвергнувнеодинаковой атомизации различных элементов и их шемся многократному воздействию сфокусированного ионизации. Дискриминации могут возникать на стадиях излучения ОКГ. Выбор элементов с близкими по знаплавления, кипения, образования капель, диффузии в чению массами позволяет свести к минимуму влияния жидкой фазе, ионизации и т. д. Исследованиям этих приборного фактора на коэффициенты относительной процессов посвящено большое количество работ как чувствительности [1] этих элементов. Кроме того, аттеэкспериментального, так и теоретического характера [1]. 64 стованные концентрации изотопов Zn и Cu по своим Однако то, что происходит с поверхностью в резульвеличинам практически равны. Это значительно упротате воздействия сфокусированного излучения, остается щает, как будет показано ниже, изучение поверхности с вне поля внимания. Высказывается предположение, что помощью масс-спектрометра с лазерно-плазменным исвследствие неодинакового испарения элементов поверхточником ионов. Измерения проводились с помощью раностный эрозированный слой будет обогащаться нелестрового электронного микроскопа РЭММА 102, оснатучими и обедняться летучими элементами до наступщенного полупроводниковым и волновым спектрометраления равновесия в этом процессе [1]. Это может быть ми, и лазерным масс-спектрометром МС 3101 с фотоисточником дополнительных дискриминаций в методах, регистрацией (оба прибора производства АО СЭЛМИ, использующих лазерное взаимодействие с твердым веСумы, Украина). На полированной поверхности двух ществом. Такого рода дискриминации могут привести образцов стандарта латуни М161 в источнике ионов лапрежде всего к изменению состава поверхности образца зерного масс-спектрометра были сформированы эрозии, как следствие, к увеличивающемуся несоответствию рованные участки путем воздействия сфокусированного состава исходного образца составу продуктов испаре- излучения излучателя ЛТИ 215. Излучатель ЛТИ ния и ионизации с эрозированной поверхности. Так, в работал на длине волны 1.064 µm при длительности лазерной масс-спектрометрии при проведении анализов лазерного импульса излучения 10-8 s. Угол между очень часто применяется предварительная чистка по- излучением ОКГ и нормалью к поверхности образца верхности анализируемого образца с помощью сфоку- составлял в одном случае 30, в другом — 60. Образец, сированного излучения ОКГ. Кроме того, в лазерной сформированный при угле 30, анализировался на примасс-спектрометрии с фоторегистрацией применяется боре РЭММА 102, а образец с углом 60 исследовался сканирование образца при эрозии его поверхности. При на МС 3101. На рис. 1 показаны места, где проводи110 А.И. Борискин, В.М. Еременко, П.А. Павленко, А.Н. Скрипченко, С.Н. Хоменко 64 зультатов использовались линии изотопов Zn и Cu, зарегистрированные на одной и той же экспозиции. Экспозиции выбирались из условия, чтобы аналитические 64 64 64 65 65 линии Zn+, Zn2+, Zn3+, и Cu+, Cu2+, Cu3+ располагались в линейной части фотодетектора. Такой подход позволил значительно повысить точность проведения измерений. Аналитические линии обрабатывались с помощью микроденситометра MD 100 (производства Карл-Цейс, Йена, ГДР) и автоматического измерителя спектра АИС на ЭВМ с пакетом специализированных программ [3,4]. Площади зарегистрированных масс-линий являлись мерой аналитических сигналов. На одной фотопленке были зарегистрированы по 4 измерения с различных участков исходной и эрозированной поверхностей для ионов с различными зарядами.

Рис. 1. Образец. Результаты и их обсуждение В табл. 1 представлены результаты измерений на исходной плоскости m1... m5 и на эрозированной поверхлись анализы прибором РЭММА 102. В каждом месте ности c1... c5 для энергодисперсионного спектрометра, было проведено по 5 анализов с различных участков.

где C — концентрация элемента в %, t — критерий Для снижения погрешностей с учетом [2] измерения Стьюдента, s — основное отклонение, — число степепроводились в интегральном режиме путем сканироней свободы, P — величина вероятности [5]. Величины вания электронного зонда по площадкам 0.3 0.3mm концентраций на эрозированной и исходной поверхнодля энергодисперсионного спектрометра и 0.1 0.1mm стях были обработаны статистически [5]. В результате для волнового спектрометра. Обработка результатов были определены отдельно для каждой совокупности осуществлялась на ЭВМ с пакетом прикладных проконцентраций Cu и Zn систематическая составляющая грамм и использованием в качестве эталона стандартотносительной погрешности, среднеквадратическое ного образца латуни М164, состав которого близок к отклонение случайной составляющей относительной поконцентрациям составу образца М161. Режимы работы грешности ( ) и доверительные границы для Cmin и растрового микроскопа РЭММА 102 (для энергодисперCmax при 1%-ном уровне значимости с доверительной сионного спектрометра ускоряющее напряжение 20 kV, вероятностью 0.99. Как видно, все экспериментальные ток зонда 3 nA, время набора спектра 200 s и для результаты измерений не выходят за эти границы.

волнового спектрометра ускоряющее напряжение 20 kV, Отношения средней концентрации меди и цинка на ток зонда 10 nA, время измерения интенсивности пика эрозированной поверхности к их значениям на исходной и фона 100 s) для всех участков оставались неизменными. С помощью лазерного масс-спектрометра МС ионная компонента лазерной плазмы, соответствующая Таблица 1.

двум анализам на исходной и эрозированной поверхЭрозированная поверхность Исходная поверхность ности, регистрировалась в соответствии с отношением Параметр Cu Zn Параметр Cu Zn массы к заряду иона на фотодетектор. При проведении измерений на исходной и эрозированной поверхности с Cc1, % 66.01 31.143 Cm1, % 59.02 38.помощью МС 3101 масс-спектры регистрировались на Cc2, % 66.39 30.89 Cm2, % 59.46 37.одну и ту же фотопленку, что позволило исключить Cc3, % 65.93 31.33 Cm3, % 59.7 37.Cc4, % 66.59 30.82 Cm4, % 60.86 37.влияние процесса проявления фотопленки на их реCc5, % 66.84 30.37 Cm5, % 60.08 36.зультаты. Скорость перемещения столика с образцом Cc, % 66.35 30.91 Cm, % 59.8 37.и частота работы оптического квантового генератора Catt, % 59.5 37.65 Catt, % 59.5 37.выбирались для обеих поверхностей из условия, чтобы, % 11.51 -17.9, % 0.545 -0.не было наложения кратера на кратер. Режим работы ( ), % 0.579 1.17 ( ), % 1.16 1.ОКГ (напряжение накачки, частота и время задержки) в sc 0.384 0.364 sm 0.695 0.процессе проведения измерений оставался неизменным.

tc(P0.01, = 4) 4.6 4.6 tm(P0.01, = 4) 4.6 4.В качестве аналитических линий использовались спекCmin, % 65.56 30.16 Cmin, % 58.37 36.64 тральные линии изотопов Zn и Cu. Их изотопные Cmax, % 67.14 31.66 Cmax, % 61.23 38.концентрации, как отмечалось выше, практически равны sc,m 0.862 0.856 sm,c 0.862 0.64 tc,m 12.01 -11.97 tm,c -12.01 11.(отношение C Zn/C Cu = 0.998). При обработке реЖурнал технической физики, 2004, том 74, вып. Влияние лазерной эрозии на концентрацию меди и цинка в поверхностном слое латуни Таблица 2.

Анализы Параметр Элемент c m n p w k Catt, % C, % Cu 66.35 59.8 61.26 60.43 62.28 60.94 59.Zn 30.91 37.39 36.18 37.07 35.29 36.59 37., % Cu 11.51 0.545 2.97 1.57 4.67 2.42 Zn -17.89 -0.681 -3.91 -1.54 -6.26 -2.81 ( ), % Cu 0.579 1.16 1.21 1.17 2.05 0.837 Zn 1.176 1.65 2.24 2.03 3.87 1.425 составляют для меди 1.11, а для цинка — 0.826. Такое ции: снижение концентрации Zn и ее повышение для Cu.

существенное различие в концентрациях может быть При этом систематическая составляющая относительобусловлено двумя причинами: дискриминационными ной погрешности на различных кромках колеблется процессами при эрозии поверхности образца сфокусиро- от 1.54 до 6.24%. При воздействии сфокусированного излучения оптического квантового генератора на обванным излучением оптического квантового генератора или разбросом экспериментальных результатов анали- разец происходит распыление конденсированной фазы материала образца на соседние исходные его участки.

зов. Критерий Стьюдента t применяется при проверке Разлет конденсированной фазы неравномерен по направгипотезы, что две независимые частичные совокупности лениям от центра взаимодействия, что хорошо видно экспериментальных данных с малыми объемами взяты из рис. 2. Распыление вещества в основном происходит из одной и той же нормально распределенной общей по направлению проекции луча ОКГ и в стороны от совокупности [5]. Анализ экспериментальных результанее. В работе [6] анализировались по составу капли тов по [5] показал, что две независимые совокупности конденсинованной фазы образца М161, вынесенные из объемом Cc1... Cc5 и Cm1... Cm5 не относятся к зоны воздействия сфокусированного излучения ОКГ.

одной и той же нормально распределенной общей соКак отмечается в [6], в каплях наблюдаются снижение вокупности данных, так как нормированные отклонения концентрации Zn и ее увеличение для Cu. Напыление средних значений частичных совокупностей от среднего на кромки эрозированной зоны конденсированной фазы значения нормальной общей совокупности характерив виде капель может быть одной из причин дискримизуется величинами коэффициента Стьюдента для Cu нации. Одновременно при длительной эрозии сканируеtc,m = 12.01 и для Zn tc,m = 11.97. Это означает, что мого участка существует селективное испарение меди при степени свободы = 8 для обеих частных совокупи цинка из поверхностного слоя образца. Суммарное ностей такое значение коэффициента Стьюдента t дает воздействие этих процессов и объясняет такое различие величину P < 0.001 и только менее чем в одном случае из тысячи окажется t < tc,m = 11.97. Следовательно, рассматриваемые различия в концентрациях меди и цинка на эрозированной и исходной поверхностях являются весьма существенными и не могут быть отнесены к одной общей совокупности. Другими словами, такие различия обусловливаются только дискриминационными процессами, возникающими при воздействии на поверхность анализируемого образца сфокусированного излучения ОКГ. Эрозия его поверхности вызвала уменьшение в верхнем слое концентрации Zn на 6.74%, а концентрация Cu при этом увеличилась на 6.85%, что привело к повышению систематической составляющей относительной погрешности для меди и цинка до 11 и 18% соответственно. В то же время отличие концентрации меди и цинка на исходной поверхности от аттестованных значений не превышает 0.3%, а максимальное значение при этом не выше 0.7%. Как отмечалось выше, энергодисперсионным спектрометром РЭММА 102 было проведено по 5 анализов на кромках зоны эрозии. Средние концентрации меди и цинка по Рис. 2. Кратер от воздействия 5 импульсов лазерного излукаждой из четыреx кромок приведены в табл. 2. На чения, угол между нормалью к поверхности образца и лучом кромках зоны эрозии наблюдаются те же дискриминаОКГ 60.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 112 А.И. Борискин, В.М. Еременко, П.А. Павленко, А.Н. Скрипченко, С.Н. Хоменко в средних концентрациях на эрозированной поверхности Таблица 3.

и кромках зоны эрозии от средних концентраций аналиИсходная поверхность зов на исходной поверхности. Параллельный анализ ис64 64 Параметр As Zn+/ As Zn2+/ As Znсумма Zi/ Catt 64Zn/ следуемого образца с помощью волнового спектрометра 65 65 As Cu+ As Cu2+ As Cuсумма Zi Catt 65Cu показал хорошее совпадение его результатов с результатами, полученными с помощью энергодисперсионного Анализ 1 0.999 0.976 0.996 0.спектрометра. Сравнительные результаты некоторых из- Анализ 2 0.984 0.999 0.987 0.Анализ 3 1.06 0.947 1.04 0.мерений с помощью обеих спектрометров представлены Анализ 4 0.98 0.966 0.976 0.на рис. 3.

Ki 1.01 0.972 0.998 0.После обработки фотопленки с результатами ана, % 0.858 -2.64 -0.012 лизов исходной и эрозированной поверхностей на ( ), % 3.86 2.27 2.68 масс-спектрометре МС 3103 в ЭВМ был сформирован Cmin, % 0.945 0.937 0.956 банк данных аналитических сигналов As изотопов Zn Cmax, % 1.07 1.01 1.04 и Cu для ионов с зарядом Z = 1 и 2. Аналитические сигналы изотопов с соответствующим зарядом Z для меди и цинка, как отмечалось выше, учитывались на Таблица 4.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.