WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 10 10;12 Количественный безэталонный экспресс-анализ некоторых сплавов на лазерном времяпролетном масс-спектрометре © Г.Г. Манагадзе1, Н.Г. Манагадзе2 1 Институт космических исследований РАН, 117810 Москва, Россия 2 Институт проблем управления РАН, 117806 Москва, Россия (Поступило в Редакцию 9 февраля 1998 г. В окончательной редакции 1 апреля 1999 г.) Предлагается методика анализа изотопного и элементного состава металлов и сплавов с помощью времяпролетного лазерного масс-рефлектрона ЛАЗМА. Показано, что для многокомпонентных сплавов при работе в режиме ”основных” максимумов и регистрации всех ионов внутри энергетического спектра прибор обеспечивает возможность проведения количественных измерений состава проб с получением правильных результатов без применения эталонных образцов.

Разработанный в Институте космических исследова- величины концентрации элемента к реальной должно ний РАН компактный лазерный времяпролетный масс- быть близко или равняться единице.

рефлектрон ЛАЗМА [1–4] работает в режиме свободного Как показали измерения, проведенные на различных разлета ионов [5]. Инструмент сочетает высокие анали- масс-спектрометрах [5], изложенное выше справедливо тические, технические и операционные характеристики, для широкого класса приборов с лазерными источниками необходимые для изучения элементного и изотопного ионов. Результаты настоящей работы также подтверждасостава твердотельных, в том числе и порошкообразных, ют это. Однако при использовании этого метода оказапроб, обеспечивая массовое разрешение 300-600, чув- лось, что расширение энергетического окна приводит к ствительность примерно 1-10 ppm и высокую воспроиз- резкому снижению массового разрешения в целом.

водимость спектров при гомогенной пробе.

Конструкция анализатора прибора, приведенного на рис. 1, представляет собой масс-рефлектрон с полностью линейной конфигурацией, обладающий осевой симметрией относительно лазерного излучения и движения образованных ионов. Лазерное излучение падает на поверхность пробы, пройдя через сетки рефлектора и отверстия в детекторе. Такая конфигурация обеспечивает не только высокую воспроизводимость спектров, но и возможность проведения послойного анализа практически без ограничений. Изменение плотности мощности лазерного излучения производится с помощью нейтрального фильтра и позволяет получать однократно ионизированные ионы.

Разработанная методика проведения количественных измерений [6] базируется на физическом принципе, согласно которому правильные результаты получаются при регистрации всех преимущественно однозарядных ионов, образованных лазерным воздействием в энергетическом интервале от 0 до Emax [5]. Действительно, лазерный источник ионов [6] обеспечивает не только бесфракционность испарения пробы, но и равновероятный выход ионов различных элементов.

В рассматриваемом случае при диаметре лазерного Рис. 1. Схема прибора ЛАЗМА: 1 — вакуумная камера, воздействия 50-60 µm и плотности воздействия, равной 2 — система для смены образцов, 3 — детектор, 4 — каретка 109 W/cm2, ионы большинства элементов сосредоточены с мишенью, 5 — масс-рефлектрон, 6 — лазер, 7 — фокусирув интервале энергии от 0 до 150 eV. Следовательно, при ющие линзы, 8 — нейтральный фильтр, 9 — измеритель мощрегистрации ионов в этом энергетическом окне резульности излучения, 10 — осветитель мишени, 11 —микроскоп, таты должны быть правильными, отношение измеренной 12 — шлюзовая камера для ввода образцов.

Количественный безэталонный экспресс-анализ некоторых сплавов на лазерном... Таблица 1. Содержание элементов в мишени ковара (в атомных %) Элемент Содержание по ”Справочнику металлов” Измеренное содержание в образце 1 Измеренное содержание в образце Fe 52.5-54.5 53 Ni 28.5-29.5 30.7 30.Co 17-18 16.4 16.Таблица 2. Содержание элементов в образце стали на основе паспортных и экспериментальных данных Данные Элементный состав (в атомных %) C Mn P S Si Cu Ni Cr Паспортные (стандарт C1154 19 Cr-13Ni) 0.086 1.42 0.06 0.053 0.50 0.40 12.92 19.Экспериментальные (по прибору ЛАЗМА) + 1.70 + + + 0.39 12.70 19.Следовательно, в широком энергетическом окне полу- мерения в режиме узкого окна с высоким разрешением и чаются близкие к истинным результаты количественно- определяется соотношение по ранее неразрешенным элего содержания различных элементов, но из-за низкого ментам или соседним пикам с использованием данных массового разрешения изотопы, а иногда и массовые процентного содержания отдельных пиков или групп, пики отдельных элементов сливаются. В номинальном полученных в режиме широкого окна.

режиме прибора в узком энергетическом окне от 10 Совместная обработка результатов дает возможность до 40 eV и при высоком массовом разрешении пра- определить истинное содержание элементов в матрице, вильные результаты получаются только для соседних по а также содержание примесей, учитывая, что соседние массе элементов, а выходы для элементов, разнесенных элементы имеют равновероятный выход.

по массовой шкале, существенно отличаются. В этом в основном заключается предложенная методиПри изложенных выше входных условиях оптималь- ка безэталонного анализа сплавов, которая, безусловно, требует экспериментального подтверждения.

ным является совместная обработка данных в режимах Для исследования аналитических характеристик широкого и узкого окон. При этом в режиме широкого прибора в узком окне были использованы пробы, окна определяется общее количество всех образованных обладающие высокой гомогенностью при концентрации ионов от 0 до Emax и их количество приравнивается элементов от 50 до 0.05% (500 ppm): ковар, стандарт к 100%. По этим данным определяется процентное стали и стандарт стекла NBS-612, в составе которого распределение элементов по отдельным пикам или по группам, если пики не разрешены. Далее проводятся из- однородно распределены металлы в виде примесей.

Рис. 2. Спектр ковара.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 140 Г.Г. Манагадзе, Н.Г. Манагадзе Рис. 3. Спектр нержавеющей стали.

Рис. 4. Фрагмент спектра стандарта стекла NBS-612.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Количественный безэталонный экспресс-анализ некоторых сплавов на лазерном... Рис. 5. Соотношения между содержаниями элементов в сплаве золота на основе экспериментальных данных (C1) и по сертификату (C2). Получены при различных напряжениях на U2: a — 93–94, b — 95, c — 96, d — 97–98 V. Напряжение на UR = 147 V. Данные по меди и цинку представлены вместе.

На рис. 2–4 представлены одиночные спектры ковара величины, крестики — среднеквадратические ошибки (табл. 1), стали (табл. 2) и фрагмент спектра стандарта полученных результатов. На этих графиках представлено стекла NBS-612 для металлов в диапазоне от рубидия до суммарное содержание цинка и меди.

рения. Из представленных данных отчетливо видно, что в Одиночный спектр стали демонстрирует выходы сосед- широком окне измеренные величины содержания разних элементов в режиме узкого энергетического окна. личных элементов в сплаве 14-каратного золота хороВидно, что все элементы достаточно хорошо разрешены. шо совпадают с их реальным содержанием, взятым из После интегрирования пиков полученные данные о ко- сертификата сплава. Это подтверждает справедливость личественном содержании элементов в матрице сплава предположения, что в широком энергетическом окне стали оказались близкими к стандартным содержаниям, выходы различных, в том числе и широко разнесенных приведенным в литературе. по массовой шкале, металлов одинаковы, что позволяет Рассмотрим результаты количественного анализа мно- проводить количественные измерения с помощью прибогокомпонентного сплава в режиме широкого энергетиче- ра ЛАЗМА.

ского окна. Для этих целей был выбран образец промы- Для получения полной информации об образце в шленного золота в 14 карат (сплав золота, серебра, меди режиме узкого окна было произведено разделение меди и цинка). Кроме возможности получения правильных и цинка. Эти результаты представлены на рис. 6. Сорезультатов в широком окне здесь также преследовалась отношение этих соседних элементов было определено с цель снятия аппаратной функции прибора для различных использованием хорошо разрешенных по массам спекшироко разнесенных по массовой шкале элементов. На тров, полученных в режиме узкого окна, а содержание рис. 5 две расходящиеся прямые ограничивают диапазон каждого элемента в отдельности — с использованием реального содержания металлов в 14-каратном золо- полученных ранее суммарных значений процентного соте, значки представляют экспериментально полученные держания меди и цинка.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 142 Г.Г. Манагадзе, Н.Г. Манагадзе Рис. 6. То же, что и на рис. 5, но данные по меди и цинку представлены раздельно.

Как видно из рис. 6, результаты измерений хорошо В дальнейшем планируется продолжение работ по совпадают со стандартными данными. Из эксперимен- изучению неметаллических проб. Особый интерес предтальных данных следует, что наиболее близко к стан- ставляют многокомпонентные пробы: керамика, стекло, различные минералы и почвы. По завершении этих дартным значениям подходят данные первой из четырех измерений можно будет точнее представить реальные серий измерений, режим 10-147-93/94B.

аналитические возможности прибора ЛАЗМА.

Таким образом, достигнута главная цель работы — показать возможности проведения химического анализа Авторы выражают благодарность Л.Е. Чумикову за веществ (на первом этапе — сплавов) без использования помощь, оказанную во время выполнения настоящей эталонного образца и без пробоподготовки. Не столь работы.

существенно, что измерения были проведены на относительно удобной мишени — гомогенном сплаве золота, Список литературы важнее то, что подтверждена действенность методики и после обработки спектров, полученных в широком [1] Манагадзе Г.Г. А.С. № 1732396. БИ. № 17. 1992.

и узком окнах, можно правильно определить состав [2] Managadze G.G., Shutyaev I.Yu. // Chemical Analysis. 1993.

многокомпонентного сплава.

Vol. 124. P. 505–545.

[3] McEntire R., Managadze G., Rosenbauer H. et al. // 46th Опытным путем обнаружено также отсутствие завиIntern. Austronautical Congress. Oslo, 1995.

симости эффективности регистрации ионов от их массы.

[4] Managadze G.G. Preprint of Space Res. Inst. M., 1994.

По полученным данным трудно судить, характеризует [5] Быковский Ю.А., Неволин В.Н. Лазерная массли это только данный прибор или, возможно, это боспектрометрия. М.: Энергоатомиздат, 1985. 129 с.

лее общая характеристика детектора, на вход которого [6] Манагадзе Г.Г., Манагадзе Н.Г. Препринт ИКИ РАН. М., поступают ионы, ускоренные перед первой пластиной до 1997.

энергии 2 keV.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып.




© 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.