Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Быков А.В. Физические методы исследования - файл ┴√ъют └.┬. ╘шчшўхёъшх ьхЄюф√ шёёыхфютрэш .doc


Быков А.В. Физические методы исследования
скачать (10144 kb.)

Доступные файлы (1):

┴√ъют └.┬. ╘шчшўхёъшх ьхЄюф√ шёёыхфютрэш .doc12681kb.29.01.2010 18:24скачать

содержание
Загрузка...

┴√ъют └.┬. ╘шчшўхёъшх ьхЄюф√ шёёыхфютрэш .doc

  1   2   3   4   5   6   7   8
Реклама MarketGid:
Загрузка...

Федеральное агентство по образованию




Тверской государственный технический университет

А.В. Быков, Г.Н. Демиденко,

В.Ю. Долуда, Э.М. Сульман

Физические методы исследования

Учебное пособие
Издание первое


Тверь 2010

У


ДК 543:54.03(075.8)

ББК 24.4я7
Быков, А.В. Физические методы исследования: учеб. пособие /
А.В. Быков, Г.Н. Демиденко, В.Ю. Долуда, Э.М. Сульман. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2010. 160 с.
Содержит сведения о целях и задачах курса «Физические методы исследования», классификацию физических методов исследования часто применяемых в различных областях химии. Подробно рассмотрены физические основы, аппаратное оформление и обработка первичных экспериментальных данных для методов рентгенофотоэлектронной спектроскопии, электронной оже-спектроскопии, рентгенофлуоресцент-ного анализа, методов сканирующей зондовой микроскопии, масс-спектрометрии и инфракрасной спектроскопии.

Предназначено для студентов специальности 020101.65 Химия и направления 020100.62 Химия, является составной частью курса цикла ОПД «Физические методы исследования» и знакомит с физическими методами и возможностями анализа состава, структуры и свойств веществ в различных агрегатных состояниях.

Рецензенты: д.т.н., профессор, проректор по научной работе Российского химико-технологического университета имени Д.И. Мен-делеева Панфилов В.И.; к.х.н., руководитель испытательного центра ФГУП ВНИИСВ Самсонова Т.И.

ISNB 978-5-7995-0517-2  Тверской государственный

технический университет, 2010

ВВЕДЕНИЕ
Разработка новых материалов с заданными свойствами, технологический контроль на производстве требуют применения современных высокотехнологичных методов исследования качественного и количественного состава вещества, его строения; состава и свойств поверхности аморфных и кристаллических веществ, а также жидких кристаллов.

Уровень исследований и ценность получаемых результатов непосредственно связаны с правильностью выбора и применением комплекса современных физических методов, которые могут помочь при решении поставленных перед исследователем химических и физико-химических задач, что требует понимания и владения различными методами физического анализа. В связи с этим целью изучения дисциплины «Физические методы исследования» является получение студентами знаний в области современных методов исследования структуры и свойств веществ.

В ходе обучения должны быть сформированы: понимание принципиальных основ, практических возможностей и ограничений важнейших для химиков физических методов исследования; представление об аппаратурном оформлении методов и условиях проведения эксперимента; умение интерпретировать и грамотно оценивать экспериментальные данные, в том числе публикуемые в научной литературе. Студент также должен научиться оптимальному выбору методов для решения поставленных задач и делать заключения на основании анализа и сопоставления всей совокупности имеющихся данных.

Физические методы анализа, достаточно часто применяемые в различных областях химии, можно подразделить на спектроскопические, магнетохимические, электрооптические и резонансные методы, масс-спектрометрию и микроскопию.

Распространенными задачами являются: установление состава вещества, определение морфологии и свойств поверхностей, степеней окисления атомов, распределение различных химических состояний атомов и атомных групп по глубине образца.

Поскольку охватить все методы исследования в одном учебном пособии невозможно, основное внимание направлено на изучение качественного и количественного атомного состава массивных образцов методом рентгенофлуоресцентного анализа; поверхностей, тонких пленок и наночастиц методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, электронной оже-спектроскопии и сканирующей зондовой микроскопии; состава и строения молекул методами инфракрасной спектроскопии и масс-спектрометрии.

^ 1. АНАЛИЗ КАЧЕСТВЕННОГО И КОЛИЧЕСТВЕННОГО

СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ
Все виды анализа конденсированных фаз можно разделить на объемный анализ, анализ тонких пленок и анализ поверхности. Анализ называют объемным, если он затрагивает глубину образца порядка 100 нм и более. Анализ тонких пленок – это анализ, предоставляющий информацию о свойствах поверхности образца глубиной порядка 10 нм. В ходе анализа поверхности получают информацию об одном или нескольких атомных слоях поверхности, глубина такого анализа составляет величину порядка 1 нм. Из большого числа методов анализа поверхности будут рассмотрены наиболее применимые в химии.

Основной задачей качественного анализа поверхностей твердых веществ является определение ее элементного состава, степеней окисления отдельных атомов, установление наличия определенных атомных групп, все это позволяют методы рентгенофотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и электронной оже-спектроскопии (ЭОС), обеспечивающие минимальную глубину анализа не хуже 0,5 нм и не хуже 5 нм, соответственно. Этими же методами можно установить количественный состав поверхностей и тонких пленок. Кроме того, качественное и количественное определение элементного состава тонких пленок и объема образца можно провести с применением метода рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Морфологию поверхности можно установить с помощью методов зондовой микроскопии: атомносиловой, сканирующей туннельной, электросиловой и ближнепольной.

Для правильной постановки эксперимента по анализу тонких пленок и поверхностей, а также правильного понимания и интерпретации необходимо иметь представление о возможных структурах поверхности, процессах, происходящих на ней, и представлять действие на поверхность падающих в анализе частиц и вызываемые ими изменения.
1.1. Поверхность
В общем случае твердые фазы подразделяются на кристаллические и аморфные. Кристаллами называют твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку – кристаллическую решётку, в связи с чем кристалл обладает свойством анизотропии. Структура кристалла имеет ближний и дальний порядки. Аморфными называют вещества, не имеющие кристаллической структуры, вследствие чего они не имеют дальнего порядка, изотропны и, в отличие от кристаллов, не расщепляются с образованием кристаллических граней.

Для кристаллических структур необходимо различать идеальный и реальный кристаллы. Первый является математической абстракцией, имеющей полную свойственную ему симметрию. Структура и свойства граней такого кристалла идентичны структуре и свойствам его объема. Реальный кристалл всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство - закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

При сколе кристалла наблюдаются процессы реконструкции и релаксации, но в любом случае кромки кристалла сохраняют двумерную периодичность (рис. 1). В случае релаксации верхний слой кромки (или несколько слоев) приближается к следующим за ним слоям. Так, в случае поверхности серебра Ag (110) FFC межатомное расстояние сокращается на 7,6%. Движущими силами описанных процессов являются стремление минимизации энергии и увеличение координации.

а

б

в
Рис. 1. Процессы, происходящие на поверхности при сколе кристалла:

а – релаксация; б и в – реконструкция;

стрелка – направление скола, будущие поверхности
Молекулы адсорбента также могут индуцировать реконструкцию. Такой процесс наблюдается, если энергии взаимодействия адсорбат - субстрат сопоставимы с силами взаимодействия субстрат – субстрат или превосходят их.
^ 1.2. Дефекты поверхности и процессы на поверхности
Любая реальная поверхность содержит дефекты (рис. 2): собственно ровная поверхность, называемая террасой (1); появляющаяся винтовая дислокация (2), пересечение краевой дислокации с террасой (3), адсорбированный атом (адатом) вещества, не принадлежащего поверхности (4), моноатомная ступень (5), вакансия на моноатомных ступенях (6), выступы в ступенях (7), излом на ступени (8), вакансия на террасе (9), адатом того же вещества, что и вещество объема, на террасе (10), вакансия на террасе, в которую захвачен электрон.

Хорошо подготовленная поверхность имеет от 0,1 до 1% дефектов.



Рис. 2. Дефекты поверхности (обозначения в тексте)
Поверхность не является некоторой застывшей структурой, ее всегда окружает некоторая среда, и поверхность участвует во взаимодействии с этой средой. На поверхности могут происходить такие процессы, как сорбция (адсорбция, абсорбция, хемосорбция), десорбция, поверхностная диффузия, или миграция, встраивание в кристаллическую решетку, агрегация, взаимодиффузия различных компонентов. Также на поверхности могут происходить химические реакции, индуцированные падающими частицами, например, ионами, или излучением, например рентгеновским или ультрафиолетовым. Обычно это реакции деструкции, изомеризации, а также окислительно-восстановительные реакции.

При случайной или умышленной сорбции компонентов из газовой фазы на поверхности кристалла происходит образование слоя адсорбата, которое определяется скоростью столкновения атомов или молекул с подложкой (число частиц в единицу времени в единице объема)

(1)

где P – давление паров; М – молекулярная масса частиц; k – константа Больцмана; Т – температура источника частиц, К.

Частица, конденсированная из газовой фазы, может сразу же покинуть поверхность подложки или диффундировать по поверхности. Процесс поверхностной диффузии может привести к адсорбции частицы на поверхности подложки или растущей пленки или к процессу поверхностной агрегации, сопровождающимся образованием на поверхности подложки зародышей новой кристаллической фазы конденсированного материала. Адсорбция отдельных атомов протекает, как правило, на ступеньках роста или других дефектах. Атомный процесс взаимодиффузии, при котором атомы пленки и подложки обмениваются местами, играет важную роль в процессе роста пленок.

На феноменологическом уровне различают три основных типа роста пленок (рис. 3):

  1. Послойный рост, или рост Франка - Ван дер Мерве. В данном случае каждый последующий слой пленки начинает формироваться только после завершения роста предыдущего слоя. Послойный рост осуществляется, если взаимодействие между подложкой и строящимся слоем атомов значительно больше, чем между ближайшими атомами в слое.

  2. Островковый рост, или рост Вольмера - Вебера. Является проти-воположностью послойному росту. Вещество с самого начала оседает на поверхности в виде многослойных конгломератов атомов. Условием реализации островкового роста является преобладающее взаимодействие между ближайшими атомами строящегося слоя над взаимодействием их с подложкой.

  3. Промежуточный рост, или рост Странски - Крастанова. Первый слой осаждающегося вещества полностью покрывает поверхность подложки, и на этом слое происходит рост трехмерных островков пленки. К этому механизму роста могут привести различные факторы, в частности достаточно большое несоответствие между параметрами кристаллических решеток пленки и подложки.

Иногда выделяют четвертый механизм роста: статистическое осаждение, которой наблюдается, когда осаждаемые атомы располагаются на поверхности, согласно распределению Пуассона, так, как если бы их бросали случайно и они просто прилипали бы на месте падения.

Условие, разграничивающее реализацию того или иного механизма роста, можно получить из анализа соотношений между коэффициентами поверхностного натяжения между подложкой и вакуумом σs, между пленкой и вакуумом σF, и между подложкой и пленкой σS/F (рис. 4).



Рис. 3. Типы роста пленок



Рис. 4. Пленка новой фазы на подложке
Коэффициент поверхностного натяжения (поверхности) равен свободной энергии единицы поверхности. Этот коэффициент определяет силу поверхностного натяжения, действующую на единицу элемента длины границы раздела. Согласно этому определению, сила dF, действующая на бесконечно малый элемент dl границы раздела двух сред, задается как

dF=σdl. (2)

Из условия равновесия для любого элемента длины линии соприкосновения подложки, трехмерного островка пленки и вакуума получим

σs = σS/F + σF cosφ, (3)

где φ – краевой угол, т.е. угол, образованный касательной к поверхности островка пленки и поверхностью подложки. Зная σ, можно рассчитать φ.

Если краевой угол равен нулю, то островок растекается тонким слоем по поверхности подложки, что соответствует послойному механизму роста. Это условие приводит к следующему соотношению между коэффициентами поверхностного натяжения

σs σS/F + σF (послойный рост). (4)

Если φ>0, реализуется механизм роста островков, условие которого:

σs < σS/F + σF (рост островков). (5)

^ 1.3. Аппаратное оформление методов РФЭС, ЭОС, РФА
Современный электронный спектрометр для проведения РФЭС и ЭОС исследований содержит в своем составе (рис. 5):

1) источник рентгеновского излучения (РФЭС) или источник высокоэнергетических электронов (ЭОС);

2) исследуемый образец;

3) анализатор энергий электронов;

4) детектор (вторичный электронный умножитель);

5) низкоэнергетическую электронную пушку для компенсации зарядки;

6) ионную пушку, используемую для очистки поверхности и профилирования по глубине;

7) вакуумную камеру из μ-металла;

8) систему вакуумных насосов.

Прибор для проведения рентгенофлуоресцентного анализа приведен на рис. 6. Эксперимент по анализу образца методами РФЭС и ЭОС заключается в следующем: образец, помещенный в вакуум, освещается рентгеновскими лучами известной энергии из источника рентгеновского излучения (РФЭС) или высокоэнергетическими электронами известной энергии (ЭОС), под действием которых происходит выбивание электронов из образца и возникновение оже-электронов. Электроны, покинувшие образец, собираются линзовой системой анализатора и разделяются им по энергиям, поступая затем в детектор, роль которого выполняет вторичный электронный умножитель. Сигнал с детектора поступает на компьютер и обрабатывается. Общее управление процессом анализа на современных приборах осуществляется компьютером.

Эксперимент по анализу образца методом РФА заключается в следующем: образец освещается тормозным и характеристическим рентгеновским излучением из рентгеновской трубки, после возбуждения элемента в образце набор длин волн, характеристичных для элемента, покидает образец. Это вторичное излучение проходит через коллиматор падает на кристалл, который служит анализатором спектра. Кванты рентгеновского излучения, порожденные образцом и отвечающие условиям дифракции на кристалле при заданном угле, попадают на детектор. Изменяя угол падения рентгеновского излучения из образца на кристалл, можно проанализировать весь спектр энергий рентгеновских квантов, испущенных образцом. Задание угла поворота кристалла и общее управление процессом осуществляет компьютер.
1.3.1. Вакуумная система
Требования сверхвысокого вакуума основываются на двух причинах. Во-первых, поскольку анализу подвергаются электроны, выбитые из образца, то очевидно, что выбитый электрон должен преодолеть расстояние от образца до детектора, не испытав при этом взаимодействий с молекулами газа, в противном случае он будет утрачен для анализа. Таким образом, длина свободного пробега электронов должна быть намного больше размеров спектрометра. Это требование само по себе не накладывает строгих ограничений на рабочий вакуум, так как оно удовлетворяется уже при 10-3-10-4 Па.
а

б
Рис. 5. Принципиальный вид установки для анализа поверхности методами РФЭС и ЭОС а – принципиальная схема установки; б – станция анализа поверхности AXIS ULTRA


Рис. 6. Принципиальная схема рентгенофлуоресцентного анализатора
Вторая причина обусловливается спецификой объекта анализа. Методы РФЭС и ЭОС предназначены специально для анализа поверхности с глубиной зондирования порядка нескольких атомных слоев, а чувствительность метода составляет около 0,1% атомного слоя. Это означает, что приведенные методы очень чувствительны к поверхностным загрязнения любого рода, а сам эксперимент можно начинать, только будучи уверенными в постоянстве состава поверхности.

Обычно источником загрязнения в вакууме служит остаточный газ, а для рутинных экспериментов достаточным можно признать вакуум порядка 10-7-10-8 Па. Такое давление соответствует условиям сверхвысокого вакуума (рис. 7). Для достижения такого вакуума за достаточно короткий промежуток времени вакуумную систему подвергают прогреву, одновременно откачивая остаточные газы вакуумными насосами. При прогреве скорость диффузии и десорбции веществ, адсорбированных на внутренних поверхностях прибора, возрастает. Обычное время прогрева вакуумной системы зависит от степени ее загрязнения и составляет от 3 часов до нескольких суток.

Вакуумная система прибора состоит из рабочих камер, выполненных из немагнитных сортов стали, и системы насосов, которая обычно включает три ступени. Первая ступень представлена роторным насосом, обеспечивающим вакуум порядка 1 Па. Вторая ступень включает турбомолекулярные насосы или диффузионные насосы, снабженные азотными ловушками. Такие насосы обеспечивают достижение высокого вакуума, порядка 10-6 Па. При этом насосы первой и второй ступеней подключены последовательно. Третью ступень составляют ионные и титановые сублимационные насосы, позволяющие достичь сверхвысокого вакуума(10-8-10-9 Па).


Рис. 7. Время достижения сверхвысокого вакуума без прогрева прибора
Диффузионные насосы неприхотливы, одинаково откачивают газы независимо от их молекулярной массы, однако не приспособлены для откачивания газов–окислителей, таких как кислород. В своей работе требуют водяного охлаждения и сорбционных ловушек с охлаждением жидким азотом. Турбомолекулярные насосы не требуют водяного охлаждения и не нуждаются в жидком азоте, однако скорость откачки газов зависит от их молекулярной массы: чем меньше, тем ниже скорость откачки. Поэтому в остаточных газах при откачке турбомолекулярными насосами остаются низкомолекулярные газы. Сублимационные насосы нуждаются в охлаждении жидким азотом, а в качестве остаточных газов, как и в случае ионных насосов, преобладают инертные газы.
1.3.2. Источник рентгеновского излучения для РФЭС
Принцип получения мягкого рентгеновского излучения заключается в том, что электроны, испускаемые катодом, бомбардируют покрытие анода источника рентгеновских лучей, находящееся под высоким положительным потенциалом. В результате торможения ускоренных положительным потенциалом анода электронов в материале покрытия анода возникают рентгеновские лучи, характерные для данного материала. Во избежание оплавления анода из-за сильного разогрева он охлаждается водой. Устройство магний-алюминиевого двойного источника представ-лено на рис. 8.

Все современные источники мягкого рентгеновского излучения для РФЭС исследований подразделяются на монохроматические и немонохроматические. Возможные материалы анода источника приведены в табл. 1.


Рис. 8. Устройство немонохроматического источника рентгеновских лучей типа твин-анод (покрытие Mg и Al): 1– корпус источника; 2– анод;

3– магниевое покрытие; 4 – алюминиевое покрытие; 5 – катоды; 6 – пучок электронов направленный от катода к аноду; 7 – охлаждение анода;

8 – направление потока воды
Самыми распространенными источниками на данный момент являются немонохроматические источники с магнием или алюминием в качестве материалов покрытия анода и монохроматические источники с алюминием в качестве покрытия материала анода.
Таблица 1. Возможные материалы анода для РФЭС

Элемент

Линия

Энергия, эВ

Полная ширина на половине высоты, эВ

Y



132,3

0,47

Zr



151,4

0,77

Mg

1,2

1253,6

0,7

Al

1,2

1486,6

0,9

Si



1739,6

1,0

Zr



2042,4

1,7

Ag



2984,4

2,6

Ti



4510,9

2,0

Cr



5417,0

2,1


Монохроматические пучки рентгеновских лучей получают за счет дисперсии рентгеновских лучей при дифракции на кристалле, которая описывается уравнением Брэга

nλ=2d sinθ. (6)

Для первого порядка дифракции Кα-линии алюминия подходит кристалл кварца, который помещают на поверхность фокусирующей сферы, известной как сфера Роуланда, изгибая его по направлениям сферы. Анод, облучаемый сфокусированным пучком электронов, и исследуемый образец также лежат на сфере таким образом, что Кα-излучение диспергируется благодаря дифракции на кристалле и фокусируется на образце. Если необходимо выделить Кα1–компоненту Кα-линии алюминия, то угол между падающим и дифрагированным пучками (2θ) должен быть равен 230 (рис. 9).

Рис. 9. Принцип монохроматизации рентгеновского излучения:

1 – круг Роуланда; 2 – источник рентгеновского излучения; 3 – кристалл-монохроматор; 4 – исследуемый образец; 2θ – угол между падающим и дифрагированным лучами
Спектры поверхности меди, полученные с помощью немонохроматических источников с линиями Al Kα1,2 и Mg Kα1,2, представлены на рис. 10. Из приведенных спектров видно, что позиции фотоэлектронных пиков меди при смене источника излучения сохраняют свои значения (ось Х – «энергия связи»), в то время как оже-линии изменяют свою позицию на 233 эВ, что отвечает разности энергий характеристических линий рентгеновского излучения Al Kα1,2 и Mg Kα1,2. Спектр от немонохроматического источника характеризуется наличием сателлитов, расположенных на определенных расстояниях со стороны меньших энергий связи от основного пика (рис. 11).


Рис. 10. Спектры поверхности меди



Рис. 11. Спектры высокого разрешения подуровня Ag 3d
1.3.3. Источник рентгеновского излучения для РФА
Принципиально конструкция источника рентгеновских лучей для РФА сходна с конструкцией источников для РФЭС. Однако на поверхность анода, бомбардируемую электронами, наносят не магний или алюминий, а хром, молибден, родий, палладий, серебро, рений или золото. Спектральный состав излучения трубки зависит от выбора материала анода. Для большинства задач подходит родиевое покрытие, хотя другие материалы, например молибден, хром или золото, могут быть предпочтительнее в определенных случаях. Толщина покрытия обычно не превышает 0,03 мм. Выход из рентгеновского источника обычно закрывается тонким бериллиевым окошком для предотвращения потока обратно рассеянных электронов на образец.
1.3.4. Высокоэнергетическая электронная пушка для ЭОС
В ЭОС используются два типа электронных источников: термоэмиссионные и автоэмиссионные, причем термоэмиссионные встречаются чаще. В случае термоэмиссии материал источника просто нагревается до температуры, достаточно высокой для того, чтобы часть электронов этого материала приобрела энергию, необходимую для прохождения над потенциальным барьером, которым является работа выхода в вакуум. Чем выше температура, тем больше термоэмиссия. Обычно применяемые материалы - вольфрам или борид лантана.

Автоэмиссия имеет совершенно иной механизм. Электронам в вакууме не сообщается дополнительная энергия, как в случае термоэмисии, однако создание сильного внешнего положительного электрического поля у поверхности материала – источника электронов, изготовленного в виде иглы, - уменьшает потенциальный барьер, удерживающий электроны в веществе, и обеспечивает возможность туннелирования электронов в вакуум.

Полученные тем или иным способом электроны ускоряются и фокусируются линзовыми системами на образце.
1.3.5. Анализаторы энергий в РФЭС и ЭОС
Наиболее распространенными анализаторами энергий являются анализатор типа цилиндрического зеркала, чаще применяемый в ЭОС
(рис. 12) и полусферический анализатор энергий, обычно применяемый в РФЭС (рис. 13).

Анализатор типа цилиндрическое зеркало, или цилиндр Венальда, состоит из двух коаксиально расположенных цилиндров, при этом внутренний цилиндр заземлен, а внешний находится под потенциалом V. Электроны, выбитые из образца, расположенного на оси цилиндров, проходят во входную апертуру и отклоняются потенциалом внешнего цилиндра. При этом электроны определенной энергии попадают в выходную апертуру и фокусируются на детекторе. Таким образом, изменением потенциала внешнего цилиндра можно выбирать для анализа электроны различных энергий. Постепенно изменяя потенциал V, можно провести сканирование всего спектра электронов, покидающих образец. Двухпролетный цилиндрический анализатор представляет собой два последовательно расположенных анализатора, детектор располагается на выходе из второго анализатора.



Рис. 12. Двухпролетный анализатор типа цилиндрическое зеркало



Рис. 13. Полусферический анализатор энергий

S1 – входная апертура; S2– выходная апертура

Полусферический анализатор энергий состоит из коллиматора, в котором электронный пучок собирается и фокусируется, и полусферического конденсатора. Анализ энергий электронов в таком анализаторе может осуществляться в двух режимах:

  1. постоянного задерживающего потенциала, создаваемого в коллиматоре;

  2. постоянного потенциала полусферических электродов.

В обоих анализаторах имеются входная и выходная апертуры, представляющие собой щели. Изменение ширины этих щелей позволяет регулировать разрешение анализатора по энергии и интенсивность потока электронов, поступающих на анализ. Чем больше ширина щели, тем хуже разрешение, что отражается в уширении пиков, и тем больше поток электронов (светосила), то есть лучше чувствительность и соотношение сигнал/шум.

Цилиндрический анализатор обладает большей светосилой, по сравнению с полусферическим анализатором, но меньшей разрешающей способностью.
1.3.6. Детекторы для РФЭС и ЭОС
Для регистрации электронов используют вторичные электронные умножители. Такой умножитель представляет собой каналотрон - изогнутую трубку, внутренние стенки которой покрыты веществом с высоким коэффициентом выхода вторичных электронов. При попадании электрона на внутреннюю поверхность стенки детектора в месте удара выбивается несколько электронов, которые продолжают путь по трубке, вновь сталкиваются с ней и выбивают новые электроны. Так рождается электронная лавина, формирующая импульс тока, который регистрируется электронной схемой.

В современных приборах для РФЭС и ЭОС используют мультиканальные детекторы, то есть детекторы, представляющие собой сборку из нескольких каналотронов, что позволяет увеличить отношение сигнал/шум и уменьшить время анализа.
1.3.7. Детекторы для РФА
При регистрации рентгеновских лучей используется их способность ионизировать атомы и молекулы, то есть посредством передачи энергии удалять из них электроны. В ряде материалов, используемых для детектирования рентгеновского излучения, под воздействием рентгеновских лучей возникают импульсы. Амплитуда этих импульсов пропорциональна энергии воздействующих рентгеновских квантов. Регистрируя амплитуду импульсов, получают информацию об энергии рентгеновских квантов. Число рентгеновских квантов за время измерения (импульсы в секунду) называется интенсивностью излучения и содержит, в первом приближении, информацию о концентрации излучающего элемента в пробе. В современных волнодисперсионных рентгенофлуорес-центных спектрометрах в основном применяются два типа детекторов: газопропорциональный счетчик и сцинтилляционный счетчики.

Газопропорциональный счетчик (рис. 14) состоит из цилиндрической металлической трубки, по оси которой натянута тонкая вольфрамовая или стальная нить – счетный провод. Эта трубка заполнена подходящим газом (например, Ar + 10% CH4). К счетному проводу приложено высокое положительное напряжение. Сбоку на трубке имеется отверстие или окно, закрытое материалом, проницаемым для рентгеновского излучения. Рентгеновские лучи, попадающие в полость трубки, ионизуют находящийся в ней газ. Образующиеся при этом электроны, имеют высокую энергию, которую могут потратить на ионизацию других молекул газа, и на счетный провод попадает поток электронов, пропорциональный энергии рентгеновского излучения, попавшего в полость трубки.

Сцинтилляционный счетчик, применяемый в РФА, состоит из кристалла иодида натрия, легированного примесью таллия. Толщина кристалла достаточно высока, чтобы поглотить все высокоэнергетические кванты, используемые в РФА. Энергия проникших в кристалл рентгеновских квантов постепенно передается атомам кристалла, которые, в свою очередь, излучают свет (люминесценция). Совокупность таких квантов света создает световую вспышку. Световая энергия этих световых вспышек – это энергия, которая пропорциональна энергии рентгеновского кванта, отданной кристаллу. Образовавшееся световое излучение достигает фотокатода, с поверхности которого эмитируются электроны. Эти электроны попадают во вторично-электронный умножитель или фотоумножитель, принцип которого описан выше. На выходе умножителя в результате лавинообразного процесса вырабатывается измеряемый сигнал (рис. 15). Амплитуда образовавшихся импульсов напряжения, как и в случае газопропорционального счетчика, пропорциональна энергии детектируемого рентгеновского кванта.


Рис. 14. Газопропорциональный счетчик: 1– корпус; 2– керамический изолятор; 3 – счетный провод; 4 – тонкостенное окно; 5 – поток рентгеновских лучей



Рис. 15. Сцинтилляционный счетчик и фотоумножитель
  1   2   3   4   5   6   7   8



Скачать файл (10144 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации