Рентгеновский микроанализ. 
Материаловедение: методы исследования структуры и состава материалов

В 1949 г. появилась публикация Р. Кастена [1, 2], в которой сообщалось о новом приборе для определения атомного состава материалов — рентгеновском микроанализаторе.

В подпараграфе 4.3.2 были рассмотрены основные процессы, приводящие к образованию рентгеновского отклика образца на воздействие микрозонда. Испускаемый мишенью рентгеновский спектр практически однозначно связан с атомным составом образца и позволяет достаточно точно определить содержание входящих в него элементов. Можно сказать, что рентгеновский спектр — это своеобразные «отпечатки пальцев», позволяющие при помощи определенной процедуры проводить идентификацию образцов, нужно только определить положения и интенсивности всех линий рентгеновского спектра.

Методы регистрации рентгеновского спектра

Для определения элементного состава образца рентгеновское излучение, генерируемое образцом-мишенью, разлагается в спектр по длинам волн при помощи какого-либо диспергирующего элемента. В электронно-зондовом микроанализе используются два способа измерения рентгеновского спектра: метод кристалл-дифракционного спектрометра и энергодисперсионный метод. Каждый из этих методов имеет и свои достоинства, и свои недостатки [1, 2].

Метод кристалл-дифракционного спектрометра.

Измерение положения линий и их интенсивностей основано на законе Брэгга (см. формулу (1.18)).

Упрощенная блок-схема кристалл-дифракционного спектрометра показана на рис. 4.23. Как уже отмечалось выше, ток микрозонда достаточно мал, следовательно, и сигнал рентгеновского излучения также мал, поэтому для сбора и анализа наибольшего числа квантов приходится применять специальную геометрию спектрометра с фокусировкой. На рис. 4.24 показаны три варианта рентгеновского спектрометра.

Рис. 4.23. Блок-схема микроанализатора с кристалл-дифракционным спектрометром

Рис. 4.24. Три варианта схем рентгеновских спектрометров:

а — спектрометр с плоским кристаллом; б — спектрометр с частичной фокусировкой по Иоганну; в — спектрометр с полной фокусировкой по Иогансону; S — источник рентгеновского излучения на образце; С — кристалл-анализатор; D — детектор, регистрирующий рентгеновское излучение; 0 — угол Брэгга; 60 — угловое отклонение от угла Брэгга; R — радиус круга фокусировки Роуланда; 2R — радиус изгиба кристалла-анализатора Как следует из рис. 4.24, а, спектрометр с плоским кристаллом не обеспечивает сбора всех лучей, испускаемых образцом, так что эта геометрия не может обеспечить высокой светосилы. Такое затруднение преодолевается использованием фокусирующих спектрометров. Для этого кристалл-анализатор, образец с источником рентгеновского излучения и детектор должны располагаться на круге фокусировки (круг Роуланда), имеющем радиус R. Причем кристалл-анализатор должен быть изогнут так, чтобы отражающие плоскости имели радиус кривизны 2R. Кристалл-анализатор касается круга фокусировки рис. 4.24, б. Такая схема называется фокусировкой по Иоганну. Однако эта схема не обеспечивает полной фокусировки вследствие сферической аберрации.

Схема полной фокусировки показана на рис. 4.24, в. Поверхность кристалла-анализатора сошлифована до кривизны круга Роуланда, т. е. до полного совпадения с кругом фокусировки. Это обеспечивает для всех лучей, исходящих из точки на образце, одинаковый угол падения на кристалл-анализатор и фокусировку в точку D на круге Роуланда, где расположен детектор. Эта схема получила название фокусировки по Иогансону.

Регистрация спектра для этих схем фокусировки осуществляется путем поворота круга фокусировки вокруг точки расположения образца и одновременного перемещения детектора по кругу фокусировки. Энергетическое разрешение, достигаемое на приборах этого класса, составляет обычно менее 10 эВ.

Спектр характеристического излучения, используемый в рентгеноспектральном анализе, ограничен областью 0,5—10 А, что связано в первую очередь с удобством регистрации этого диапазона длин волн. Именно для этого диапазона разработаны детекторы, нашедшие наибольшее применение в практике. Для регистрации излучения большей длиной волны применяют специальные проточные пропорциональные детекторы.

На рис. 4.25 приведены зависимости длин волн серий К_а, L_a, М_а от атомного номера элемента. Из графиков рис. 4.25 становится понятно, что для идентификации легких элементов с атомными номерами до Z ~ 40 используются 1С_а-серии линий, в то время как для более тяжелых элементов приходится использовать серии L_a.

Рис. 4.25. Зависимости длин волн серий К_а, L_a, М_а от атомного номера.

В современных приборах для рентгеновского микроанализа используется два или более спектрометров, имеющих кристаллы-монохроматоры с различными значениями межплоскостных расстояний. Это позволяет одновременно проводить анализ по нескольким элементам и дает возможность для оптимизации условий проведения анализа в различных диапазонах длин волн. В табл. 4.1 приведены основные характеристики некоторых рентгеновских кристаллов-монохроматоров, используемых в микрозондовом анализе.

Энергодисперсионный метод регистрации спектра. С 1970;х гг. в практику рентгеноспектрального микрозондового анализа начали входить энергодисперсионные полупроводниковые детекторы на основе кремния Si, легированного литием Li. На базе таких детекторов в настоящее время созданы весьма совершенные энергодисперсионные сиСравнительные характеристики кристаллов-монохроматоров.

стемы, позволяющие анализировать спектры практически всех элементов. На рис. 4.26 приведена упрощенная блок-схема энергодисперсионного спектрометра.

Рентгеновские кванты, испускаемые мишенью под воздействием электронного зонда, через тонкое бериллиевое окно попадают на вход полупроводникового детектора. Практически каждый квант вызывает появление электрического импульса, амплитуда которого пропорциональна энергии кванта. Электрические импульсы усиливаются специальными малошумящими усилителями, сортируются многоканальным анализатором или ЭВМ по амплитудам, выдаются в графическом виде на экран монитора и одновременно регистрируются в памяти ЭВМ или многоканального амплитудного анализатора для дальнейшей обработки.

Рис. 4.26. Блок-схема энергодисперсионного рентгеновского спектрометра

При взаимодействии с материалом детектора электрон будет расходовать свою энергию в основном на формирование полезного сигнала, однако часть энергии может расходоваться на различного рода неупругие взаимодействия, в результате чего будет наблюдаться разброс импульсов по амплитуде. Поэтому полуширина линии даже для моноэнергетических электронов будет зависеть от таких шумовых потерь энергии. Для снижения уровня шумов полупроводниковых детекторов используют охлаждение детектора и входного предусилителя до температуры жидкого азота. Таким способом удается довести разрешение детекторов до величины 100—150 эВ.

Энергодисперсионные спектрометры имеют одно очень важное преимущество по сравнению с кристалл-дифракционными спектрометрами: они не требуют перемещений детектора в камере спектрометра, так как весь спектр регистрируется одновременно для всех длин волн. В табл. 4.2 приведены основные характеристики этих двух типов спектрометров.

Таблица 4.2

Сравнительные характеристики кристалл-дифракционных и энергодисперсионных спектрометров.

Хотя разрешение энергодисперсионного спектрометра существенно уступает разрешению кристалл-дифракционного спектрометра, простота кинематической конструкции и экспрессность метода регистрации ставят энергодисперсионный метод на первое место при решении большинства задач, особенно на предварительной стадии исследования рентгеновского микроанализа. Поэтому в конструкции современных рентгеновских микроанализаторов обычно присутствуют оба типа спектрометров.