Физика/8. Молекулярная физика

В.А. Цымбал¹, О.В. Полевич², Д.Ю. Шахов¹

¹Национальный научный центр «Харьковский Физико-Технический институт»

²Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина

Возможности метода рентгенофлуоресцентного анализа для изучения оптических материалов.

Часть 2. Аппаратурная реализация.

Наиболее эффективны для использования в производственных условиях рентгеновские многоканальные спектрометры (квантометры), каждый спектрометрический канал которых настроен на один определенный элемент. К числу таких аппаратов относятся квантометры СРМ-25 и СРМ-35. Рентгеновский флуоресцентный квантометр СРМ-25 предназначен для анализа дискретных проб материалов одновременно любых 16 химических элементов в диапазоне от углерода до урана, исключая азот и инертные газы, и обеспечивает получение надежных данных об образцах при экспозициях 30÷40 сек. Время экспозиции зависит как от концентрации определяемых элементов в пробе, так и от их порядкового номера в таблице Менделеева, определяющего необходимость проведения измерения со стабилизацией вакуума. При необходимости смена каналов, настроенных на определенный элемент, может быть произведена оперативно в течение рабочей смены измерений. Обработка информации со счетчиков производится с помощью усилителей-дискриминаторов, смонтированных в стойке регистрации. Минимально определяемая концентрация 10^-4÷10^-5%.

Новые возможности и удобства представляет улучшенная модификация спектрометра СРМ-25 – СРМ-35, в котором обобщен опыт предыдущей эксплуатации и новые технологические режимы. Многофункциональное программное обеспечение позволяет эффективно проводить анализ, осуществлять настройку и тестирование состояния прибора. Весьма удобным является наличие энергодисперсионного канала для качественного анализа проб до 40 элементов.

В условиях научно-исследовательских учреждений для решения самых разнообразных аналитических задач оправдано использовать универсальные рентгеновские спектрометры со сканирующим каналом. Портативный рентгеновский кристалл-дифракционный спектрометр СПАРК-1-2М благодаря хорошим аналитическим параметрам позволяет проводить измерения микропримесей в веществах различных агрегатных состояний. Спектрометр предназначен для рентгеноспектрального анализа химических элементов от Sc²¹ до U⁹² , а также для определения состава и толщин покрытий. Принцип действия спектрометра основан на возбуждении рентгеновской флуоресценции контролируемых элементов излучением рентгеновской трубки малой мощности с последующим анализом вторичного характеристического излучения. Спектрометр функционирует в комплексе с персональным компьютером. Программное обеспечение позволяет производить качественный, количественный и безэталонный полуколичественный анализ разнообразных материалов. Вместе с прибором поставляется программа, которая служит для настройки спектрометра, контроля его паспортных характеристик, для градуировки механизмов спектрометра и выбора условий измерения, обеспечивает сканирование по спектру в заданном интервале длин волн с одновременной регистрацией скорости счета от образца. Программное обеспечение реализовано на ПК класса Pentium в операционной системе Windows. Связь со спектрометром через последовательный интерфейс RS-232.

Достаточно универсальным и относительно недорогостоящим является спектрометр рентгенофлуоресцентный Спектроскан МАКС-GV (Россия), имеющий такой же диапазон определяемых элементов, как и предыдущие спектрометры серии СРМ, но немного уступающий им по прямому переделу обнаружения (без пробоподготовки). При этом надо отметить малые габаритные размеры (550×450×450 мм и вес 70 кг). Прибор имеет интерфейс с ЭВМ - RS-232.

При анализе оптических образцов особое внимание необходимо обращать на толщину излучающего слоя. Все приведенные ранее замечания об учете матричных эффектов относятся в основном к анализу проб такой толщины d, что интенсивность анализируемых линий не будет увеличиваться при дальнейшем увеличении толщины излучающего слоя. Это условие есть [1]:

, (1)

где ρ – плотность пробы, α_А , С_А , α_Н , С_Н – соответственно коэффициенты поглощения и концентрации анализируемого элемента и наполнителя пробы. Если толщина излучающего слоя

, (2)

то интенсивность флуоресценции определяемого элемента не будет зависеть от химического состава наполнителя пробы и будет прямо пропорциональна содержанию определяемого элемента и количеству материала в излучающем слое. При определении нескольких элементов в одном излучателе толщина последнего должна рассчитываться для элемента, имеющего аналитическую линию с наибольшей длиной волны. Поэтому для анализа оптических элементов, имеющих характер пленки на подложке, необходимо достаточно точно знать толщину этой пленки.

Возможности исследования профиля распределения элементов по глубине методами РФА. Исследования распределения концентраций по глубине (профиля концентрации) проводится как методом обратного рассеяния элементарных частиц, так и путем анализа характеристического рентгеновского излучения в веществе мишени [2]. Рентгеновский анализ дает лучшее разрешение по массе, но несколько худшее по глубине по сравнению с методом обратного рассеяния. Улучшить разрешение по глубине можно путем увеличения эффективной толщины анализируемых пленок. Для этого геометрию эксперимента выбирают так, чтобы поток первичных частиц, возбуждающих характеристическое излучение, падал под скользящим углом к мишени. Под таким же углом расположен детектор рентгеновского излучения. Дифференциальный выход рентгеновского излучения, возбуждаемого в элементе d_x мишени:

, (3)

где n(x) и σ(x) – профиль концентрации элемента и сечение возбуждения рентгеновских лучей, μ – коэффициент поглощения характеристического излучения в мишени, - угловая эффективность детектора. Полный выход получаем интегрированием выражения (3) с учетом зависимости длины траектории от угла детектирования ψ:

(4)

где R – пороговая энергия ионизирующего излучения, полностью поглощаемая в образце.

Анализ этой формулы позволит получить информацию о виде профиля концентрации n(x) [3]. Действительно, результирующий выход Y будет зависеть от следующих параметров:

а) коэффициентов поглощения разных линий характеристического излучения одного элемента, т.е. K_α и L_α ;

б) углов, под которыми установлены источник и детектор излучения;

в) энергии возбуждающего излучения.

Практически используется метод, в котором при постоянных углах изменяется энергия возбуждающих частиц (протонов). Обозначив

, (5)

можно интеграл (4) переписать в виде суммы

, (6)

где

,

а С(k) – среднее значение функции c(x) в слое k:

, (7)

(k=1, 2, … N).

Таким образом, толщина пленки разбивается на N слоев, соответственно числу энергетических каналов возбуждающих частиц. Получаемая система N уравнений для N-значений концентраций в слоях полностью эквивалентна «триангуляционной матричной схеме», однако проще в практическом решении.

При использовании стандартных рентгеновских установок типа СРМ-25 сканирование энергии можно осуществить изменением анодного напряжения ступенчатым образом. Для установки типа СПАРК-1-2М с фиксированными углами рассеяния и тремя значениями анодного напряжения 12, 18 и 25 киловольт возможности анализа профиля концентрации определяемых элементов несколько ограничены, но, тем не менее, данное оборудование позволяет определять профили распределения элементов в матрице, правда, при некоторых ограничениях по их глубине.

В заключение стоит отметить, что комплексное использование двух методов – обратного рассеяния и РФА практически обеспечивает решение этих задач.

Литература:

1. Лосев М.Ф. Количественный рентгеноспектральный флуоресцентный анализ. – М., Наука, 1969.

2. Feldman L.C., Poate J.M., Ermanis F. and Schwartz B. The combined use of the back-ground and He-induced X-rays in the study of anodically grown oxide films on GaAs. – Thin Solid Film, 1983, v.19, № 1, p. 81 – 89.

3. Vegh J. An evaluation procedure for indepth concentration profiling with PIXE. – Atomki Kozlememyek, 1988, v.20, № 3, p. 229 – 236.