Procédé pour effectuer une analyse spectrale et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé
L'invention est relative aux procédés pour effectuer des analyses spectrales ou spectroscopies, et aux dispositifs pour leur mise en oeuvre, notamment dans l'ultra-violet lointain, donc portant sur les éléments de nombre atomique faible; et elle concerne plus particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus d'intérêt, mais non exclusivement, parmi ces moyens, ceux destinés à l'analyse des alliages, notamment à l'analyse des aciers.
Elle a pour but, surtout, de rendre tels, les susdits procédés et dispositifs qu'ils répondent mieux que jusqu'à ce jour aux diverses exigences de l'analyse spectrale, notamment en ce qui concerne la pureté des raies et la localisation, la brillance et la stabilité de la source d'émission.
L'invention a pour objet un procédé pour effectuer l'analyse spectrale d'un échantillon disposé sous vide avec le système optique dispersif, caractérisé par le fait qu'on réalise l'émission de raies caractéristiques d'une zone limitée dudit échantillon en bombardant cette zone par un faisceau d'électrons focalisés sur ladite zone, l'intensité du faisceau étant telle que ladite zone soit portée à une température suffisamment élevée pour émettre des raies dans le domaine des radiations visibles ou ultra-violettes.
L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en ceuvre du procédé précité, comportant une enceinte susceptible d'être évacuée dans laquelle est logé un support destiné à porter au moins un échantillon à analyser et le système optique dispersif, caractérisé par le fait qu'il comprend un canon à électrons avec une cathode émissive apte à produire un faisceau intense d'électrons et des moyens pour focaliser ledit faisceau d'électrons sur une zone de l'échantillon et limiter l'étendue de cette zone à volonté en agissant sur la section dudit faisceau.
L'invention s'applique particulièrement bien à l'analyse des éléments de nombre atomique faible, tels que le carbone, le soufre, le phosphore, l'oxygène et l'azote dans les aciers.
On exposera ci-après, à titre d'exemple non limitatif, quelques mises en oeuvre particulières du procédé revendiqué en regard du dessin ci-annexé, qui représente, également à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution particulière du dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
La figure unique, de ce dessin, représente schématiquement en coupe la chambre d'émission d'un spectromètre avec ses organes associés.
Dans la mise en oeuvre particulière illustrée par cette figure, on dispose sous vide l'échantillon t à analyser et le- système optique 2, on réalise l'émis- sion des raies caractéristiques d'une zone déterminée 3, de dimension extrêmement réduite, dudit échantillon 1 en bombardant cette zone par un faisceau intense d'électrons 4 produit par un canon à électrons 5 et focalisé sur ladite zone qui est ainsi portée à très haute température et émet des raies dans le domaine des radiations visibles ou ultraviolettes.
Lè canon à électrons 5 est d'un type connu et comporte:
un porte-électrode 6, avec un filament ou cathode 7 chauffé et porté par des conducteurs 8 à une tension négative élevée, généralement supérieure à 1500 volts, pour fournir un faisceau intense d'électrons 4, l'évacuation de la chaleur produite à la cathode étant effectuée par des ailettes 9 d'une pièce 10 bonne conductrice de la chaleur entourant le filament;
une électrode de polarisation ou commande 11, du type Wehnelt ou électrode de Pierce, généralement au potentiel du filament, et une électrode ou anode 12 mise à la masse, ces deux électrodes ayant les formes appropriées pour réaliser une focalisation satisfaisante du faisceau d'électrons 4 avec une densité élevée en électrons, correspondant par exemple à un courant de 20mA sous 20kV;
et des lentilles, magnétiques ou électrostatiques,
13 qui permettent d'agir sur le faisceau 4 pour faire varier le diamètre du spot (qu'on peut réduire par exemple à 0,01 mu2, ce qui permet d'appli- quer une intensité de 4Mw/cm2 dans la zone 3) et déplacer la zone d'impact 3 des électrons sur l'échantillon 1.
Quant aux différents échantillons 1, la, il est avantageux de les faire porter par un magasin avec un plateau 14 qu'on peut faire tourner autour d'un axe AA, par exemple en agissant sur une manivelle 15 entraînant, par l'intermédiaire d'une vis sans fin 16 et d'une roue dentée 17, l'arbre 18 sur lequel est fixé le plateau 14; cet arbre 18 traverse des joints étanches 19 disposés de part et d'autre d'une plaque 20 amovible, par exemple, par dévissage. Cette disposition permet d'amener à volonté chacun des échantillons, tels que 1, la, et même la zone désirée de celui-ci, au point d'impact des électrons sans avoir à rompre le vide.
En ce qui concerne l'évacuation de l'ensemble du spectrographe, on peut, par exemple comme représenté, diviser celuici en quatre chambres ou enceintes, à savoir une enceinte 21 dans laquelle sont disposés le magasin d'échantillons et les len tilles 13, et sur laquelle sont raccordées:
une chambre haute tension 22, dans laquelle est disposée la partie haute tension du canon à électrons;
une cuve 23 qui contient le système optique 2, dont l'axe optique est représenté en BB, comportant, à la manière connue, une fente d'entrée 24,
des lentilles 25, un élément dispersif, tel qu'un réseau 26 ou un prisme, et une fente de sortie 27;
une chambre d'évacuation 28, dans laquelle on
fait un vide, avantageusement de l'ordre de 10-4 mm de mercure, par un- ensemble de pompes 29.
Des brides 30 permettent de raccorder les différentes enceintes 21, 22, 23, 28 en les maintenant
sous le vide de la pompe 29.
Le fonctionnement du spectromètre qui vient d'être décrit est le suivant:
L'impact des électrons produits et focalisés sur la zone 3 de l'échantillon 1 par le canon 5 réalise
la fusion, et éventuellement la volatilisation, des
constituants de cette zone. Du fait qu'un canon à
électrons du type illustré à charge d'espace permet
d'obtenir un faisceau d'électrons focalisé à intensité
spécifique élevée, la zone 3 est excitée pour devenir une source spectroscopique dans le domaine du visible et de l'ultra-violet, présentant une brillance au moins égale à celle de l'arc électrique.
Comme on se trouve d'autre part sous vide, on peut exciter les éléments légers tels que le carbone, le soufre, le phosphore, et des gaz, tels que l'oxygène, l'azote, les halogènes (aussi bien sous forme dissoute que sous forme de composés chimiques), ce qui est très précieux pour l'analyse des aciers et autres alliages.
Lorsqu'on désire effectuer une analyse ponctuelle, il est avantageux d'alimenter la cathode du canon à électrons par des impulsions négatives très courtes, par exemple d'une durée de quelques alternances, pour obtenir une surchauffe locale extrêmement élevée d'un point précis de l'échan tiglon, sans que la conductivité thermique ait le temps de réaliser l'excitation thermique des points voisins de l'échantillon. Le point précis sur lequel est effectué l'analyse (constitué par exemple par une inclusion) peut être par exemple repéré, à la manière connue, au croisement des fils du réticule d'un microscope (non représenté) le faisceau d'électrons étant pointé sur ce point en agissant sur les lentilles 13.
Après avoir produit le spectre visible ou ultraviolet émis par une zone ou un point ayant subi un échauffement très important sous l'effet d'un bombardement électronique de plusieurs milliampères, on passe d'un point ou d'une zone de l'échantillon à un autre ou d'un échantillon à un autre échantillon en actionnant la manivelle 15.
Enfin, pour remplacer les échantillons, on dévisse la plaque 20, on sort le magasin de l'enceinte 21, on dispose sur le plateau 14 les nouveaux échantillons à la place des anciens, on réintroduit le magasin dans l'enceinte 21 et on revisse la plaque 20.
Le dispositif décrit présente, par rapport aux moyens du genre en question déjà existants, de nombreux avantages, notamment les suivants:
Tout d'abord, il permet d'effectuer des analyses spectrales dans l'ultra-violet lointain donc portant sur des éléments de nombre atomique faible.
On peut effectuer l'analyse de gaz à l'état dissous.
I1 permet de réaliser une analyse ponctuelle sur un échantillon, ce qui est très intéressant pour l'étude des inclusions, ségrégations et autres structures localisées.
Enfin, il permet d'obtenir sous vide une source
stable de grande brillance et très pure pour des analyses rapides.
REVENDICATIONS
I. Procédé pour effectuer l'analyse spectrale d'un échantillon disposé sous vide avec le système opti
que dispersif, caractérisé par le fait qu'on réalise
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
Method for performing a spectral analysis and device for implementing this method
The invention relates to methods for carrying out spectral or spectroscopic analyzes, and to devices for their implementation, in particular in the far ultra-violet, therefore relating to elements of low atomic number; and it concerns more particularly, because it is in this case that its application seems to have the most interest, but not exclusively, among these means, those intended for the analysis of alloys, in particular for the analysis of steels .
Its aim, above all, is to make the aforementioned methods and devices such that they respond better than to date to the various requirements of spectral analysis, in particular as regards the purity of the lines and the localization, the brightness and stability of the emission source.
The subject of the invention is a method for carrying out the spectral analysis of a sample placed under vacuum with the dispersive optical system, characterized in that the emission of lines characteristic of a limited zone of said sample is carried out by bombarding this zone by a beam of electrons focused on said zone, the intensity of the beam being such that said zone is brought to a sufficiently high temperature to emit lines in the field of visible or ultra-violet radiation.
The subject of the invention is also a device for implementing the aforementioned method, comprising an enclosure capable of being evacuated in which is housed a support intended to carry at least one sample to be analyzed and the dispersive optical system, characterized by the fact that it comprises an electron gun with an emissive cathode capable of producing an intense beam of electrons and means for focusing said beam of electrons on a zone of the sample and limiting the extent of this zone at will by acting on the section of said beam.
The invention is particularly applicable to the analysis of low atomic number elements, such as carbon, sulfur, phosphorus, oxygen and nitrogen in steels.
A few particular implementations of the method claimed with reference to the appended drawing, which also represents, also by way of non-limiting example, a particular embodiment of the device will be explained below by way of non-limiting example. for the implementation of this method.
The single figure of this drawing represents schematically in section the emission chamber of a spectrometer with its associated organs.
In the particular implementation illustrated by this figure, the sample t to be analyzed is placed under vacuum and the optical system 2, the emission of the characteristic lines of a determined zone 3, of extremely small size, is carried out. of said sample 1 by bombarding this zone with an intense beam of electrons 4 produced by an electron gun 5 and focused on said zone which is thus brought to very high temperature and emits lines in the field of visible or ultraviolet radiation.
The electron gun 5 is of a known type and comprises:
an electrode holder 6, with a filament or cathode 7 heated and carried by conductors 8 at a high negative voltage, generally greater than 1500 volts, to provide an intense beam of electrons 4, the removal of the heat produced at the cathode being carried out by fins 9 of a piece 10 which is a good conductor of heat surrounding the filament;
a polarization or control electrode 11, of the Wehnelt type or Pierce electrode, generally at the potential of the filament, and a grounded electrode or anode 12, these two electrodes having the appropriate shapes to achieve satisfactory focusing of the electron beam 4 with a high electron density, corresponding for example to a current of 20mA under 20kV;
and lenses, magnetic or electrostatic,
13 which make it possible to act on the beam 4 to vary the diameter of the spot (which can be reduced for example to 0.01 mu2, which makes it possible to apply an intensity of 4 MW / cm2 in zone 3) and move the impact zone 3 of the electrons on the sample 1.
As for the different samples 1, 1a, it is advantageous to have them carried by a magazine with a plate 14 which can be rotated around an axis AA, for example by acting on a crank 15 driving, by means of a worm 16 and a toothed wheel 17, the shaft 18 on which the plate 14 is fixed; this shaft 18 passes through tight seals 19 arranged on either side of a removable plate 20, for example, by unscrewing. This arrangement makes it possible to bring each of the samples, such as 1, la, and even the desired zone thereof, at will, to the point of impact of the electrons without having to break the vacuum.
With regard to the evacuation of the entire spectrograph, it is possible, for example as shown, to divide it into four chambers or enclosures, namely an enclosure 21 in which the sample store and the lenses 13 are arranged, and to which are connected:
a high-voltage chamber 22, in which the high-voltage part of the electron gun is arranged;
a tank 23 which contains the optical system 2, the optical axis of which is shown at BB, comprising, in the known manner, an entrance slit 24,
lenses 25, a dispersive element, such as an array 26 or a prism, and an exit slit 27;
an evacuation chamber 28, in which one
creates a vacuum, advantageously of the order of 10-4 mm of mercury, by a set of pumps 29.
Flanges 30 are used to connect the different enclosures 21, 22, 23, 28 by holding them
under the vacuum of the pump 29.
The operation of the spectrometer which has just been described is as follows:
The impact of the electrons produced and focused on zone 3 of sample 1 by gun 5 produces
the fusion, and possibly the volatilization, of
constituents of this zone. Due to the fact that a cannon
electrons of the type shown at space charge allows
to obtain an electron beam focused at intensity
specific high, zone 3 is excited to become a spectroscopic source in the visible and ultra-violet range, exhibiting a brightness at least equal to that of the electric arc.
As we are on the other hand under vacuum, we can excite light elements such as carbon, sulfur, phosphorus, and gases, such as oxygen, nitrogen, halogens (both in dissolved form as chemical compounds), which is very valuable for the analysis of steels and other alloys.
When it is desired to carry out a point analysis, it is advantageous to supply the cathode of the electron gun with very short negative pulses, for example of a duration of a few vibrations, in order to obtain an extremely high local superheating of a precise point. of the sample, without the thermal conductivity having time to achieve the thermal excitation of the neighboring points of the sample. The precise point on which the analysis is carried out (constituted for example by an inclusion) can for example be identified, in the known manner, at the crossing of the wires of the reticle of a microscope (not shown), the electron beam being pointed. on this point by acting on the lenses 13.
After having produced the visible or ultraviolet spectrum emitted by a zone or a point having undergone a very significant heating under the effect of an electron bombardment of several milliamperes, one passes from a point or a zone of the sample to another or from one sample to another by operating the crank 15.
Finally, to replace the samples, the plate 20 is unscrewed, the magazine is removed from the enclosure 21, the new samples are placed on the plate 14 in place of the old ones, the magazine is reintroduced into the enclosure 21 and screwed on again. plate 20.
The device described has, compared to the means of the type in question already existing, many advantages, in particular the following:
First of all, it makes it possible to perform spectral analyzes in the far ultraviolet therefore relating to elements of low atomic number.
The analysis of gases can be carried out in the dissolved state.
It makes it possible to carry out a one-off analysis on a sample, which is very interesting for the study of inclusions, segregations and other localized structures.
Finally, it makes it possible to obtain a vacuum source
stable with high gloss and very pure for rapid analyzes.
CLAIMS
I. Method for performing the spectral analysis of a sample placed under vacuum with the opti system
as dispersive, characterized by the fact that
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.