CH463823A - Verfahren zur Durchführung einer Phasenanalyse auf Oberflächen heterogen aufgebauter fester Körper mit Hilfe einer Elektronenstrahl-Mikrosonde - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren zur Durchführung einer Phasenanalyse auf Oberflächen heterogen aufgebauter fester Körper mit Hilfe einer   Elektronenstrahl-Mikrosonde   
Alle heute bekannten Verfahren zur Bestimmung der Mengenverhältnisse verschiedener Phasen in einer Probe mit Ausnahme der röntgenographischen Methoden, bedienen sich der Unterschiede im Reflexionsvermögen der zu untersuchenden Phasen. Daher ist es bei metallischen Proben stets nötig, den auszumessenden Oberflächenbereich zu ätzen oder zu bedampfen, um die Kontraste zu verstärken, wobei beträchtliche Messfehler auftreten können. Ausserdem hängt den meisten optischen Verfahren der Nachteil an, dass die Messergebnisse von subjektiven Beobachtungen abhängig sind.

   Die   Durchführung    röntgenographischer Methoden hingegen hat wiederum eine weitgehende Homogenität der auszumessenden Phase zur Voraussetzung.



   Gemäss vorliegender Erfindung wird nun ein Verfahren zur Durchführung einer Phasenanalyse auf Oberflächen heterogen aufgebauter fester Körper angegeben. Unter Phasenanalyse ist hierbei die Bestimmung des Anteils einer bestimmten Phase entlang einer Geraden oder innerhalb einer Fläche zu verstehen.



   Das erfindungsgemässe Verfahren bleibt von subjektiven Fehlern unbeeinflusst. Selbst der störende Einfluss von etwaigen Inhomogenitäten der Phasen kann innerhalb gewisser Grenzen ausgeschaltet werden. Benützt man die Analysiereinrichtung der Geräte, die für die   Elektronenstrahl-Mikroanalyse    erforderlich sind, genügen für die Durchführung des Verfahrens sehr einfach aufgebaute, billige und raumsparende Zusatzeinrichtungen.



   Für die Untersuchung von Einschlüssen in metallischen Proben ist bereits eine Zusatzeinrichtung zur Mikrosonde bekannt geworden, die im wesentlichen aus einem Rechner und aus einigen Schaltkreisen besteht, die aber bezüglich Grösse und Kosten, insbesondere für ein Routinelabor unhandlich und untragbar erscheint.

   Ausserdem ist diese bekannte Zusatzeinrichtung nur für die Untersuchung von Einschlüssen, nicht aber für die Bestimmung von Linien- und Flächenanteilen verschiedener Phasen geeignet, welche die gleichen Elemente lediglich in verschiedenen Konzentrationen   enthalten   
Das erfindungsgemässe Verfahren kann aber gerade von der Tatsache Gebrauch machen, dass beispielsweise zwei verschiedene Phasen einer Legierung die Legierungselemente in verschiedenen Konzentrationen enthalten, sofern für ein und dieselbe Phase die Konzentration im Idealfall konstant ist, oder um nur unwesentliche Beträge schwankt, wie dies in der Praxis meist der Fall ist.



   Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Durchführung einer Phasenanalyse auf Oberflächen heterogen aufgebauter fester Körper mit Hilfe einer Elektronenstrahl-Mikrosonde, und die Erfindung besteht darin, dass der zu analysierende Oberflächenbereich mit gleichförmiger Geschwindigkeit mit dem Elektronenstrahl abgetastet wird, und dass aus elektrischen Spannungen, deren Grösse von Eigenschaften der Phasen in diesem Gebiet abhängen und die mit Hilfe von Analysiereinrichtungen der Mikrosonde erzeugt werden, mittels mindestens eines Diskriminators diejenigen Spannungen ausgewählt werden, die in einen Spannungsbereich fallen, der für die selektiv zu erfassende Phase charakteristisch ist, und dass durch diese Spannungen ein Schaltkreis geöffnet wird,

   wobei ein elektronisches Schaltelement die von einem parallel geschalteten und mit konstanter Frequenz arbeitenden Oszillator gelieferten Impulse so lange durchlässt, wie sich der Elektronenstrahl auf der zu erfassenden Phase befindet, und der Anteil dieser Phase aus dem Verhältnis der durchgelassenen   Impulse    zur Gesamtzahl der Impulse, die vom Oszillator während der ganzen Ana  lysendauer    geliefert werden, ermittelt wird.



   Als   charakterisierende    Eigenschaft für die zu analysierende Phase kann beispielsweise die an einem Röntgenimpuls-Zählgerät auftretende Spannung verwendet werden. Besonders vorteilhaft kann es sein, den von der mittleren Ordnungszahl der im Auftreffpunkt des Elektronenstrahls vorhandenen chemischen Elemente hinsichtlich seiner Grösse abhängigen, absor  bierten oder rückgestreuten Elektronenstrom zu wählen.



   Ferner ist es möglich, die sich beim Abtasten mit dem Elektronenstrahl ergebenden Impulsgruppen mit Hilfe einer elektronischen Vorrichtung nach ihrer Impulszahl zu sortieren und in Gruppenzählwerken zu registrieren.



   Eine weitere Möglichkeit zur Auswertung des Analysenergebnisses besteht darin, dass die am Ausgang des Schaltkreises auftretende Impulsfolge zur Darstellung der Phasenverteilung verwendet wird, wobei die Phasenverteilung auf einem Oszillographenbildschirm festgehalten werden kann.



   Soll das erfindungsgemässe Verfahren zur Durchfiihrung einer Flächenanalyse auf den zu untersuchenden   Probenoberflächen Verwendung    finden, ist es lediglich notwendig, das Abtasten durch den Elektronenstrahl mit Hilfe einer an sich bekannten Einrichtung zur Durchführung einer Flächenabtastung zu steuern.



   Bei Verwendung eines Röntgenimpuls-Zählgerätes wird als charakteristische Eigenschaft für die zu analysierende Phase die von den Röntgenstrahlen, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Probe aus dieser austreten, im Zählgerät erzeugte Spannung benützt.



  Die erforderliche Analysendauer muss hierbei relativ gross gewählt werden, wenn die Präzision der Messung nicht durch zu kurze Verweilzeiten des Elektronenstrahles auf jeder Flächeneinheit beeinträchtigt werden soll. Dieser Umstand kann besonders bei der Durchfiihrung von Flächenanalysen störend ins Gewicht fallen.



   Die gleichen Nachteile ergeben sich auch dann, wenn man an Stelle der am Röntgenimpuls-Zählgerät auftretenden Spannung eine beliebige andere, auswertbare Eigenschaft der zu untersuchenden Phase, wie z. B. den absorbierten oder den rückgestreuten Elektronenstrom verwendet, und wenn in der zur Verfügung stehenden Mikro sonde nur eine machanisch gesteuerte Abtasteinrichtung zur Verfügung steht. Die erforderlichen Analysenzeiten liegen z. B. für die Analyse eines Gebietes von 300X300 Mikron zwischen 20 und 60 Minuten. Steht hingegen eine elektronisch gesteuerte Abtasteinrichtung zur Verfügung, ist es bei Verwendung des absorbierten oder rückgestreuten Elektronenstroms   möglich,-die    Analyse eines gleich grossen Gebietes in nur etwa 7-10 Sekunden durchzuführen. Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise beschrieben.



   In Fig. 4 ist das Blockschema einer Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt. Sie besteht aus den nachfolgend angegebenen und in Serie geschalteten Einheiten: aus der als Spannungsgeber zur Verwendung kommenden Analysiereinrichtung, der Mikrosonde 3, aus einer Diskriminatoreinheit 4 mit der unteren Schwelle 1 und der oberen Schwelle 2, aus einem Schaltkreis 5 mit parallel geschaltetem Oszillator 8 mit konstanter Frequenz, sowie aus einem Zählwerk 6 und einer Druckereinheit 7.



   Zur Durchführung einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird die zu untersuchende Probe in der Mikrosonde vom Elektronenstrahl entlang einer Geraden bekannter und gleichförmiger Geschwindigkeit abgetastet. Hierbei werden Spannungen, welche mit Eigenschaften der zu untersuchenden Phase in einem ursächlichen Zusammenhang stehen, z. B. die am Röntgenimpuls-Zählgerät auftretende Spannung V, die der   Zählrate    der aus der Probe austretenden Rönt  genstrahlung    analog ist, abgegriffen und in einen Schaltkreis geführt. Die Spannungsschwankungen während der Abtastzeit können mit einem Schreiber aufgezeichnet werden und ergeben ein Schreibdiagramm z. B. gemäss Fig. 1.

   Diese sich entlang der Abtaststrecke ändernde Spannung muss nun eine Diskriminatoreinheit passieren, die es gestattet, durch eine obere und eine untere Schwelle Spannungen innerhalb zweier gewählter Grenzen herauszugreifen, die in der Fig. 2 durch die Spannungen 1 und 2 angegeben sind. Der Spannungsbereich zwischen 1 und 2 wird so gewählt, dass er für die zu analysierende Phase charakteristisch ist. Zufolge der gewählten Anordnung wird also nur dann eine Spannung von der Diskriminatoreinheit angeboten, wenn die am Spannungsgeber abgegriffene Spannung innerhalb des gewählten Bereiches liegt.



  Darüber- und darunterliegende Spannungen werden unterdrückt, so dass also nur jene Spannungen zur Verfügung stehen, die in der Fig. 2 angegeben sind.



  Diese Spannungen, die also nur dann auftreten, wenn der Elektronenstrahl eine Phase trifft, die eine innerhalb des gewählten Spannungsbereiches liegende Spannung liefert, werden nun zur Steuerung z. B. eines Schalttransistors benützt. An diesem Transistor ist eine pulsierende Spannung mit einer bekannten, konstanten Frequenz durch Parallelschalten eines Oszillators angelegt. Die Impulse dieses Oszillators, mit beispielsweise einer konstanten Frequenz von 50 Impulsen pro Sekunde, werden nur dann vom Transistor durchgelassen, wenn eine innerhalb des gewählten Spannungsbereiches liegende Spannung auftritt. Es handelt sich demnach um einen Schaltkreis, der die aus der Probe aus tretenden Röntgenimpulse nur zur Steuerung benützt.



  Die für das Messergebnis verwertete Impulszahl ist hingegen je Zeiteinheit konstant, wie aus der Fig. 3 der Zeichnung entnommen werden kann. Die Zahl dieser Impulse wird von einem Zählwerk registriert, das zweckmässig mit einer Druckereinheit kombiniert ist.



   Für die Auswertung des Messergebnisses wird die Gesamtzahl der Impulse während der Analysendauer herangezogen und mit den gezählten Impulsen verglichen, die während der Analysendauer bei geöffnetem Schaltkreis aufgetreten sind, woraus der Anteil der zu messenden Phase ermittelbar ist.



   Wenn das Abtasten der Probenoberfläche mit dem Elektronenstrahl mit Hilfe einer an sich bekannten Abtasteinrichtung gesteuert wird, kann das erfindungsgemässe Verfahren auch zur Durchführung einer Flächenanalyse verwendet werden.



   Als Beispiel hierfür sei ein Versuch an einer ferritisch-austenitischen Stahlprobe mit 25   O/o    Cr,   4 ovo    Ni und   1  /o    Si beschrieben. Bei diesem Stahl handelt es sich um eine zweiphasige Legierung mit etwa gleich grossen Anteilen an Ferrit und Austenit. Als Leitelement für die Durchführung der Flächenanalyse wurde Nickel gewählt, weil der Konzentrationsunterschied desselben in diesen beiden Phasen relativ gross ist. Die Diskriminatoreinheit wurde so eingestellt, dass der Flächenanteil der austenitischen Phase mit dem vergleichsweise höheren Nickelgehalt gemessen werden konnte.



   Die Dimension des abgetasteten Gebietes wurde mit 300x300 Mikron gewählt, woraus sich die folgenden Werte ergaben:   Länge einer   Zeile - 300      Sb      Zeilenzahl 10(4    (300) Abtastdauer je   Zeile - 12    sec Dauer der   Analyse 20    min (100 Z.)
60 min (300 Z.)   ImpulseproZeile(12X50)    - 600 Impulse je Mikron - 2 Gesamtzahl der Impulse bei ständig geöffnetem
Schaltkreis -   60000(100 Zeilen)       180000(300    Zeilen) Gesamtzahl der Impulse bei Einstellung des für
Nickel im Austenit charakteristischen
Spannungsbereichs am
Diskriminator - 29 893 (100 Zeilen)
89 661 (300 Zeilen)
Der aus diesen Werten berechnete Anteil an Austenit im abgetasteten Gebiet beträgt etwa 49,

  6   o/o    und stimmt mit dem zu erwartenden Ergebnis sehr gut überein.



   Wenn in der zur Verfügung stehenden Mikrosonde zwei oder mehrere getrennte Messplätze vorhanden sind, um simultan zwei oder mehrere Elemente bestimmen zu können, ist es möglich, die Analysengenauigkeit des erfindungsgemässen Verfahrens noch zu erhöhen, weil in diesem Fall zwei oder mehrere in der zu analysierenden Phase vorhandene Elemente als Leitelemente gewählt werden können.



   Für die Durchführung der Analyse wird in diesem Fall vor dem Schaltkreis ein Koinzidenzkreis angeordnet, der nur dann zum Schaltkreis eine Spannung durchlässt oder diese sperrt, wenn in zwei oder mehreren parallelen Spannungszweigen gleichzeitig innerhalb gewählter Grenzen liegende Spannungen auftreten.



   In Fig. 5 wird das Blockschema einer möglichen Anordnung für die Durchführung dieses Verfahrens gezeigt. Sie besteht aus zwei parallelen Spannungszweigen, die aus je einem   Spannungsgeber    3,   3' der    zur Verwendung kommenden Analysiereinrichtung der Mikrosonde und aus mindestens je einem Diskriminator 4, 4' bestehen. Die beiden Spannungszweige sind über einen Koinzidenzkreis 9 mit den nachstehend angegebenen, in Serie geschalteten Einheiten verbunden, und zwar mit einem Schaltkreis 5 mit parallel geschaltetem Oszillator 8 mit konstanter Frequenz, sowie mit einem Zählwerk 6 und einer Druckereinheit 7.



   Mit Hilfe dieses Verfahrens und der für die Durchführung desselben angegebenen Vorrichtung ist es z. B. möglich, Phasen aus einer Vielzahl anderer herauszufinden, wobei in der ausgewählten Phase mindestens zwei Elemente innerhalb eines vorgewählten Konzentrationsbereiches liegen müssen. Dadurch wird die Sicherheit, nur die gesuchte Phase zu zählen, beträchtlich erhöht.



   Beispielsweise kann dieses Verfahren bei der Messung ganz bestimmter Sulfide in Stahllegierungen Verwendung finden, wobei einerseits der Schwefel und andererseits ein Leitelement in vorgewählter Konzentration als Parameter dienen. Auf diese Weise bereitet z. B. die Messung reiner Mangansulfide neben Eisen Mangansulfiden und verschiedenen Oxyden keinerlei Schwierigkeiten.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH 1 Verfahren zur Durchführung einer Phasenanalyse auf Oberflächen heterogen aufgebauter fester Körper mit Hilfe einer Elektronenstrahl-Mikrosonde, dadurch gekennzeichnet, dass der zu analysierende Oberflächenbereich mit gleichförmiger Geschwindigkeit mit dem Elektronenstrahl abgetastet wird, und dass aus elektrischen Spannungen, deren Grösse von Eigenschaften der Phasen in diesem Gebiet abhängen, und die mit Hilfe von Analysiereinrichtungen der Mikrosonde erzeugt werden, mittels mindestens eines Diskriminators diejenigen Spannungen ausgewählt werden, die in einen Spannungsbereich fallen, der für die selektiv zu erfassende Phase charakteristisch ist, und dass durch diese Spannungen ein Schaltkreis geöffnet wird,

   wobei ein elektronisches Schaltelement die von einem parallelgeschalteten und mit konstanter Frequenz arbeitenden Oszillator gelieferten Impulse solange durchlässt, wie sich der Elektronenstrahl auf der zu erfassenden Phase befindet, und der Anteil dieser Phase aus dem Verhältnis der durchgelassenen Impulse zur Gesamtzahl der Impulse, die vom Oszillator während der ganzen Analysendauer geliefert werden, ermittelt wird.

   UNTERANSPROCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Eigenschaft der Phase die an einem Röntgenimpuls-Zählgerät auftretende Spannung gewählt wird.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Eigenschaft der Phase der absorbierte Elektronenstrom gewählt wird.

   3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Eigenschaft der Phase der rückgestreute Elektronenstrom gewählt wird.

   4. Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sich beim Abtasten mit dem Elektronenstrahl ergebenden Impulsgruppen von einer elektronischen Vorrichtung nach ihrer Impulszahl sortiert und in Gruppenzählwerken registriert werden.

   5. Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die am Ausgang des Schaltkreises auftretende Impulsfolge zur Darstellung der Phasenverteilung auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre verwendet wird.

   6. Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen vor dem Schaltkreis angeordneten Koinzidenzkreis nur dann zum Schaltkreis eine Spannung durchgelassen oder diese gesperrt wird, wenn in mindestens zwei parallelen Spannungszweigen gleichzeitig innerhalb bestimmter Grenzen liegende Spannungen auftreten.

   PATENTANSPRUCH II Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus folgenden, in Serie geschalteten Einheiten besteht: der als Spannungsgeber dienenden Analysiereinrichtung der Mikrosonde (3), mindestens einem Diskriminator (4), einem Schaltkreis (5) mit parallelgeschaltetem Oszillator (8) mit konstanter Impulsfrequenz, sowie einem Zählwerk (6) und einer Druckereinheit (7).

   UNTERANSPRÜCHE 7. Vorrichtung nach Patentanspruch II, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach dem Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei paralleIe Spannungszweige, die aus je einem Spannungsgeber (3, 33 der Analysiereinri.chtnng der Mikrosonde und aus mindestens je einem Diskriminator (4, 4') bestehen, über einen Koinzidenzkreis (9) mit dem Schaltkreis (5), verbunden sind.

   8. Vorrichtung nach Unteranspruch 7, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Abtastvorrichtung zur Steuerung des Elektronenstrahls.