Elektronowy mikroskop skaningowy i mikroanaliza

Elektronowy mikroskop skaningowy służy do badania struktury po-wierzchni ciał stałych, umożliwia on otrzymanie obrazów popo-wierzchni w bar-dzo dużym zakresie powiększeń, począwszy od powiększenia dziesięcio-krotnego do kilkuset tysięcy.

Mikroanalizator rentgenowski, zwany także mikrosondą elektronową, służy do badania składu chemicznego powierzchni ciał stałych, ściśłej mówiąc bardzo cienkich warstw przypowierzchniowych, w mikroobszarach o średnicy rzędu 1 mm i większej.

W obu przyrządach badaną próbkę ciała stałego (może nim być np. stop metaliczny, minerał, odpowiednio spreparowana tkanka biologiczna i in.) poddaje się bombardowaniu wiązką elektronów o bardzo małej średnicy, zazwyczaj poniżej 1 mm. Wiązka elektronów wzbudza w miejscu bombar-dowania szereg efektów, między innymi emisję elektronów wtórnych i wstecz-nie rozproszonych oraz emisję charakterystycznego promieniowania rentge-nowskiego.

W mikroskopie skaningowym wiązka elektronów przesuwa się po powie-rzchni próbki. Emisja elektronów z poszczególnych miejsc próbki zależy od nachylenia powierzchni próbki w tych miejscach do osi wiązki i jest wykorzy-stywana jako sygnał informujący o ukształtowaniu powierzchni próbki.

Wymuszona wiązką elektronów emisja charakterystycznego promieniowa-nia rentgenowskiego jest wykorzystywana w mikroanalizatorze rentgenowskim jako informacja o składzie chemicznym próbki w miejscu padania wiązki.

Elektronowy mikroskop skaningowy

Schemat budowy i działania mikroskopu skaningowego przedstawiono na rys. 5.23.

Źródłem elektronów do formowania wiązki jest katoda. Emitowane z niej elektrony są przyspieszane w polu elektrycznym przy pomocy anody, na którą podawane jest napięcie rzędu od kilku do kilkudziesięciu kV. Następnie przy pomocy dwóch soczewek magnetycznych strumień elektronów jest formowany w stożkową wiązkę zogniskowaną na powierzchni próbki. Ślad wiązki na powierzchni próbki nazwano plamką elektronową.

Przy pomocy dwóch par cewek odchylających wiązka jest odchylana w dwóch prostopadłych kierunkach w taki sposób, że „kreśli" skokowo na próbce równoległe linie tworzące zarys kwadratu. Linie te nie są ciągłe, składają się z dużej ilości leżących obok siebie punktów. Kwadrat taki składający się z punktów nazywa się rastrem. Zakreślanie rastra na próbce nazywa się skanowaniem*).

*) Słowo „skanować" pochodzi od angielskiego terminu "scan", który oznacza „omiatać*'.

104

Rys. 5.23. Ogólny schemat budowy elektronowego mikroskopu skaningowego, A, B — punkty na próbce; A', B' — odpowiadające im punkty na ekranie lampy

Impulsy elektryczne sterujące odchylaniem wiązki w czasie skanowania przychodzą do cewek odchylających od elektronicznego generatora skanowa-nia, który jednocześnie wysyła podobne impulsy do cewek odchylających inną wiązkę elektronów — w lampie oscyloskopowej. Wędrówka plamki elektro-nowej po powierzchni próbki jest ściśle zsynchronizowana z wędrówką plamki po ekranie oscyloskopu, każdemu punktowi w obszarze skanowanego kwadratu na próbce odpowiada jeden punkt na ekranie.

Obok próbki jest umieszczony detektor elektronów, który służy do pomiaru natężenia emitowanych z próbki elektronów wtórnych i wstecznie rozproszonych. Sygnał z detektora steruje jasnością plamki na ekranie oscylo-skopu.

Jeżeli podczas skanowania wiązka pada w danym momencie czasu prostopadle na element powierzchni próbki, to sygnał z detektora jest minimalny i plamka w odpowiednim punkcie na ekranie oscyloskopu będzie miała jasność minimalną. Jeżeli w jakimś punkcie powierzchnia będzie na-chylona pod kątem większym od 0°, to emisja elektronów z tego punktu będzie większa i plamka na ekranie ulegnie rozjaśnieniu odpowiedniemu do kąta nachylenia.

W taki sposób w czasie wędrówki plamki elektronowej po powierzchni próbki i zsynchronizowanej z nią wędrówki plamki po ekranie oscyloskopu powstaje powiększony obraz fragmentu próbki składający się z bardzo wielu leżących obok siebie punktów o różnej jasności.

Największą rozdzielczość obrazu uzyskuje się w najnowszych mikro-skopach wykorzystując jako sygnał sterujący wysokoenergetyczną frakcję elektronów rozproszonych wstecznie — pochodzą one z obszaru równego średnicy wiązki. Wielkość emisji tych elektronów jest wystarczająca do rejestracji obrazu nawet przy bardzo małych średnicach wiązki, przy których niemożliwa jest rejestracja elektronów wtórnych ze względu na małą ich ilość.

Charakterystycznymi cechami elektronowego mikroskopu skaningowego są:

• duża głębia ostrości umożliwiająca obserwację powierzchni o stosunkowo dużych różnicach poziomów wyniosłości i wgłębień;

• duża plastyczność uzyskiwanych obrazów, są one „trójwymiarowe";

• duża zdolność rozdzielcza sięgająca w najnowszych urządzeniach 2,5 nm (w elektronowych mikroskopach transmisyjnych 0,2-0,3 nm);

• możliwość uzyskiwania obrazów w bardzo szerokim zakresie powiększeń - od 10x (największa głębia ostrości - około 2 cm) do około 400 000x (największa rozdzielczość). Najczęściej wykonuje się obserwacje przy po-większeniach do 8000x.

Obrazy z mikroskopu skaningowego przy wykorzystaniu emisji elektro-nów przedstawiają topografię lub inaczej — mikrorelief powierzchni próbki, tzn. wyniosłości, wgłębienia, ich ilość, wielkość, rozłożenie itp.

Jednym z najważniejszych zastosowań tego mikroskopu jest badanie przełomów materiałów polikrystalicznych po próbach wytrzymałościowych

— statycznych, udarowych, zmęczeniowych itd. Na podstawie obserwacji przełomu można określić, jaki charakter (kruchy czy ciągliwy) ma przełom, czy występują na nim wtrącenia niemetaliczne i o jakim kształcie. Można także badać przełomy materiałów kruchych, takich jak niektóre żeliwa i staliwa, w celu określenia kształtu pewnych składników struktury np. wydzieleń grafitu w żeliwe.

Podobna obserwacja przełomów przy pomocy mikroskopu optycznego (w zakresie powiększeń do 1000x) jest niemożliwa ze względu na jego małą głębię ostrości. Wielką zaletą mikroskopu skaningowego jest możliwość oglądania próbki w całym zakresie powiększeń z płynnym doborem powięk-szeń bez zmiany położenia próbki.

Przy pomocy mikroskopu skaningowego można badać zjawiska zachodzą-ce na powierzchni ciał stałych i zmieniajązachodzą-ce ukształtowanie tej powierzchni, np. zjawiska korozji i ścieranie zachodzące na powierzchni warstw przeciw-korozyjnych lub przeciwciernych, tworzenie się osadów, narostów, wżerów itp.

Mikroskop skaningowy może także służyć do badania struktury mag-netycznej ciał stałych dzięki występowaniu zróżnicowanej emisji elektronów od ciał o zróżnicowanej powierzchniowo strukturze magnetycznej.

Można również w mikroskopie wykorzystać do sterowania syntezą obrazu emisję światła lub promieni podczerwonych czy ultrafioletowych. Emisja

106

ta zależy od pewnych czynników, którymi mogą być bardzo małe ilości domieszek trudno wykrywalnych innymi metodami.

Wyposażenie mikroskopu skaningowego w urządzenie do mikroanalizy (co się często praktykuje) umożliwia także przeprowadzenie analizy składu chemicznego w wybranych na podstawie obserwacji obrazu skaningowego miejscach na powierzchni próbki.

Mikroanalizator rentgenowski

Mikroanalizator rentgenowski (zwany dalej skrótowo mikrosondą) jest urządzeniem składającym się częściowo z takich samych elementów jak mikroskop skaningowy. Budowę mikrosondy przedstawiono na rys. 5.24.

Rys. 5.24. Schemat budowy mikroanalizatora rentgenowskiego

Układ wytwarzania i ogniskowania wiązki elektronów jest taki sam jak w mikroskopie skaningowym. Wiązka bombarduje próbkę wzbudzając emisję elektronów i promieniowania rentgenowskiego.

Emisja elektronów jest w taki sam sposób jak w mikroskopie skanin-gowym wykorzystywana do wytwarzania obrazu powierzchni próbki. Obraz ten służy przede wszystkim do obserwacji próbki podczas przeprowadzania mikroanalizy i ze względów konstrukcyjnych i technicznych jest gorszej jakości niż obraz w mikroskopie skaningowym.

Do analizy składu chemicznego ciał stałych wykorzystuje się w mikroson-dzie charakterystyczne promieniowanie X. Jest ono wysyłane z miejsca próbki, na które pada wiązka, we wszystkich kierunkach i od wszystkich pierwiastków zawartych w próbce.

Do wyodrębnienia spośród wszystkich emitowanych przez próbkę linii promieniowania charakterystycznego jednej tylko linii należącej do pierwia­

stka analizowanego (najczęściej wykorzystuje się linię K lub L) służy tzw.

monochromator czyli płaski monokryształ, w którym płaszczyzny atomowe są usytuowane równolegle do jednej z jego powierzchni. Wykorzystuje się przy tym prawo Bragga — rys. 5.2.

Dla przykładu, w monokrysztale, w którym , wyodrębnienie linii K1 kobaltu, której jak wynika z prawa

Bragga, wymaga ustawienia monokryształu pod kątem

(5.4) Innymi słowy, jeżeli ustawić płaszczyznę monokryształu pod kątem q do linii łączącej jego środek z plamką elektronową na powierzchni próbki (patrz.

rys. 5.4), to zajdzie na niej odbicie fali o długości 1,789 A, wszystkie pozostałe fale o innych długościach zostaną wygaszone.

Fala odbita trafia do ustawionego pod kątem q w stosunku do mono-chromatora detektora promieniowania X. Kwanty X wchodzące do detektora wzbudzają w nim impulsy napięciowe, które są przesyłane po wzmocnieniu do układu zliczającego (sumującego). Suma zliczonych w stałym przedziale czasu impulsów jest wyświetlana na wskaźniku cyfrowym.

Przeprowadzenie analizy zawartości danego pierwiastka w jakimś punkcie próbki, a właściwie miejscu o średnicy około 1mm, wymaga przy nieruchomej względem próbki wiązce skierowanej na to miejsce przeprowadzenia przez pewien okres czasu np. 10 s zliczania kwantów X od wybranej linii tego pierwiastka. Następnie powtarza się to samo dla próbki wzorcowej zawierają­

cej znaną ilość, np. 100% analizowanego pierwiastka. Na podstawie stosunku ilości zarejestrowanych impulsów od badanej próbki do ilości od wzorca określa się zawartość analizowanego pierwiastka w próbce. Jest to metoda analizy punktowej.

Obszar, w którym dokonuje się analizy punktowej, jest określony przez wielkość strefy wzbudzenia promieniowania X. Średnica tej strefy jest zwykle równa lub większa od 1 mm. Średnicy tej nie można zmniejszyć poniżej 0,5 mm ze względu na konieczność użycia do wzbudzenia emisji promieni X wiązki składającej się ze stosunkowo wysokoenergetycznych elektronów, co pociąga za sobą ich rozproszenie w badanej próbce na odległość większą od 0,5 mm.

Wartość ta określa więc zdolność rozdzielczą mikroanalizy rentgenowskiej.

108

Impulsy z detektora mogą być także po wzmocnieniu przekazywane do miernika natężenia promieniowania, w którym ich ciąg zamieniany jest na napięcie ciągłe proporcjonalne do natężenia impulsów w czasie.

Sygnał napięciowy z miernika natężenia może sterować wychyleniem pisaka kreślącego linię ciągłą na przesuwającej się wstędze papieru. Wychylenia pisaka względem linii bazowej na papierze są proprocjonalne do natężenia promieniowania charakterystycznego X od analizowanego pierwiastka, a w pewnym przybliżeniu do jego zawartości w próbce. Jeżeli w tym samym czasie plamka elektronowa kreśli linię prostą na próbce, to pisak będzie rejestrował w postaci linii łamanej zawartość (zmienną) pierwiastka wzdłuż tej linii. Taki wykres nazywa się rozkładem liniowym badanego pierwiastka w próbce, a metoda jego otrzymywania nosi nazwę analizy liniowej.

Wiązka elektronów może także skanować próbkę. Wiązką skanującą próbkę i wiązkami elektronowymi wędrującymi po ekranach dwóch oscylo-skopów steruje synchronicznie generator impulsów skanowania. Na jednym ekranie powstaje obraz skaningowy elektronowy, a na drugim obraz skanin-gowy rentgenowski czyli obraz próbki widzianej w promieniach X tylko od danego pierwiastka. Jasność plamki na drugim ekranie jest modulowana przez sygnał napięciowy z miernika natężenia promieniowania. Sygnał ten jest w pewnym przybliżeniu proporcjonalny do zawartości badanego pierwiastka w punkcie próbki, na który w danym momencie skanowania pada wiązka.

W ten sposób punkt po punkcie powstaje synchronicznie z obrazem skanin-gowym pokazującym topografię próbki obraz rentgenowski przedstawiający rozkład powierzchniowy danego pierwiastka w skanowanym obszarze próbki.

Metodę otrzymywania takich obrazów nazywa się analizą powierzchniową.

Obszar skanowany może sięgać wielkości kwadratu o boku 1 mm.

Należy wspomnieć, że można w mikrosondzie zainstalować detektor półprzewodnikowy rejestrujący całe widmo promieniowania X pochodzącego od próbki. Drogą elektroniczną wyodrębnia się w tym widmie poszczególne linie promieniowania charakterystycznego i mierzy ich natężenie. Metoda ta jest mniej dokładna od analiz opisanych powyżej. Jej największą zaletą jest

szybkość analizy.

Ze względu na swoje zalety, takie jak możliwość wykonywania analiz składu chemicznego w bardzo małych obszarach, stosunkowo dobrą dokład-ność względną określania zawartości pierwiastków — rzędu 2—3%, możliwość badania rozkładów liniowych i powierzchniowych pierwiastków, mikroanali-zatory rentgenowskie znalazły szeroki zakres zastosowań. Jako najważniejsze należy wymienić:

• identyfikacja faz w stopach poprzez badanie ich składu chemicznego;

• badanie niejednorodności faz w stopach. Możliwe jest określanie różnic w zawartości składników fazy w dwóch punktach odległych od siebie o 1—2 mm;

• badania nad wpływem wtrąceń niemetalicznych na własności stali Możliwe jest określanie składu chemicznego wtrąceń, rozkładu i wielkości poszczegól­

nych rodzajów wtrąceń poprzez badanie rozkładu powierzchniowego pierwiastków tworzących wtrącenia;

• badanie budowy i składu chemicznego warstw utwardzających, przeciwcier-nych i antykorozyjprzeciwcier-nych na stopach, np. warstwy azotowane, tytanowane, aluminiowane, powłoki cynkowe na stali. Badania takie pomagają w do­

borze optymalnych własności tych warstw i ich technologii wytwarzania;

• badania materiałów niemetalicznych — minerałów (szczególnie rud zawiera-jących rzadkie pierwiastki), tkanek biologicznych.

Obecnie występuje tendencja w technice do budowy urządzeń miesz­

czących w sobie możliwości badawcze mikroanalizatora rentgenowskiego i mikroskopu skaningowego. Umożliwia to przy mniejszych nakładach na aparaturę otrzymanie szerszych możliwości badawczych.

6. BADANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH