ГАЗОЗАРЯЖАЮЩИЙ КОНТЕЙНЕР, АППАРАТ АТОМНОГО ЗОНДА И СПОСОБ АНАЛИЗА ПОЛОЖЕНИЯ ВОДОРОДА В МАТЕРИАЛЕ
GAS-CHARGING CONTAINER, ATOM PROBE DEVICE AND ANALYSIS METHOD OF HYDROGEN POSITION IN MATERIAL

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается газозаряжающего контейнера, аппарата атомного зонда и способа анализа положения водорода в материале. В частности, настоящее изобретение касается технологии, которая непосредственно измеряет атомы образца один за другим, тем самым улучшая функции аппарата атомного зонда, который может исследовать атомную структуру очень малой области. Согласно этой технологии, так как место присутствия водорода в материале, которое обычно трудно наблюдать, можно наблюдать непосредственно, данная технология может сильно способствовать разработке материалов с прекрасной устойчивостью к водородной хрупкости.
Испрашивается приоритет японской патентной заявки № 2008-164619, поданной 24 июня 2008, и японской патентной заявки №2009-115426, поданной 12 мая 2009, содержание которых включено в данную заявку посредством ссылки.
Описание предшествующего уровня техники
Как указано в тексте "Nanotechnology for Supporting the Advancement of Steels", Shiraishi Kinen Koza (SMS-ISIJ), 53·54, the Iron and Steel Institute of Japan, аппарат атомного зонда может измерять пространственное положение и элементный вид составляющих атомов образца с высоким пространственным разрешением порядка нанометра или меньше, и используется, например, для анализа структуры проводящего материала на атомном уровне. Принцип аппарата атомного зонда: прикладывает высокое напряжение постоянного тока и высокое импульсное напряжение к проводящему образцу, который сделан в форме иглы, вызывает полевое испарение атомов поверхности образца последовательно посредством высокого электрического поля, образованного на поверхности иглы, и анализирует образовавшиеся ионы детектором. Также можно облучать лазером вместо импульсного напряжения, содействуя полевому испарению для анализа непроводящего материала. Так как время пролета, за которое испаренный ион достигает детектора, определяется в зависимости от массы данного иона, это измерение затем позволяет определить элементный вид иона.
Уже разработаны различные типы аппаратов атомного зонда. Трехмерный аппарат атомного зонда с наивысшей практичностью может измерять координаты прибытия иона детектором координат, тем самым измеряя не только расположение иона в направлении глубины, но также реальное трехмерное пространственное положение в образце. Обычно трехмерное распределение нахождения элемента в образце может быть визуализировано с пространственным разрешением на уровне постоянной решетки путем вычисления направления полета иона при рассмотрении распределения электрического поля кончика иглы для набора данных измерений атомов, в котором собраны данные для 100000 или более атомов.
Между тем, водород в стальном материале вызывает водородную хрупкость (отложенное разрушение или подобное), и противодействие этому осуществляют в течение длительного периода времени. Считается, что водород, который проник в сталь, становится начальной точкой (генерация трещины) разрушения, так как водород диффундирует в стали, движется и накапливается в конкретном месте, и ослабляет силу связи между атомами или подобное. Водородная хрупкость является проблемой в ряде металлических материалов, а также в стали. Хотя водород в стальном материале является очень важным элементом в определении надежности материала, водород нельзя идентифицировать прямым наблюдением. Это является результатом очень высокой скорости диффузии водорода и малым количеством твердого раствора. Поэтому, чтобы наблюдать водород в стали, были разработаны различные способы или аппараты.
Сейчас способом, который является наиболее используемым способом исследования количества водорода, который существует (захвачен, растворен и т.п.) в стали, является способ термической десорбции. Два типа способов, такие как термическая десорбция - газовая хроматография в аргоне (термический десорбционный анализ: ТДА) и термическая десорбция - масс-спектрометрия в вакууме (термическая десорбционная спектрометрия: ТДС), главным образном применяются в этом способе термической десорбции. Однако, хотя захваченная энергия и избыток водорода могут быть определены, оба способа не могут непосредственно изучать место присутствия водорода.
Journal of Japan Institute of Metals, Volume 58, No. 12 (1994), pp.1380-1385 сообщает, что водород или дейтерий в стальном материале наблюдали с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS). Однако пространственное разрешение остается порядка 2 мкм. В стальных материалах, содержащих тонкие включения 0,1 мкм или меньше, считается, что для тонких включений способность захвата водорода высока, и невозможно исследовать, в каком положении присутствует водород.
В тритиевой радиоавтографии, описанной в САМР-ISJI, Vol. 14 (2001), p.645, информация о месте присутствия водорода может быть получена, например, путем осаждения серебра на эмульсии, нанесенной на поверхность стального материала, или сухую пластину, используя радиоактивные лучи, испускаемые тритием.
Кроме того, в способе водородной микропечати, описанном в САМР-ISIJ, Vol. 13 (2000) and pp.1379-1381, можно косвенным образом захватывать водород, испускаемый с поверхности стального материала, в виде частицы серебра с помощью окислительно-восстановительной реакции с бромидом серебра.
Однако, так как во всех них применяется эмульсия, отсутствует пространственное разрешение 0,1 мкм или меньше. Поэтому невозможно выполнить определение, где присутствует водород в стальном материале.
В противоположность этим обычным технологиям способ трехмерного атомного зонда (3DAP) имеет высокое пространственное разрешение, способен детектировать водород в принципе и имеет возможность детектировать положение присутствия водорода. Так как скорость диффузии водорода очень высока, возникает явление, при котором водород, заряженный в образец, выходит из места захвата и выходит с поверхности образца только путем выдерживания при комнатной температуре за короткое время после заполнения. Когда образец охлаждают до 100 К или ниже и измеряют при этой температуре, 3DAP имеет преимущество в том, что предотвращается утечка захваченного водорода. Однако, даже если игловидный материал сделан заранее и водород заряжен в этот игловидный материал, захваченный водород диффундирует за короткое время, которое протекает до того, как игловидный материал вводят в 3DAP аппарат, и утечка с поверхности игловидного материала происходит за очень короткое время. Поэтому анализ затрудняется.
Аппарат и способ измерения, которые детектируют дефект материала на субнанометрическом уровне (до 0,2 нм), описаны в японской нерассмотренной патентной заявке, первая публикация № Н9-152410. В этом способе газообразный дейтерий вводят в аналитический контейнер (аналитическую камеру), использующую 3DAP способ, дейтерий заполняется в нагретый игловидный материал (образец), и полученный материал анализируют с помощью атомного зонда. Причина, по которой используют газообразный дейтерий, заключается в том, что оставшийся газообразный водород еще присутствует в контейнере (камере), который был высоковакуумирован, и этот оставшийся газообразный водород будет позднее ионизироваться и детектироваться, мешая отличить водород, который существует в образце. Однако, даже если используется газообразный дейтерий, так как газообразный дейтерий помещают в контейнер до анализа, дейтерий будет еще оставаться, когда проведено вакуумирование, и возникает совершенно такой же эффект, как для водорода, т.е. оставшийся дейтерий будет детектироваться при последующей ионизации. В результате отличие от дейтерия, заряженного в образец, будет затрудняться. Кроме того, низкая температура 100 К или ниже обычно требуется для измерения атомного зонда. В обычном аппарате, однако, длительный период времени 20 минут или более требуется до того, как образец охлаждается до этой температуры. Следовательно, так как заряженный дейтерий вытекает из образца до охлаждения, целевое наблюдение положения присутствия водорода затрудняется.
Ввиду такой ситуации требуется новый аппарат и способ, которые измеряют положение присутствия водорода в материале на атомном уровне.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Чтобы предохранить заряженный дейтерий от вытекания из образца и предотвратить загрязнение образца при измерении атомным зондом, необходимо заряжать газообразный дейтерий в аппарат и подавлять утечку заряженного дейтерия из образца после заполнения, насколько это возможно.
Таким образом, настоящее изобретение осуществляет функциональные улучшения аппарата атомного зонда, который измеряет положение присутствия водорода в материале на атомном уровне и который эффективно применяет это в разработке материала. То есть целью настоящего изобретения является обеспечить газозаряжающий контейнер, аппарат атомного зонда и способ анализа положения водорода в материале, которые участвуют в измерении положения присутствия водорода в материале.
Настоящие изобретатели интенсивно исследовали аппарат и способ измерения водорода, заряженного в материал, с разрешением положения на атомном уровне. В результате, чтобы избежать коррозии или изменения свойств игловидного материала, которые происходят из-за катодного заряжения в растворе, считается, что газовое заряжение является предпочтительным. Что касается вида газа, считается, что изотоп водорода является предпочтительным, и применяется газообразный дейтерий. Таким образом, предлагается аппарат и способ заряжения газообразного дейтерия в аппарат атомного зонда. Кроме того, чтобы предохранить заряженный дейтерий от утечки в игловидный материал, предлагается аппарат и способ для быстрого охлаждения заряженного игловидного материала. Кроме того, предлагаются аппарат и способ для перемещения игловидного материала, содержащего заряженный дейтерий, в низкотемпературном состоянии без загрязнения образца в аналитический контейнер за короткое время. Положения присутствия водорода в игловидном материале можно наблюдать с пространственным разрешением на атомном уровне посредством комбинации этих аппаратов и оптимальных способов использования.
Ввиду вышесказанного, настоящее изобретение принимает следующее.
(1) Газозаряжающий контейнер настоящего изобретения включает в себя держатель образца, который удерживает игловидный материал, часть, подающую газообразный дейтерий, которая заряжает газообразный дейтерий в игловидный материал, удерживаемый держателем образца, и нагревающую часть, которая нагревает игловидный материал, удерживаемый держателем образца, при этом игловидный материал охлаждается путем блокировки тепла, выделяемого нагревающей частью, после того, как игловидный материал нагрет нагревающей частью.
(2) В газозаряжающем контейнере, описанном выше (1), может быть принята конфигурация, в которой игловидный материал охлаждается путем отвода нагревающей части от держателя образца после того, как игловидный материал нагрет с помощью нагревающей части.
(3) В газозаряжающем контейнере, описанном выше (1), может быть принята конфигурация, в которой нагревающая часть представляет собой оптическую нагревающую часть, и игловидный материал охлаждается путем остановки оптической нагревающей части после того, как игловидный материал нагрет с помощью оптической нагревающей части.
(4) В газозаряжающем контейнере, описанном выше (1), может быть принята конфигурация, в которой игловидный материал, удерживаемый держателем образца, охлаждается до -50°С или ниже за 10 секунд от температуры после нагрева с помощью нагревающей части.
(5) Дополнительно, аппарат атомного зонда настоящего изобретения включает в себя газозаряжающий контейнер, описанный выше (1), аналитический контейнер, который выполняет измерение атомным зондом игловидного материала, удерживаемого держателем образца, и переносящую часть, которая переносит держатель образца из газозаряжающего контейнера в место анализа внутри аналитического контейнера.
(6) Дополнительно, аппарат атомного зонда настоящего изобретения включает в себя газозаряжающий контейнер, описанный выше (1), аналитический контейнер, который выполняет измерение атомным зондом игловидного материала, удерживаемого держателем образца, и клапан, который соединяет газозаряжающий контейнер и аналитический контейнер друг с другом.
(7) Дополнительно, в настоящем изобретении способ анализа положения водорода в материале, используя аппарат атомного зонда, включает в себя этапы охлаждения держателя образца, удерживающего игловидный материал в качестве образца, до -100°С или ниже в атмосфере, включающей газообразный дейтерий, поданный из части, подающей газообразный дейтерий, в газозаряжающем контейнере, описанном выше (1), нагрева игловидного материала до температуры 100°С или выше и поддержания игловидного материала при данной температуре с помощью нагревающей части, охлаждения игловидного материала до -50°С или ниже за 10 секунд с помощью охлаждающей части, перемещения держателя образца в атмосфере вакуума изнутри газозаряжающего контейнера в аналитический контейнер, используя переносящую часть, в состоянии, когда игловидный материал поддерживается при -50°С или ниже, после того, как внутренняя часть газозаряжающего контейнера вакуумируется, установки держателя образца в место анализа внутри аналитического контейнера и выполнения измерения атомным зондом дейтерия в игловидном материале.
Согласно настоящему изобретению дейтерий может просто и точно заряжаться в материал, и измерение атомным зондом может быстро выполняться при подавлении диффузии дейтерия в данный материал. Следовательно, могут быть получены функциональные улучшения аппарата атомного зонда, который может исследовать материал из композиции элементов, и могут быть выяснены положения присутствия водорода в материалах, включая стальные материалы. Следовательно, могут быть обеспечены аппарат и способ, которые очень способствуют разработке материалов с обеспеченной надежностью.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой вид, показывающий конфигурацию аппарата трехмерного атомного зонда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой вид, показывающий конфигурацию аппарата одномерного атомного зонда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет собой вид, показывающий конфигурацию другого аппарата трехмерного атомного зонда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 представляет собой вид, показывающий конфигурацию внутри газозаряжающего контейнера согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 представляет собой вид, показывающий конфигурацию внутри газозаряжающего контейнера согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 представляет собой график, показывающий температурный профиль игловидного материала.
Фиг. 7 представляет собой 3DAP карту (на данном изображении маленькие круглые точки показывают положение атомов углерода, а большие круглые точки показывают положение атомов дейтерия) дейтерия в тянутой перлитной стальной проволоке, измеренную в примере 2.
Фиг. 8 показывает пример вида конфигурации более предпочтительного аппарата атомного зонда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9 представляет собой пример вида конфигурации газозаряжающего контейнера согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[Список позиций]
101: АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТЕЙНЕР (АНАЛИТИЧЕСКАЯ КАМЕРА)
102: КОНТЕЙНЕР ХРАНЕНИЯ ОБРАЗЦА (КАМЕРА ХРАНЕНИЯ ОБРАЗЦА)
103: ГАЗОЗАРЯЖАЮЩИЙ КОНТЕЙНЕР
104: КОНТЕЙНЕР ВВОДА ОБРАЗЦА
105: КЛАПАН
106: РЕФЛЕКТРОН (КОМПЕНСАТОР ЭНЕРГИИ)
107: ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР
108: FIM ЭКРАН
109: ИГЛОВИДНЫЙ МАТЕРИАЛ
110: ТРАЕКТОРИЯ ПОЛЕТА ИОНОВ
111: ПЕРЕНОСЯЩИЙ СТЕРЖЕНЬ
112: FIM ЭКРАН С ОТВЕРСТИЕМ ЗОНДА
113: ЗЕРКАЛО
114: ИОННЫЙ ДЕТЕКТОР
115: НАГРЕВАТЕЛЬ ИГЛОВИДНОГО МАТЕРИАЛА
116: ЛИНИЯ ВВОДА ГАЗООБРАЗНОГО ДЕЙТЕРИЯ
117: ЛИНИЯ ОТКАЧКИ
118: ДЕРЖАТЕЛЬ ОБРАЗЦА
119: ХОЛОДНЫЙ ПАЛЕЦ
120: КОНТЕЙНЕР ЖИДКОГО АЗОТА
121: ХОЛОДИЛЬНИК (КРИОСТАТ)
122: YAG ЛАЗЕР (ЛАЗЕРНЫЙ ОСЦИЛЛЯТОР)
123: ЛИНЗА
124: ФЛАНЕЦ СО СТЕКЛЯННЫМ ОКНОМ
125: ЛАЗЕРНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ПУТЬ
126: ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи. Кроме того, в настоящем описании и чертежах дублирующее описание опущено путем присваивания одинаковых цифровых обозначений составляющим элементам, имеющим, по существу, такие же функциональные конфигурации.
Один из основных вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя газозаряжающий контейнер, который имеет, по меньшей мере, держатель образца, который удерживает игловидный материал, часть, подающую газообразный дейтерий, нагревающую часть для нагрева игловидного материала и охлаждающую часть для охлаждения держателя образца.
Дополнительно, другой из основных вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя аппарат атомного зонда, который имеет, по меньшей мере, аналитический контейнер, который выполняет измерение атомным зондом, газозаряжающий контейнер и часть для переноса держателя образца в место анализа внутри аналитического контейнера из газозаряжающего контейнера.
Кроме того, еще один из основных вариантов осуществления настоящего изобретения представляет собой способ анализа положения водорода с использованием аппарата атомного зонда. В данном способе анализа положения водорода температуру игловидного материала повышают до 100°С или выше с помощью нагревающей части и поддерживают в состоянии, когда держатель образца, удерживающий игловидный материал, охлаждается до -100°С или ниже с помощью охлаждающей части в атмосфере, содержащей газообразный дейтерий, подаваемый из части для подачи газообразного дейтерия, внутри газозаряжающего контейнера. Затем игловидный материал быстро охлаждают до -50°С или ниже за 10 секунд, и внутреннюю область газозаряжающего контейнера вакуумируют. Затем держатель образца переносят в атмосфере вакуума в аналитический контейнер изнутри газозаряжающего контейнера, используя переносящую часть, в состоянии, когда игловидный материал сохраняется при -50°С или ниже. Затем, после того как держатель образца устанавливают в заданном месте анализа внутри аналитического контейнера, выполняют измерение атомным зондом дейтерия в данном материале.
Пример аппарата атомного зонда, который определяет положение присутствия водорода в материале, настоящего изобретения показан на фиг. 1-3. Дополнительно, пример конфигурации газозаряжающего контейнера показан на фиг. 4 и 5. Аппарат атомного зонда этого варианта осуществления имеет, по меньшей мере, часть для ввода газообразного дейтерия в газозаряжающий контейнер, который отделен от аналитического контейнера, часть для нагрева игловидного материала, часть для быстрого охлаждения игловидного материала и часть для переноса игловидного материала в охлажденном состоянии из газозаряжающего контейнера в аналитический контейнер.
Фиг. 1 представляет собой вид, показывающий конфигурацию аппарата трехмерного атомного зонда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Аппарат трехмерного атомного зонда имеет, по меньшей мере, аналитический контейнер 101; газозаряжающий контейнер 103, имеющий, по меньшей мере, часть для ввода газообразного дейтерия, часть для нагрева игловидного материала и часть для быстрого охлаждения игловидного материала 109; и переносящую часть 111, которая переносит игловидный материал 109 в аналитический контейнер 101. Кроме того, позиция 108 на фиг. 1 обозначает FIM экран.
Дополнительно, фиг. 2 представляет собой вид, показывающий конфигурацию аппарата одномерного атомного зонда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Аппарат одномерного атомного зонда имеет, по меньшей мере, аналитический контейнер 101; газозаряжающий контейнер 103, имеющий, по меньшей мере, часть для ввода газообразного дейтерия, часть для нагрева игловидного материала и часть для быстрого охлаждения игловидного материала 109; и переносящую часть 111, которая переносит игловидный материал 109 в аналитический контейнер 101. Кроме того, позиция 112 на фиг. 2 обозначает FIM экран с отверстием зонда.
Дополнительно, фиг. 3 представляет собой вид, показывающий конфигурацию другого аппарата трехмерного атомного зонда согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Данный аппарат трехмерного атомного зонда имеет, по меньшей мере, аналитический контейнер 101; газозаряжающий контейнер 103, имеющий, по меньшей мере, часть для ввода газообразного дейтерия, часть для нагрева игловидного материала и часть для быстрого охлаждения игловидного материала 109; и переносящую часть 111, которая переносит игловидный материал 109 в аналитический контейнер 101. Аппарат трехмерного атомного зонда, показанный на фиг. 3, отличается от аппарата трехмерного атомного зонда, показанного на фиг. 1, тем, что рефлектрон 106, который выполняет коррекцию массы, отсутствует.
Игловидный материал 109 изготавливают вне данного аппарата путем электрополировки или подобного и вводят в контейнер 104 ввода образца в состоянии, когда он прикреплен к держателю 118 образца. Затем, после того как внутреннюю область контейнера 104 ввода образца и внутреннюю область контейнера 102 хранения образца вакуумируют, данный материал переносят в контейнер 102 хранения образца с помощью переносящего стержня 111 и хранят в нем.
Затем игловидный материал 109 можно далее переносить в газозаряжающий контейнер 103 из контейнера 102 хранения образца с помощью переносящего стержня 111. В этом газозаряжающем контейнере 103 можно заряжать газом в заданных условиях, выполняя охлаждение. Кроме того, игловидный материал 109 может переноситься в заданное место внутри аналитического контейнера 101 через контейнер 102 хранения образца. Клапан 105 обеспечен между соответствующими контейнерами, чтобы вакуумировать внутреннюю область каждого контейнера индивидуально.
Игловидный материал 109 и держатель 118 образца располагают в заданных положениях внутри аналитического контейнера 101, игловидный материал 109 охлаждают, внутреннюю область аналитического контейнера 101 поддерживают при высоком вакууме, и высокое напряжение прикладывают к игловидному материалу 109. В результате, составляющие поверхность атомы игловидного материала 109 могут индивидуально ионизироваться путем полевого испарения. Обычно ионизация может выполняться с высокой управляемостью путем наложения положительного импульсного напряжения на положительное напряжение постоянного тока. Дополнительно, ионизация также может выполняться с высокой управляемостью путем приложения положительного напряжения постоянного тока к игловидному образцу и путем приложения отрицательного импульса к кольцевому противоэлектроду, обеспеченному на конце игловидного образца. В трехмерном атомном зонде может измеряться время пролета прилетевших ионов и положение поверхности детектора. Дополнительно, в одномерном атомном зонде можно измерять время пролета. Траектории 110 полета ионов показаны на фиг. 1-3. В аппарате атомного зонда на фиг. 1 и 2, чтобы улучшить массовое разрешение, летящие ионы захватываются детектором с помощью рефлектрона 106, тогда как летящие ионы прямо детектируются аппаратом атомного зонда на фиг. 3.
Кроме того, фиг. 8 показывает более предпочтительный аппарат атомного зонда для измерения положения присутствия водорода в игловидном материале 109. Аппарат атомного зонда этого варианта осуществления имеет внутри газозаряжающего контейнера 103, который отличается от аналитического контейнера 101, по меньшей мере, часть для ввода газообразного дейтерия, часть для нагрева игловидного материала 109, часть для быстрого охлаждения игловидного материала 109 и часть для переноса игловидного материала 109 в охлажденном состоянии из газозаряжающего контейнера 103 в аналитический контейнер 101. Кроме того, на фиг. 8 позиция 107 обозначает позиционно-чувствительный детектор, а численное обозначение 108 обозначает FIM экран.
В аппарате атомного зонда, показанном на фиг. 8, газозаряжающий контейнер 103 последовательно присоединен к аналитическому контейнеру 101 через клапан 105 в отличие от контейнера, показанного на фиг. 1-3. Следовательно, после того как дейтерий заряжается в игловидный материал 109 внутри газозаряжающего контейнера 103, можно быстро переносить игловидный материал 109 в аналитический контейнер 101 с помощью переносящего стержня 111, соединенного с газозаряжающим контейнером 103, и охлаждать игловидный материал 109. В аппарате атомного зонда, показанном на фиг. 1-3, после того как игловидный материал 109 перенесен в контейнер 102 хранения образца из газозаряжающего контейнера 103, игловидный материал 109 вводят в аналитический контейнер 101. С другой стороны, в аппарате атомного зонда на фиг. 8 время, требуемое для переноса игловидного материала 109, укорачивается, так как этот путь исключается, и заряженный дейтерий может предохраняться от улетучивания из игловидного материала 109. Кроме того, обычно, хотя аппарат атомного зонда не используют только для анализа водорода, в конфигурации, показанной на фиг. 8, это не подходит для анализа, иного чем анализ водорода. Соответственно, идея изготовления конфигурации аппарата атомного зонда в конфигурации, показанной на фиг. 8, обычно не может рассматриваться.
Фиг. 4 и 5 представляют собой виды, показывающие подробности внутри газозаряжающего контейнера 103, показанного на фиг. 1-3. Дополнительно, фиг. 9 представляет собой вид, показывающий подробности внутри газозаряжающего контейнера 103, показанного на фиг. 8.
Кроме того, описываемый здесь аппарат атомного зонда включает в себя аппарат одномерного атомного зонда, аппарат трехмерного атомного зонда и аппарат сканирующего атомного зонда и представляет собой аппарат анализа положения элемента, имеющий пространственное разрешение на уровне межатомного расстояния.
Далее будут описаны подробности соответствующих конфигураций.
Чтобы зарядить дейтерий в игловидный материал 109, который является объектом измерения, необходимо ввести газообразный дейтерий в газозаряжающий контейнер 103, который содержит игловидный материал 109, который является объектом измерения, увеличить давление газа и повысить температуру игловидного материала 109. Форма игловидного материала 109 является игловидной, чтобы позволить проведение анализа атомным зондом. Газозаряжающий контейнер 103, который выполняет внедрение газообразного дейтерия, необходимо отделить от аналитического контейнера 101, который в действительности выполняет анализ атомным зондом. Это нужно потому, что в обычном аппарате атомного зонда, который выполняет внедрение и измерение дейтерия в одном контейнере, различие между дейтерием внутри заряженного образца (игловидный материал 109) и дейтерием, детектируемым в виде остаточного газообразного дейтерия внутри контейнера, который (химически) адсорбируется и ионизуется (впоследствии ионизуется) на поверхности образца, становится затруднительным во время измерения атомным зондом. Причина, почему используют газ для внедрения дейтерия, состоит в том, что выполнять введение/вакуумирование или подобное легко, и коррозия или загрязнение поверхности образца во время заряжения могут быть подавлены.
3
4
5
Давление газа прикладывают, чтобы увеличить частоту (число событий) столкновений молекул дейтерия с образцом (игловидным материалом 109) и увеличить вероятность проникновения в образец. Дополнительно, температуру образца повышают, чтобы увеличить энергию молекул дейтерия, которые сталкиваются друг с другом, тем самым увеличивая вероятность преодоления поверхностного барьера. Парциальное давление дейтерия в газозаряжающем контейнере 103 предпочтительно устанавливают большим или равным чем 10 Торр (1,33×10 Па) и более предпочтительно большим или равным чем 200 Торр (2,67×10 Па). Хотя верхний предел парциального давления дейтерия в газозаряжающем контейнере 103 не устанавливается точно, в случае обычного вакуумного контейнера 1500 Торр (2,00×10 Па) становится пределом с точки зрения прочности к давлению. Более высокое давление может быть использовано при использовании специального герметичного контейнера.
Температура образца предпочтительно составляет 100°С или выше и более предпочтительно 200°С или выше. Между тем, если температура образца слишком высокая, существует возможность того, что структура образца может изменяться. Хотя верхний предел температуры во избежание этих изменений зависит от материалов образца, температура обычно составляет приблизительно 400°С. Кроме того, время выдерживания представляет собой время, требуемое для достаточного внедрения дейтерия в игловидный материал 109. Хотя время выдерживания меняется в зависимости от температуры, давления и материалов, диапазон от 1 минуты до 20 минут является предпочтительным. Если время выдерживания составляет в пределах 1 минуты, не внедряется достаточное количество дейтерия, а если время выдерживания превышает 20 минут, форма поверхности образца может изменяться за счет таких эффектов, как травление дейтерием.
-7
-5
Газообразный дейтерий вводят после того, как газозаряжающий контейнер 103 вакуумируют до предпочтительно 1×10 Торр (1,3×10 Па) или меньше. Давление ввода газообразного дейтерия в этом случае может измеряться с помощью, например, измерителя давления, прикрепленного к газозаряжающему контейнеру 103. Цель использования изотопа (здесь дейтерия) водорода состоит в том, чтобы дать возможность отличия от ионов оставшегося газообразного водорода, который присутствует в аналитическом контейнере 101. Следовательно, необходимо особо устанавливать парциальное давление водорода в давлении газа атмосферы газозаряжающего контейнера 103 5% или менее и более предпочтительно 1% или менее. Хотя другие типы газов могут отчасти присутствовать, если не мешают газообразному дейтерию, чтобы предотвратить влияние на поверхность образца и улучшить эффективность внедрения газообразного дейтерия, парциальное давление дейтерия в давлении газа атмосферы может быть 90% или больше и более предпочтительно может быть 98% или больше.
В качестве части для нагрева игловидного материала для нагрева и поддержания игловидного материала 109 при заданной температуре любая произвольная технология может быть приспособлена, чтобы нагревать игловидный материал 109. Например, предпочтительным является электрический нагреватель, который имеет форму, покрывающую игловидный материал 109, установленный в газозаряжающем контейнере 103, и может изменять расстояние от игловидного материала 109. Причина, почему данная форма покрытия игловидного материала 109 является предпочтительной, состоит в том, что только концевая часть игловидного материала 109 может эффективно нагреваться. Кроме того, в качестве другой нагревающей части, например, также возможен нагрев игловидного материала 109 путем облучения игловидного материала 109 внутри газозаряжающего контейнера 103 лазером или лампой, установленной вне газозаряжающего контейнера 103, через фланец со стеклянным окном.
Трудно непосредственно измерять температуру игловидного материала 109 во время внедрения дейтерия или охлаждения. Так, например, изготавливают термопару, которая имеет сходство с игловидным материалом 109, и прикрепляют ее к держателю образца 118, чтобы измерять изменение температуры заранее. Затем соотношение между мощностью нагревателя, прошедшим временем или давлением и температурой атмосферы можно исследовать, чтобы предсказать действительную температуру. Кроме того, точность предсказания действительной температуры также может быть улучшена путем установки термопары в положении немного в стороне от игловидного материала 109 и измерения этой температуры во время заряжения или охлаждения.
Функция быстрого охлаждения игловидного материала 109 после нагрева является очень важной. Хотя температуру игловидного материала 109 повышают в атмосфере газообразного дейтерия, чтобы зарядить (абсорбировать) дейтерий в игловидный материал 109, если скорость охлаждения во время последующего охлаждения является низкой, дейтерий в месте захвата, таком как дефект, выходит из места захвата и улетучивается из игловидного материала 109. Кроме того, дейтерий, который растворен в матрице, также улетучивается из игловидного материала 109 из-за падения предела растворимости. Соответственно, необходимо охлаждать игловидный материал 109, заряженный дейтерием при высокой температуре, до низкой температуры за короткое время. Однако не легко выполнить эту функцию в аппарате, который поддерживает высокую степень вакуума.
В качестве охлаждающей части для быстрого охлаждения игловидного материала 109, например, предпочтительным является введение жидкого азота из контейнера жидкого азота, прикрепленного снаружи газозаряжающего контейнера 103, холодильник (криостат) 121 или подобное. Можно осуществлять термический контакт с игловидным материалом 109 через холодный палец, тем самым охлаждая игловидный материал 109. Однако, так как трудно снизить температуру образца за короткое время, в случае обычного использования, например, следующий способ является предпочтительным.
Держатель образца 118 игловидного материала 109 заранее находится в тепловом контакте с контейнером жидкого азота или холодильником 121, и держатель образца 118 охлаждается предпочтительно до -100°С или ниже и более предпочтительно до -150°С или ниже с помощью данной охлаждающей части в атмосфере, содержащей газообразный дейтерий. Затем, в этом состоянии только концевая часть игловидного материала 109 нагревается с помощью нагревающей части, и повышается и поддерживается при заданной температуре. Затем игловидный материал 109 может быстро охлаждаться до -50°С или ниже и предпочтительно 100°С или ниже за 10 секунд путем теплопроводности от держателя образца 118, путем отделения нагревателя от игловидного материала 109 или путем остановки лазера.
Предпочтительно, когда время, затраченное на охлаждение, будет короче. В реальном аппарате не легко охлаждать нагретый игловидный материал 109 мгновенно. Если время охлаждения лежит, по существу, в пределах 10 секунд, заряженный дейтерий может наблюдаться. Кроме того, предпочтительно, когда достигаемая охлаждением за это время температура будет ниже, чтобы заряженный дейтерий не улетучивался из игловидного материала 109 как можно больше. Однако, если время, затраченное на охлаждение, увеличивается, частота выхода заряженного дейтерия сильно увеличивается. Следовательно, предпочтительно, когда время, затраченное на это, устанавливают меньшим или равным 1 минуте.
Переносящая часть для переноса охлажденного игловидного материала 109 представляет собой часть для транспортирования игловидного материала 109, заряженного дейтерием, из газозаряжающего контейнера 103 в аналитический контейнер 101 вместе с держателем 118 образца. Необходимо выполнять данный перенос с помощью этой переносящей части за время, в течение которого температура охлажденного игловидного материала 109 не возрастает так, что внедренный дейтерий улетучивается с поверхности игловидного материала 109, и примеси не пристают к поверхности игловидного материала 109. Например, путем обеспечения внешней резьбы на держателе 119 образца, изготовления внутренней резьбы в переносной колодке такого же размера, как данная внешняя резьба, и ввинчивания внешней резьбы во внутреннюю резьбу можно выполнять перенос за короткое время. Время, затраченное на перенос аналитического контейнера 101 после охлаждения держателя 118 образца, предпочтительно составляет в пределах 3 минут и более предпочтительно 1 минуту с точки зрения роста температуры образца и загрязнения поверхности образца. Дополнительно, в качестве переносящей части существует, например, переносящий стержень.
-7
-5
-8
-6
-10
-8
Чтобы предотвращать адгезию примесей на поверхности игловидного материала 109 во время переноса, в состоянии до переноса, предпочтительно, когда степень вакуума внутри газозаряжающего контейнера 103 устанавливают 1×10 Торр (1,3×10 Па) или ниже, степень вакуума внутри контейнера хранения образца 102 устанавливают 1×10 Торр (1,3×10 Па) или ниже и степень вакуума внутри аналитического контейнера 101 устанавливают 2×10 Торр (2,6×10 Па) или ниже. Если эти степени вакуума являются плохими, загрязнения адгезируются на поверхности игловидного материала 109, необходимо удалять эти загрязнения при выполнении измерения атомным зондом. Это вызывает разрушение игловидного материала 109 или возникновение шума. В результате, становится трудно детектировать заряженный дейтерий.
В вакуумированном аналитическом контейнере 101 аппарат атомного зонда охлаждает игловидный материал 109 до 100 К (-173°С) или ниже и более предпочтительно 60 К (-213°С) или ниже, прикладывает высокое напряжение к игловидному материалу 109, ионизует полем атомы на поверхности игловидного материала 109 с помощью высокого электрического поля, образованного на концевой части иглы, и измеряет ионы, ускоренные электрическим полем поверхности, с помощью детектора. В одномерном атомном зонде измеряется только время пролета, и время пролета и положение прилета ионов в виде координат измеряются в трехмерном атомном зонде и сканирующем атомном зонде.
Так как время пролета определяется отношением массы к заряду ионов, частицы всех элементов, содержащихся в материале, могут быть определены. Положение глубины может определяться в порядке прилета атомов, и положение испарения игловидного материала 109 может определяться из координат прилета на детектор. Целевые трехмерные карты элементов могут быть получены путем измерения числа ионов из 100000 атомов или более и выполнения вычисления, проводимого компьютером с использованием, например, программы трехмерного конструирования, такой как POSAP или IVAS. Этот способ описан подробно, например, в ссылке "Bulletin of The Iron and Steel Institute of Japan (Ferrum) 4 (1999), and hh. 474-481".
Фиг. 9 представляет собой схематичный вид, показывающий внутреннюю структуру газозаряжающего контейнера 103 аппарата атомного зонда на фиг. 8. Этот газозаряжающий контейнер 103 способен охлаждать игловидный материал 109 путем вакуумирования его внутренней области в высоком вакууме и ввода холодного пальца 119, охлажденного путем заполнения контейнера 120 жидкого азота жидким азотом, в контакт с держателем 118 образца. В этом состоянии газообразный дейтерий вводят в газозаряжающий контейнер 103, нагревающий нагреватель 115 помещают близко к игловидному материалу 109 и кончик игловидного материала 109 локально нагревается. Это позволяет дейтерию эффективно внедряться в игловидный материал 109. Игловидный материал 109 может охлаждаться путем отвода нагревающего нагревателя 115. Кроме того, сразу после того как внутреннюю область газозаряжающего контейнера 103 вакуумируют, клапан 105 контейнера анализа газа (аналитическую камеру) 101 открывают и игловидный материал 109 переносят в заданное положение игловидного материала внутри контейнера 101 анализа газа, который заранее охлажден (смотри фиг. 8).
Так как атмосфера в контейнере 101 анализа газа имеет большую теплоемкость, игловидный материал 109 сразу охлаждается. Кроме того, способ нагрева игловидного материала 109 в газозаряжающем контейнере 103 не ограничивается строго, и может быть принят способ с нагревателем или способ с лазером. Дополнительно, способ охлаждения игловидного материала 109 в контейнере 101 анализа газа не ограничивается строго.
В настоящем изобретении газообразный дейтерий, который представляет собой один из изотопов водорода, используется в качестве заряжающего газа. Причина этого в том, что газообразный водород присутствует, даже если выполнена откачка до высокого вакуума, и распознавание становится трудным из-за ионизации оставшегося газообразного водорода, который присутствует в аналитическом контейнере 101. Так как изотопное отношение дейтерия в природе мало и составляет 1/6600 относительно водорода, распознавание от дейтерия, внедренного в материал, является легким. Хотя масса дейтерия в два раза больше массы водорода, так как дейтерий не имеет отличий в химических характеристиках или физических характеристиках и демонстрирует почти такое же поведение, как водород, дейтерий является эффективным в качестве заместителя положения присутствия водорода. Соответственно, в отношении атмосферы, вводимой в газозаряжающий контейнер 103, предпочтительно, когда доля дейтерия в данной атмосфере будет выше. Однако некий вид газа может присутствовать отчасти, пока данный газ не влияет на игловидный материал 109.
Между тем, так как тритий, который является другим изотопом водорода, является радиоактивным элементом, работать с ним затруднительно. Однако тритий будет включен в настоящее изобретение, так как его применение возможно, если тритий находится в регулируемой области. То есть "дейтерий" в настоящем изобретении также включает в себя тритий.
В качестве материала для держателя 118 образца, который фиксирует игловидный материал 109, предпочтительными являются нержавеющая сталь, медь и подобные, которые имеют электропроводность и теплопроводность. Дополнительно, резьба для прикрепления держателя образца к переносной колодке может быть образована на периферии держателя 118 образца. Так как игловидный материал 109, используемый для измерения атомным зондом, имеет длину приблизительно от 5 мм до 12 мм и диаметр 1 мм или меньше, игловидный материал 109 может прикрепляться, например, путем помещения данного материала в металлическую трубку, сделанную из меди, никеля или подобного, с диаметром от 1 до 2 мм и обжатия этой металлической трубки. Затем игловидный материал 109 можно прикреплять к держателю 118 образца путем вставки этой металлической трубки в держатель 118 образца.
Кроме того, материалы, анализируемые в настоящем изобретении, представляют собой металлические материалы, которые испытывают проблему водородной хрупкости, такие как сталь и алюминий.
Игловидный материал 109 обычно изготавливают, используя электрополировку. Например, анализируемый материал можно делать в стержневидной форме 0,3×0,3×10 мм, и ее можно превращать в игловидный материал 109, в котором радиус кривизны кончика иглы составляет 100 нм или меньше, путем электрополировки, используя электролит, который соответствует данному материалу. Например, когда анализируемый объект представляет собой стальной материал, напряжение от 5 В до 20 В может прикладываться к стороне материала и выполнять работу с использованием смешанного раствора хлорной кислоты и уксусной кислоты и смешанного раствора хлорной кислоты и спирта. Дополнительно, фокусированный ионный пучок (ФИП) может использоваться для измельчения.
После того как игловидный материал 109, изготовленный с помощью такого способа, очищают спиртом или подобным, игловидный материал прикрепляют к держателю 118 образца с помощью вышеописанного способа и вводят в аппарат настоящего изобретения. Обычно после того как внутреннюю область контейнера 104 ввода образца достаточно вакуумировали, игловидный материал 109 переносят в газозаряжающий контейнер 103 с помощью переносящего стержня 111 или подобного. Дейтерий заряжают в игловидный материал 109 путем ввода газообразного дейтерия в газозаряжающий контейнер 103 и повышения температуры концевой части игловидного материала 109. Затем дейтерий захватывается путем быстрого охлаждения игловидного материала 109. Затем, при охлажденном игловидном материале 109, игловидный материал 109 переносят в аналитический контейнер 101, и анализ атомным зондом выполняют при заданной температуре. Положение дейтерия может быть визуализовано с пространственным разрешением на межатомном уровне с помощью результатов трехмерного картографического анализа с помощью особого программного обеспечения.
ПРИМЕРЫ
Ниже будут объясняться примеры использования аппарата настоящего изобретения и обычного аппарата.
ПРИМЕР 1
-8
-6
Чтобы исследовать температуру игловидного материала 109 во время внедрения дейтерия, держатель 118 образца для измерения, похожий на игловидный материал 109, готовили в соответствии с действительным игловидным материалом 109 и держателем 118 образца при использовании газозаряжающего контейнера 103, показанного на фиг. 4, так что конец термопары помещали на расстоянии 10 мм от держателя 118 образца, и выполняли измерение температуры. Внутреннюю область газозаряжающего контейнера 103, показанного на фиг. 4, вакуумировали до 2×10 Торр (2,6×10 Па) по линии 117 откачки с помощью насоса.
4
-8
-6
В этом состоянии жидкий азот заливали в контейнер 120 жидкого азота, и охлаждали холодный палец 119 и держатель 118 образца, и игловидный материал 109, который приводили в контакт с холодным пальцем. Температура кончика иглы игловидного материала 109 достигала -115°С за приблизительно 40 минут после начала охлаждения. Газообразный дейтерий вводили из линии 116 ввода газообразного дейтерия так, чтобы иметь 300 Торр (3,99×10 Па), нагреватель 115 игловидного материала приближали к игловидному материалу 109 так, чтобы покрывать игловидный материал 109. Нагреватель 115 игловидного материала нагревали, чтобы повысить температуру кончика иглы игловидного материала 109 за 3 минуты до приблизительно 230°С и поддерживали при этой температуре в течение 10 минут. Когда нагреватель 115 игловидного материала выключали, нагреватель 115 игловидного материала отводили от игловидного материала 109 и изучали изменение температуры. Результаты показаны черными кружками на фиг. 6. Температура кончика иглы игловидного материала 109 быстро падала от 230°С до -70°С за 10 секунд. Считается, что кончик иглы быстро охлаждался из-за теплопроводности к держателю 118 образца с большой теплоемкостью, так как только кончик иглы игловидного материала 109 нагревали в состоянии, когда держатель 118 образца и холодный палец 119 были достаточно холодными. Быстрое охлаждение в газозаряжающем контейнере 103 становилось возможным с помощью этого способа. Так как нагреваемой частью был только кончик иглы игловидного материала 109, почти не было изменений в давлении газа атмосферы. Кроме того, хотя изменение температуры кончика иглы во время переноса также исследовали, используя держатель 118 образца для этого измерения, повышение температуры было меньше чем 20°С, так как контейнер 102 хранения образца, через который перемещается игловидный материал 109, поддерживали при высоком вакууме 1×10 Торр (1,3×10 Па) и переносили за 1 минуту. На основании такого эксперимента действительная температура кончика иглы могла быть вычислена по мощности, времени и подобному нагревателя 115 игловидного материала. Дополнительно, давление в газозаряжающем контейнере 103 измеряли с помощью измерителя 126 давления и регулировали с помощью клапана 105. Это проводили также в последующих примерах и сравнительных примерах.
Сравнительный пример 1
Подобно примеру 1, чтобы исследовать температуру игловидного материала 109 во время внедрения дейтерия, держатель 118 образца для измерения, имеющий конец термопары, расположенный на расстоянии 10 мм от держателя 118 образца, и напоминающий игловидный материал 109 готовили в соответствии с действительным игловидным материалом 109 и держателем 118 образца при использовании газозаряжающего контейнера 103, показанного на фиг. 4, и выполняли измерение температуры.
4
Внутреннюю область газозаряжающего контейнера 103, показанного на фиг. 4, вакуумировали по линии 117 откачки с помощью насоса. Газообразный дейтерий вводили из линии 116 ввода газообразного дейтерия так, чтобы иметь давление 290 Торр (3,86×10 Па) без охлаждения держателя 118 образца, и нагреватель 115 игловидного материала приближали к игловидному материалу 109. Нагреватель 115 игловидного материала нагревали, чтобы повысить температуру кончика иглы за 3 минуты до приблизительно 220°С, и поддерживали при этой температуре. Когда нагреватель 115 игловидного материала выключали, нагреватель 115 игловидного материала отводили от игловидного материала 109. Кроме того, жидкий азот заливали в контейнер 120 жидкого азота, и охлаждали холодный палец 119 и держатель 118 образца, и игловидный материал 109, который приводили в контакт с холодным пальцем, и изучали изменение температуры кончика иглы. Результаты показаны пустыми кружками на фиг. 6. Хотя температура кончика иглы быстро падала от 230°С до 150°С, последующее падение температуры было очень медленным и составляло приблизительно 50°С, даже если проходила 1 минута.
ПРИМЕР 2
Игловидный материал 109, сделанный из тянутой перлитной стальной проволоки, с радиусом кривизны кончика иглы, составляющим 50 нм, прикрепляли к держателю 118 образца, как показано на фиг. 4, и вводили в контейнер 104 ввода образца, использованный в примере 1. Затем держатель 118 образца переносили в газозаряжающий контейнер 103, показанный на фиг. 4, вместе с игловидным материалом 109, используя переносящий стержень 111, и нагреватель 115 игловидного материала устанавливали вблизи игловидного материала 109.
-8
-6
4
Внутреннюю область газозаряжающего контейнера 103 откачивали до высокого вакуума 2×10 Торр (2,6×10 Па) с помощью линии 117 откачки. Затем холодный палец 119 контейнера 120 жидкого азота, в который вводили жидкий азот, вводили в тесный контакт с держателем 118 образца, и держатель 118 образца охлаждали до -180°С. В этом состоянии дейтерий заряжали в игловидный материал 109 путем ввода газообразного дейтерия из линии 116 ввода газообразного дейтерия до достижения его давления 200 Торр (2,66×10 Па), повышения температуры кончика иглы игловидного материала 109 до 210°С с помощью нагревателя 115 игловидного материала в форме, покрывающей игловидный материал 109, и поддерживания данной температуры в течение 5 минут. После истечения 5 минут нагреватель 115 игловидного материала выключали и отводили от позиции игловидного материала 109, и температура кончика иглы игловидного материала 109 быстро снижалась до -100°С за 10 секунд.
-8
-6
-9
-7
В этом низкотемпературном состоянии газообразный дейтерий откачивали до 2×10 Торр (2,6×10 Па). Затем игловидный материал 109 переносили в контейнер 101 анализа газа через контейнер 102 хранения образца, который откачивали до высокого вакуума 5×10Торр (6,5×10 Па) или ниже, из газозаряжающего контейнера 103 с помощью переносящего стержня 111. Температуру игловидного материала 109 во время переноса поддерживали при -70°С или ниже. Так как место для анализа внутри аналитического контейнера 101 заранее поддерживали при -220°С с помощью холодильника 121, температура игловидного материала 109 достигала -220°С за 3 минуты. Высокое напряжение прикладывали к игловидному материалу 109, чтобы вызвать полевое испарение на поверхности кончика иглы игловидного материала 109, и измерение атомным зондом выполняли, используя аппарат, показанный на фиг. 1.
+
+
Условия измерения были 20% импульсной фракции, приложенное напряжение постоянного тока от 10 кВ до 12 кВ и импульсное напряжение от 2 кВ до 2,4 кВ. Данные измерения анализировали с помощью программы POSAP, и получали спектр отношения массы к заряду. Ионы водорода (Н) посредством ионизации оставшегося водорода внутри аналитического контейнера 101 возникали в виде пика с отношением массы к заряду, равным 1, тогда как пик внедренного дейтерия ионов дейтерия (D) возникал с отношением массы к заряду, равным 2. Результаты, полученные путем рисования трехмерной карты элементов на основании этого, показаны на фиг. 7. Атомы дейтерия, внедренные в перлитную сталь, которую подвергали вытягиванию в проволоку, наблюдали вблизи места межфазной границы цементитной пластинки (на фиг. 7 маленькие круглые точки показывают положение атомов углерода, а большие круглые точки показывают положение атомов дейтерия), и положение присутствия водорода в игловидном материале 109 может быть визуализировано и наблюдаться с пространственным разрешением на атомном уровне.
ПРИМЕР 3
Игловидный материал 109, сделанный из стали с диспергированными выделениями, с радиусом кривизны кончика иглы, составляющим 60 нм, прикрепляли к держателю 118 образца и вводили в контейнер 104 ввода образца аппарата настоящего изобретения. Затем игловидный материал 109 устанавливали в месте нагрева игловидного материала 109 путем переноса держателя 118 образца в газозаряжающий контейнер 103, показанный на фиг.5, вместе с игловидным материалом 109, используя переносящий стержень 111.
После того как внутреннюю область газозаряжающего контейнера 103 откачивали до высокого вакуума с помощью линии 117 откачки, держатель 118 образца ввинчивали в холодный палец 119, который охлаждали путем работы холодильника 121, и держатель 118 образца охлаждали до -200°С.
4
В этом состоянии дейтерий заряжали в игловидный материал 109 путем ввода газообразного дейтерия до 600 Торр (7,98×10 Па) из линии 116 ввода газообразного дейтерия, запуска непрерывной генерации YAG лазера 122, расположенного снаружи газозаряжающего контейнера 103, направления света лазера 125 в газозаряжающий контейнер 103 посредством зеркала 113, линзы 123 и фланца 124 со стеклянным окном, облучения кончика иглы игловидного материала 109, повышения температуры этого кончика иглы до 180° и поддерживания данной температуры в течение 20 минут. Достижение температуры, как описано в примере 1, изучали заранее, используя держатель образца с термопарой для измерения, и вычисляли из соотношения между мощностью лазера и временем. После истечения 20 минут YAG лазер 122 останавливали, и игловидный материал 109 быстро охлаждался до температуры -150°С за 10 секунд.
В этом низкотемпературном состоянии газообразный дейтерий внутри газозаряжающего контейнера 103 откачивали, и игловидный материал 109 переносили в контейнер 101 анализа газа через контейнер 102 хранения образца из газозаряжающего контейнера 103 с помощью переносящего стержня 111. Температуру игловидного материала 109 во время переноса поддерживали -100°С или ниже. Так как место для анализа внутри аналитического контейнера 101 заранее поддерживали при -220°С с помощью холодильника 121, температура игловидного материала 109 достигала -220°С за 3 минуты. Высокое напряжение прикладывали к игловидному материалу 109, чтобы вызвать полевое испарение на поверхности кончика иглы игловидного материала 109, и выполняли измерение атомным зондом.
+
Условия измерения были 20% импульсной фракции, приложенное напряжение постоянного тока от 12 кВ до 14 кВ и импульсное напряжение от 2,4 кВ до 2,8 кВ. Данные измерения анализировали с помощью программы POSAP, и получали спектр отношения массы к заряду. Для отношения массы к заряду, равного 2, ясно возникал пик заряженного дейтерия D. Путем исследования положения его распределения визуально наблюдали результат того, что дейтерий концентрировался вблизи поверхности раздела выделений.
Сравнительный пример 2
Игловидный материал 109, сделанный из тянутой перлитной стальной проволоки, с радиусом кривизны кончика иглы, составляющим 46 нм, прикрепляли к держателю образца, и прикрепляли к месту измерения внутри контейнера анализа газа аппарата атомного зонда, напоминающего аппарат, описанный в вышеуказанной японской нерассмотренной патентной заявке, первая публикация № Н9-152410.
4
Внутреннюю область контейнера анализа газа откачивали до высокого вакуума с помощью линии откачки, температуру игловидного материала 109 повышали до 200°C с помощью нагревающего нагревателя. В этом состоянии дейтерий заряжали в игловидный материал 109 путем ввода газообразного дейтерия из газовой линии до достижения давления газообразного дейтерия 300 Торр (3,99×10 Па) и затем поддержания данного давления в течение 10 минут.
-10
-8
В этом состоянии игловидный материал 109 охлаждали путем остановки нагревающего нагревателя и работы холодильника 121. Одновременно с этим газообразный дейтерий в контейнере анализа газа откачивали. Температура игловидного материала 109 достигала -220°С за 40 минут. Дополнительно, давление оставшегося газа в контейнере анализа газа в это время составляло 3×10 Торр (3,99×10 Па).
В этом состоянии прикладывали высокое напряжение к игловидному материалу 109, чтобы вызвать полевое испарение на поверхности кончика иглы игловидного материала 109, и выполняли измерение атомным зондом. Условия измерения были 20% импульсной фракции, приложенное напряжение постоянного тока от 9 кВ до 12 кВ и импульсное напряжение от 1,8 кВ до 2,4 кВ. Данные измерения анализировали с помощью программы POSAP, и получали спектр отношения массы к заряду. Хотя пик с отношением массы к заряду, равным 2, соответствующий ионам дейтерия, измеряли, но так как дейтерий едва детектировали в игловидном материале 109, был сделан вывод, что дейтерий, который присутствовал в оставшемся газе и который адсорбировался на поверхности игловидного материала 109, измеряли в виде большей части данного пика. В результате, в аппарате согласно этому сравнительному примеру 2 было трудно исследовать положение дейтерия в целевом материале.
ПРИМЕР 4
Игловидный материал 109, сделанный из стали с диспергированными включениями, с радиусом кривизны кончика иглы, составляющим 50 нм, прикрепляли к держателю 118 образца, показанному на фиг.8, и вводили в контейнер 104 ввода образца. Затем держатель 118 образца переносили в газозаряжающий контейнер 103, показанный на фиг.8 и 9, вместе с игловидным материалом 109, используя переносящий стержень 111, и нагреватель 115 игловидного материала устанавливали вблизи игловидного материала 109.
-8
-6
Внутреннюю область газозаряжающего контейнера 103 откачивали до высокого вакуума 2×10 торр (2,6×10 Па) с помощью линии 117 откачки. Затем холодный палец 119 контейнера 120 жидкого азота, в который вводили жидкий азот, вводили в тесный контакт держателем 118 образца, и держатель 118 образца охлаждали до -180°С.
4
В этом состоянии дейтерий заряжали в игловидный материал 109 путем ввода газообразного дейтерия в газозаряжающий контейнер 103 из линии 116 ввода газообразного дейтерия до достижения его давления 300 Торр (4,0×10 Па), повышения температуры игловидного материала 109 до 180°С с помощью нагревателя 115 игловидного материала в форме, покрывающей игловидный материал 109, и поддерживания данной температуры в течение 10 минут. После истечения 10 минут нагреватель 115 игловидного материала выключали и отводили от места игловидного материала 109, и игловидный материал 109 быстро охлаждали до температуры -120°С за 10 секунд с помощью холодного пальца, соединенного с контейнером 120 жидкого азота.
-7
-5
В этом низкотемпературном состоянии газообразный дейтерий внутри газозаряжающего контейнера 103 откачивали до 1×10 Торр (1,3×10 Па), клапан 105 между аналитическим контейнером 101 и газозаряжающим контейнером 103 открывали, и игловидный материал 109 переносили в контейнер 101 анализа газа с помощью переносящего стержня 111. Время, требуемое для переноса, после окончания заряжения составляло в пределах 1 минуты. Температуру игловидного материала 109 во время переноса поддерживали -100°С или ниже. Так как место для анализа внутри аналитического контейнера 101 заранее поддерживали при -220°С с помощью холодильника 121, температура игловидного материала 109 достигала -220°С за 3 минуты. Высокое напряжение прикладывали к игловидному материалу 109, чтобы вызвать полевое испарение на поверхности кончика игловидного материала 109, и измерение атомным зондом выполняли, используя такое же измеряющее устройство, как измеряющее устройство, показанное на фиг. 1.
+
+
Условия измерения были 20% импульсной фракции, приложенное напряжение постоянного тока от 7 кВ до 10 кВ и импульсное напряжение от 1,4 кВ до 2,0 кВ. Данные измерения анализировали с помощью программы POSAP, и получали спектр отношения массы к заряду. Ионы водорода (Н) посредством ионизации оставшегося водорода внутри аналитического контейнера 101 возникали в виде пика с отношением массы к заряду, равным 1, тогда как пик внедренного дейтерия в виде ионов дейтерия (D) возникал с отношением массы к заряду, равным 2. В результате рисования трехмерной карты элементов на основании этого, внедренный дейтерий концентрировался вблизи поверхности раздела мелких включений, и концентрация дейтерия была выше, чем в примере 3. Это показывает, что, так как время переноса игловидного материала 109 было короче, чем в примере 3, утечка дейтерия была дополнительно подавлена. Следовательно, положение присутствия водорода от дейтерия, внедренного в игловидный материал, может быть визуализировано и наблюдаться с пространственным разрешением на атомном уровне с помощью настоящего изобретения.
Хотя предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения были описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, излишне говорить, что настоящее изобретение не ограничивается только такими вариантами осуществления. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что различные изменения или модификации могут быть сделаны в формуле изобретения, и будет понятно, что эти изменения или модификации естественным образом принадлежат техническому объему настоящего изобретения.
Согласно настоящему изобретению дейтерий можно просто и точно заряжать в материал, и измерение атомным зондом можно быстро выполнять, подавляя диффузию дейтерия в материал. Следовательно, функциональные улучшения аппарата атомного зонда, который может исследовать материал из композиции элементов, могут быть реализованы, и положение присутствия водорода в материалах, включая стальные материалы, может быть выяснено. Следовательно, может быть обеспечен аппарат и способ, которые сильно способствуют разработке материалов, надежность которых гарантируется.
Хотя предпочтительные варианты осуществления данного изобретения были описаны и изображены выше, следует понимать, что они являются примерами данного изобретения и не должны рассматриваться в качестве ограничивающих. Добавления, пропуски, замены и другие модификации могут быть сделаны без отклонения от объема настоящего изобретения. Соответственно, данное изобретение не следует рассматривать, как ограниченное вышеприведенным описанием, и оно ограничивается только объемом приложенной формулы изобретения.