СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПО ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА
METHOD OF OBTAINING SPATIAL DISTRIBUTION OF CHEMICAL ELEMENTS ON SURFACE OF SPECIMEN

Изобретение относится к области рентгеноспектрального анализа материалов и может быть использовано для определения количественного состава материала, контроля его качества, исследования распределения отдельных элементов (например, легирующих добавок) в многокомпонентных сплавах и композитных материалах.
Известен способ изучения локального анализа химических элементов в образце с помощью рентгенофлуоресцентного анализа (аналог - A. Attaelmanan, S. Larsson, A. Rindby, P. Vogils, A. Kuczumow, A table-top X-ray microbeam scanning facility. Rev. Sci. Instrum. v.65. №1, 1994, p.7-12), состоящий в возбуждении образца фокусированным излучением рентгеновской трубки, сканировании исследуемого участка путем последовательного перемещения образца относительно возбуждающего пучка в заданных направлениях, регистрации флуоресцентного излучения полупроводниковым детектором и обработки спектрометрических данных, полученных в каждой точке сканирования. Пространственное разрешение данного способа определяется в основном размером фокального пятна на поверхности образца и составляет в лучшем случае несколько микрон. Недостаток способа состоит в том, что при обеспечении высокого разрешения и качества анализа его реализация является сложной, он дополнительно требует применения специальной дорогостоящей аппаратуры для точной ориентации фокусирующей оптики относительно анодного фокуса рентгеновской трубки и позиционирования образца относительно возбуждающего пучка при его сканировании.
Известен способ элементного анализа поверхности образца материала путем проведения локального рентгенофлюоресцентного анализа (прототип - С.Worley, J. Havrilla. Anal. Chem. V70, №14, P.2957-2963 (1998). Способ состоит в локальном облучении поверхности образца рентгеновским пучком с регистрацией флюоресцентного излучения, анализе флуоресцентного излучения образца при использовании полученного с помощью полупроводникового регистратора изображения на основе математической процедуры обработки данных.
Недостаток способа состоит в том, что при обеспечении высокого разрешения и качества анализа его реализация является сложной, он требует применения специальной дорогостоящей аппаратуры.
Задача состоит в разработке способа рентгеноспектральных исследований, позволяющего произвести элементный анализ поверхности образца материала без привлечения специальной сложной и дорогостоящей аппаратуры при сохранении качества анализа.
Технический результат состоит в упрощении процедуры получения распределения химических элементов по поверхности образца при сопоставимости разрешающей способности, обеспечиваемой заявляемым способом по сравнению со способом-прототипом.
Данный технический результат достижим за счет того, что по сравнению с известным способом получения пространственных распределений химических элементов по поверхности образца, заключающимся в сканировании исследуемого участка поверхности образца путем последовательного перемещения образца относительно фокусированного возбуждающего пучка рентгеновской трубки, регистрации полупроводниковым детектором флюоресцентного излучения химических элементов и анализе спектрометрических данных, полученных в каждой точке сканирования, в предлагаемом способе
- образец облучается широким пучком ионизирующего излучения с энергией, достаточной для возбуждения характеристического рентгеновского излучения элементов, составляющих образец,
- изображение формируют посредством камеры обскуры,
- в качестве регистратора используют рентгеночувствительную ПЗС камеру, работающую в режиме регистрации отдельных квантов,
- накапливают информацию в кадровом режиме с малой длительностью кадра,
- осуществляют программную математическую обработку в каждом кадре, выделяя в каждом кадре пиксели, соответствующие характеристической линии излучения интересующего химического элемента,
- после чего в результате последовательного суммирования некоторого числа кадров получают искомое распределение химического элемента по поверхности образца,
Кроме того, способ может отличаться тем, что каждому из выделенных химических элементов присваивают определенный цвет и при объединении полученных изображений получают цветную карту распределения элементов по поверхности образца.
Способ может отличаться тем, что обеспечивают коррекцию кадров с учетом эффекта «растекания заряда» между соседними пикселями матрицы.
Сущность заявляемого способа состоит в следующем.
В этом способе поверхность образца облучается широким пучком внешнего источника, а изображение флуоресцирующей поверхности формируется на матрице ПЗС посредством камеры-обскуры. При этом используются все преимущества полупроводниковых матричных структур - возможность регистрировать пространственные координаты рентгеновского кванта, попавшего на матрицу, и определять значение его энергии.
Облучение образца широким пучком позволяет возбуждать флуоресцентное излучение исследуемых химических элементов на всем выбранном участке поверхности образца, при этом никаких особых требований к коллимации пучка или геометрии источника не предъявляется, он может быть как точечным, так и протяженным.
В качестве объектива, формирующего изображение образца, используется камера-обскура. В настоящее время это наиболее простой и дешевый способ формирования изображения в рентгеновских лучах. Как известно, пространственное разрешение таких систем в основном определяется диаметром используемой обскуры. Для того чтобы достичь пространственного разрешения, сравнимого со способом-прототипом (10-20 мкм), достаточно изготовить обскуру с таким эффективным диаметром. Такие обскуры легко можно изготовить, например, методом прокалывания иглой, травленной в кислоте, мягкого листового металла (свинец, кадмий), с помощью простейшего приспособления для контроля глубины проникновения иглы.
Способ основан на применении рентгеночувствительной ПЗС камеры в качестве регистратора излучения. В процессе измерения камера работает в режиме регистрации отдельных квантов, т.е. в таком режиме, когда за время экспозиции одного кадра на любой пиксель матрицы попадает не более одного кванта регистрируемого излучения, тем самым обеспечивается возможность анализировать каждый акт взаимодействия и проводить спектрометрию поглощенных квантов. Эффективный режим измерений достигается путем подбора оптимального соотношения плотности потока регистрируемого излучения и времени экспозиции одного кадра с тем, чтобы, с одной стороны, обеспечить максимальную скорость накопления информации, а с другой стороны, не допустить появления «сдвоенных» квантов, т.е. таких ситуаций, когда за время экспозиции кадра в отдельный пиксель ПЗС матрицы попадает два (или более) кванта.
Каждый полученный таким образом кадр проходит процедуру компьютерной обработки, заключающейся в выделении пикселей, соответствующих попаданиям квантов характеристического излучения искомого химического элемента.
Накопление информации происходит путем регистрации достаточного количества кадров. В зависимости от «плотности информации», регистрирующейся в отдельном кадре, и желаемой степени статистической достоверности конечного результата это количество может изменяться от нескольких десятков до тысяч и более кадров.
Если образец содержит в своем составе два или более химических элемента и распределение этих элементов имеет ярко выраженную неоднородность, например вкрапления одного металла, полученное в результате какого-нибудь воздействия на образец, то для большей наглядности можно создать суммарное изображение, в котором каждому отдельному элементу присвоить определенный цвет.
При регистрации излучения с помощью матричных полупроводниковых детекторов с чувствительными элементами малых размеров, как в нашем случае, часто наблюдается эффект «растекания заряда», т.е. когда заряд, возникающий в результате попадания единичного кванта на матрицу, распределяется по двум или более соседним ячейкам. Подобный эффект приводит к ухудшению спектрального разрешения детектора. В целях уменьшения влияния этого эффекта на конечный результат предлагается перед проведением процедуры обработки кадра, описанной выше, провести процедуру восстановления заряда, заключающуюся в следующих шагах: нахождение группы соседствующих пикселей с «растекшимся» зарядом (по превышению значения пикселя над фоном на величину задаваемого оператором порогового значения), определение центра попадания кванта (по центру тяжести суммы значений соседних пикселей), сбор «растекшегося» заряда в этот центральный пиксель из соседних (т.е. уменьшение значения этих соседних пикселей до фоновых значений с соответствующим увеличением значения центрального пикселя).
Таким образом, предложенный подход в заявляемой совокупности признаков, характеризующейся выбором подхода к формированию изображения, типа регистратора, режима его использования и особенностей обработки полученной информации, позволяет упростить процедуру получения распределения химических элементов по поверхности образца при сопоставимости разрешающей способности, обеспечиваемой заявляемым способом по сравнению со способом- прототипом.
На фигуре 1 показана принципиальная схема эксперимента, где 1 - образец, 2 - камера-обскура, 3 - защитный экран, 4 - матрица ПЗС камеры, 5 - ПЗС камера, 6 - коллиматор, 7 - фокус рентгеновской трубки, 8 - микрофокусная рентгеновская трубка.
Способ реализован следующим образом.
Флуоресценция химических элементов исследуемого образца 1 возбуждалась излучением микрофокусной молибденовой трубки 8 малогабаритного рентгеновского аппарата "РИЗОН 50/10", излучение направлялось на образец под углами 20-40°. Возбуждающий пучок ограничивался с помощью коллиматора из кадмия 6. Расстояние от анода трубки до поверхности образца составляло ~20 мм.
Для построения изображения выбранного участка флуоресцирующей поверхности образца на матрице 4 ПЗС камеры 5 применялась камера-обскура 2 с "точечным" коллиматором, закрепленная на вершине конусного защитного экрана 3. Диаметры отверстий камер-обскур, использовавшихся в экспериментах, составляли от 15 до 200 мкм. Коэффициент оптического увеличения системы составлял от 15х до 25х в различных измерениях. Матрица ПЗС располагалась параллельно поверхности образца.
2
2
В качестве регистратора рентгеновских изображений использовалась камера CCD-LCX 1242 EHR/1 фирмы Roper Scientific с матрицей, состоящей из 1242×1152 рентгеночувствительных кремниевых элементов. Размер матрицы - 25,9×27,5 мм, размеры одного элемента - 22,5×22,5 мкм. Камера имеет входное окно из бериллия толщиной ~250 мкм. Управление камерой и передача информации с матрицы на компьютер осуществляется с помощью контроллера ST133. Динамический диапазон регистрации величины заряда в каждом пикселе составляет 16 бит. Связь с компьютером поддерживается через последовательный высокоскоростной порт. Матрица охлаждается до температуры -30°С. Диапазон энергетической чувствительности камеры от 2 до 20 кэВ позволяет регистрировать характеристическое излучение К - серии элементов с атомными номерами Z=19-42 и L - серии элементов с Z=48-95.
Получение пространственного распределения отдельных химических элементов осуществлялось путем съемки и обработки достаточного количества последовательных кадров. Общее количество таких кадров в основном зависело от диаметра камеры-обскуры (т.е. выбранного пространственного разрешения) и составляло от 1000 кадров в случае с камерой-обскурой большого диаметра до 50000 в случае, когда диаметр камеры-обскуры составлял 15 мкм. Время экспозиции одного кадра составляло 3 с - это оптимальное время экспозиции, с одной стороны, достаточно большое для накопления информации, с другой стороны, достаточно короткое, при котором еще не проявляется эффект диффузии заряда в соседние пиксели. Обработка единичного кадра заключалась в выделении пикселей, соответствующих точкам попадания на матрицу квантов характеристического излучения интересующего химического элемента, этим пикселям присваивается значение, равное 1, остальные пиксели в кадре зануляются. Соответствие пикселей определяется по результатам предварительно проводящейся энергетической калибровки матрицы. Дальнейшее попиксельное суммирование кадров дает картину яркости свечения интересующего элемента по поверхности образца. Данная процедура обработки всего массива данных осуществляется для каждого интересующего химического элемента по отдельности. На фиг.2 представлено распределение железа по поверхности шлифа сплава ВНЖ 7-3 (90% W, 7% Ni, 3% Fe), полученное описанным способом (диаметр камеры-обскуры 25 мкм), где а - оптическое изображение участка поверхности шлифа, 6 - распределение железа на поверхности шлифа.
Таким образом, предложенный способ в заявляемой совокупности признаков позволяет получить пространственные распределения химических элементов по поверхности образца упрощенным образом при сохранении высокой разрешающей способности на уровне способа-прототипа.