Verfahren zur Durchführung einer Phasenanalyse auf Oberflächen heterogen aufgebauter fester Körper Gegenstand des Patentanspruches I des Hauptpa tentes ist ein Verfahren zur Durchführung einer Pha senanalyse auf Oberflächen heterogen aufgebauter fester Körper mit Hilfe einer Elektronenstrahl-Mikro sonde, 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 Analysiereinrichtun gen der Mikrosonde erzeugt werden,
mittels mindestens eines Diskriminators diejenigen Spannungen ausge wählt werden, die in einen Spannungsbereich fallen, der für die selektiv zu erfassende Phase charakteri stisch ist und dass durch diese Spannungen ein Schalt kreis geöffnet wird, wobei ein elektronisches Schaltele ment die von einem parallelgeschalteten und mit kon stanter Frequenz arbeitenden Oszillator gelieferten Impulse solange durchlässt, wie sich der Elektronen strahl auf der zu erfassenden Phase befindet und der An teil dieser Phase aus dem Verhältnis der durchgelasse nen Impulse zur Gesamtzahl der Impulse, die vom Oszillator während der ganzen Analysendauer geliefert werden. ermittelt wird.
Falls das Abtasten mit dem Elektronenstrahl mit tels einer Abtasteinrichtung gesteuert wird, kann das Verfahren in sehr einfacher Weise auch zur Durchfüh- rung- einer Flächenanalyse Verwendung finden.
Als charakteristische Eigenschaft für die zu analy sierende Phase können beispielsweise die Ratemeter spannung oder der absorbierte bzw. der rückgestreute Elektronenstrom verwendet werden.
Zur Durchführung einer Ausführungsform des Ver fahrens gemäss dem Hauptpatent wird die zu untersu chende Probe in der Mikrosonde vom Elektronenstrahl entlang einer Geraden mit bekannter und gleichförmi ger Geschwindigkeit abgetastet. Hierbei werden Span nungen, welche mit Eigenschaften der zu untersuchen den Phase in einem ursächlichen Zusammenhang ste- hen, z. B. die am Röntgenimpuls-Zählgerät auftretende Spannung V, die der Zählrate der aus der Probe aus tretenden Röntgenstrahlung analog ist, abgegriffen und in einen Schaltkreis geführt. Diese sich entlang der Ab taststrecke ändernde Spannung muss nun eine Diskri minatoreinheit passieren, die es gestattet, durch eine obere und eine untere Schwelle Spannungen innerhalb zweier gewählter Grenzen 1 und 2 herauszugreifen.
Der Spannungsbereich zwischen 1 und 2 wird so ge wählt, dass er für die zu analysierende Phase charakte ristisch ist. Zufolge der gewählten Anordnung wird also nur dann eine Spannung von der Diskriminator einheit angeboten, wenn die am Spannungsgeber abge griffene Spannung innerhalb des gewählten Bereiches liegt. Darüber- und darunterliegende Spannungen wer den unterdrückt. 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 Transi stor ist eine pulsierende Spannung mit einer bekann ten, konstanten Frequenz durch Parallelschalten eines Oszillators angelegt.
Die Impulse dieses Oszillators mit beispielsweise einer konstanten Frequenz von SO Impulsen pro Sekunde werden nur dann vom Transi stor durchgelassen, wenn eine innerhalb des gewählten Spannungsbereiches liegende Spannung auftritt. Es handelt sich demnach um einen Schaltkreis, der die aus der Probe austretenden Röntgenimpulse nur zur Steue rung benützt. Die für das Messergebnis verwertete Impulszahl ist hingegen je Zeiteinheit konstant. Die Zahl dieser Impulse wird von einem Zählwerk regi striert, das zweckmässig mit einer Druckereinheit kom biniert ist.
Für die Auswertung des Messergebnisses wird die Gesamtzahl der Impulse während der Analysendauer herangezogen und mit den gezählten Impulsen ver glichen, die während der Analysendauer bei geöffnetem Schaltkreis aufgetreten sind, woraus der Anteil der zu uressenden Phase ermittelbar ist.
Wenn in der zur Verfügung stehenden Mikrosonde zwei oder mehrere getrennte Messplätze vorhanden sind, um simultan zwei oder mehrere Elemente bestim men zu können, ist es möglich, die Analysengenauig- keit des Verfahrens noch zu erhöhen, weil in diesem Falle zwei oder mehrere in der zu analysierenden Phase vorhandenen Elemente als Leitelemente gewählt werden können.
Für die Durchführung der Analyse wird in diesem Falle vor dem Schaltkreis ein Koinzidenzkreis angeord net, der nur dann zum Schaltkreis eine Spannung durchlässt oder diese sperrt, wenn in zwei oder mehre ren parallelen Spannungszweigen gleichzeitig innerhalb gewählter Grenzen liegende Spannungen auftreten.
Wesentlich für die dem Hauptpatent zugrundelie gende Erfindung ist, der Kunstgriff, die sich im Auftre ten charakteristischer Spannungen äussernden Eigen schaften einer bestimmten Phase zum öffnen und Schliessen eines Schaltkreises zu verwenden, welcher die von einem mit konstanter Frequenz arbeitenden Oszillator gelieferten Impulse so lange durchlässt, wie sich der Elektronenstrahl auf der zu messenden Phase befindet. Die Konstanz der Impulsfrequenz ermöglicht den Rückschluss von der gemessenen Gesamtimpuls zahl auf die Gesamtzeit, während welcher der Schalt kreis geöffnet war, und. bei Kenntnis der Antastge- schwindigkeit, auf den Linear- bzw.
Flächenanteil jener Phase, deren ausgewählte charakteristische Eigenschaft durch die aus dieser Eigenschaft resultie renden Spannungen über einen Diskriminator das öff nen und Schliessen des Schaltkreises bewirkte. Das Verfahren ist also in erster Linie zum Bestimmen von Flächenanteilen verschiedener Phasen geeignet.
Die vorliegende Erfindung geht nun von der über legung aus, bei Kenntnis der Gesamtzeit, während wel cher der Schaltkreis geöffnet ist. im Verlauf dieser Zeit auch Impulse variabler Frequenz nach der gleichen Methode zu summieren, beispielsweise die von einem Spektrometer gelieferten Röntgenimpulse, wodurch es möglich ist. die Durchschnittsimpulszahl pro Sekunde N festzustellen.
Gegenstand der vorliegenden Erfin- dung ist somit eine Weiterbildung des Verfahrens nach dem Patentanspruch 1 des Hauptpatentes, die dadurch gekennzeichnet ist. dass mit Hilfe der gleichen elektri schen Spannungen über mindestens einen weiteren par allelgeschalteten und auf den gleichen Schwellwert ein- cestellten Diskriminator ein weiterer Schaltkreis geöff net wird.
wobei ein weiteres elektronisches Schaltele ment die von einem parallelgeschalteten mit variabler Frequenz arbeitenden Impulsgeber, vorzugsweise einem Röntgenspektrometer, gelieferten Impulse so lange durchlässt, wie sich der Elektronenstrahl auf der zu messenden Phase befindet und dass die Gesamtzahl dieser Impulse von einem weiteren Zählwerk registriert wird.
Der Patentanspruch II des Hauptpatentes betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Unteranspruch 1 des Hauptpatentes. wobei gemäss dem Unteranspruch 1 des Hauptpatentes als charakteristische Eigenschaft der Phase die an einem Röntgenimpuls-Zählgerät auftretende Spannung Ce- wählt wird. welche Vorrichtung nach dem Patentan spruch<B>11</B> des Hauptpatentes aus folgenden in Serie ge schalteten Einheiten besteht: der als Spannungsgeber dienenden Analysiereinrichtung der Mikrosonde, min desten: einem Diskriminator, einem Schaltkreis mit parallelgeschaltetem Oszillator mit konstanter Impuls- frequenz, sowie einem Zählwerk und einer Druckerein heit.
In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchfüh rung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Vörrich- tung umfasst die im Patentanspruch II des Hauptpa tentes beschriebene Kombination, bestehend aus der als Spannungsgebet dienendem Analysiereinrichtung der Mikrosonde 3, mindestens einem Diskriminator 4 mit der unteren Schwelle 1 und der oberen Schwelle 2, einem Schaltkreis 5 mit parallelgeschaltetem Oszillator 8 mit konstanter Impulsfrequenz sowie einem Zähl werk 6 und einer Druckereinheit 7.
Erweitert wird diese Vorrichtung durch einen ebenfalls an den Span nungsgeber 3 angeschlossenen zu dem aus den Schalt elementen 4, 5, 6 und 7 bestehenden Spannungszweig parallelgeschalteten zweiten Spannungszweig, beste hend aus einer weiteren. auf den eieichen Schwellen wert wie der Diskriminator 4 eingestellten Diskrimina toreinheit 10 mit der unteren Schwelle 1 und der obe ren Schwelle 2, einem weiteren Schaltkreis 11, einem weiteren Zählwerk 12 und einer weiteren Druckerein- heit 13.
Zum Schaltkreis 11 wird jedoch an Stelle eines mit konstanter Frequenz arbeitenden Oszillators ein Impulsgeber 14 parallelgeschaltet, welcher Impulse von variabler Frequenz liefert, die durch das Zählwerk 12 summiert und durch die Druckereinheit 13 ausge druckt werden. Insbesondere ist hierbei an die von einem Spektrometer gelieferten Röntgenimpulse ge dacht. Der aus den Elementen 3, 4, 5, 6, 7 und 8 be stehende Schaltzweig liefert nun genau wie im Fall der im Hauptpatent beschriebenen Vorrichtung die vom Schaltkreis 5 durchgelassene Gesamtimpulszahl N1.
Hieraus und aus der Impulsfrequenz v des Oszillators 8 errechnet sich die Gesamtzeit T,, während welcher der Schaltkreis 5 geöffnet war als
EMI0002.0030
Wenn der Diskriminator 10 auf den gleichen Schwel lenwert 1 und 2 eingestellt wird wie der Diskriminator 4 und wenn beide Diskriminatoren an den Spannungs geber 3 angeschlossen sind. welcher die für eine be- stimmte Phaseneigenschaft charakteristische Steuer grösse liefert, wird die Zeit, während welcher der Schaltkreis 11 insgesamt geöffnet ist, gleichfalls T, be tragen. Während dieser Zeit werden die vom Schaltele ment 14 gelieferten variablen Impulse durch den Schaltkreis 11 durchgelassen und vom Zählwerk 12 summiert.
Ihre Gesamtzahl beträgt N_. Die mittlere Impulszahl pro Sekunde N errechnet sich hieraus als
EMI0002.0034
Wird das Abtasten der Probenfläche mit Hilfe einer Abtasteinrichtun" gesteuert, kann das erfindungs- gemässe Verfahren auch zur Durchführung, von Flä- chenaialvsen verwendet werden.
Will man nun in einer ganz bestimmten Phase, bei spielsweise dun in bestimmten Einschlüssen auitretett- den Gesamtgehalt an einem bestimmten Legierungsele ment ermitteln, ist es hierzu lediglich nötwendig, das Spektrometer auf eine charakteristische Wellenlänge des zu analysierenden Elementes einzustellen und die ermittelte Durchschnittsröntgenimpulszahl pro Sekunde N mit der entsprechenden Impulszahl N" eines Stan dards bekannter Zusammensetzung zu vergleichen.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens wur det in einer Ferrochromlegierung stark heterogene oxydische Einschlüsse auf ihre Durchschnittszusam mensetzung untersucht. Eine qualitative Orientierungs messung hatte als Hauptkomponenten Cr, Si sowie etwas Mn ergeben.
Als eine für- die Einschlüsse charakteristische Grösse wurde der absorbierte Elektronenstrom verwen det, da die Einschlüsse aufgrund ihres hohen O- Gehaltes eine bedeutend niedrigere mittlere Ordnungs zahl aufweisen als die sie umgebende metallische Cr-Fe- Matrix und dadurch der absorbierte Elektronenstrom beim überquerer. eines Einschlusses gegenüber der Matrix beträchtlich ansteigt:
In diesem Falle wurde nur die untere Schwelle 1 der Diskriminatoren 4 und 10 (Abb. 1) benützt, und zwar so eingestellt, dass die Schaltkreise 5 und 11 nur dann öffnen. wenn der Absorberstrom den für die Ein schlüsse charakteristischen Wert erreicht und damit sichergestellt ist, dass der Auftreffpunkt des Elektro nenstrahles auf einem der zu untersuchenden Ein schlüsse liegt.
Zuerst wurde das Spektrometer auf die CrKα1- Linie eingestellt und an einem reinen Cr-Standard die Impulszahl pro Sekunde N" bestimmt. N" = 1039.
Sodann wurde ein vorher ausgewähltes Probenge biet mit der Abtast-Vorrichtung zeilenförmig abgeta stet.
Hierbei ergab sich am Zählwerk 6 eine Impulszahl N, = 4339. was bei der Impulsfrequenz von 50 Hz des Oszillators 8 einer effektiven Messzeit
EMI0003.0019
entspricht. Zählwerk 12 zeigte eine Gesamtimpulszahl von N_ = 34242 an. Daraus errechnet sich die mittlere Impulszahl der CrKα-Strahlung auf den Einschlüssen zu
EMI0003.0021
und die gemessene Cr-Konzentration
EMI0003.0022
In analoger Weise wurde 12 % Si und 4 % Mn ge messen. Durch Umrechnung auf Oxyde und Anwen dung der Tong-Philibertschen Absorptionskorrektur er hält man schliesslich als Durchschnittsanalyse: 58 % Cr2O3, 34 % SiO2 und 7 % MnO. Bisher war man gezwungen, sich zur Durchführung derartiger Messungen höchst umständlicher Methoden wie etwa der Schlackenrückstandsanalyse zu bedienen.
Das erfindungsgemässe Verfahren liefert erstmals eine Möglichkeit, nicht nur Aufschlüsse über den Flächen anteil bestimmter Phasen oder die Verteilung bestimm ter chemischer Elemente innerhalb einer vorgegebenen Probenfläche zu erhalten, sondern überdies Informatio nen über die chemische Durchschnittsanalyse einer ganz bestimmten Phase entlang einer Geraden bzw. in nerhalb eines Abtastbereichs zu erlangen. Der Vorteil der neuen Methode liegt in ihrer Einfachheit, der damit verbundenen Zeitersparnis und der bisher uner reichten Genauigkeit der Ergebnisse.
Bei Vorhandensein einer genügenden Anzahl von Messplätzen ist es auch im Falle der vorliegenden Er findung möglich, die Analysengenauigkeit des erfin- dungsgemässen Verfahrens noch zu erhöhen, indem zwei oder mehrere in der zu analysierenden Phase vor handene Elemente als Leitelemente gewählt werden. Die Schaltung des für die Röntgenimpulsmessung vor gesehenen Zweiges der Messordnung ist in Fig. 2 dar gestellt und umfasst einen Koinzidenzkreis 9, der nur dann zum Schaltkreis Impulse durchlässt, wenn in zwei (oder mehreren) parallelen Spannungszweigen 3 und 3' gleichzeitig innerhalb gewählter Grenzen liegende Spannungen (1 und 2 an den Diskriminatoren 4 und 4') auftreten.
Zwischen Koinzidenzkreis 9 und Schalt kreis 11 ist ein Glättglied 15 geschaltet, wobei gleich zeitig zweckmässigerweise die Frequenz des Oszillators 8 auf einige kHz. erhöht wird. Das Glättglied bewirkt eine Umformung der aus dem Koinzidenzkreis austre tenden Impulsgruppen zu etwa rechteckigen Impulsen einer Länge entsprechend der der Impulsgruppen. Für die Wahl der Zeitkonstante des Glättgliedes ist wesent lich, dass diese einerseits kleiner ist als die der Rate meter 3 und 3' (also meist < 100 ursec), aber gleichzei tig grösser als die Impulsfolgezeit am Ausgang der Koinzidenzstufe 9 (also >1 msec). Im vorliegenden spe ziellen Falle wurde die Zeitkonstante des Glättgliedes 15 mit 10-20 ursec festeeleet.
Die am Ausgang des Glättliedes 15 erhaltenen Signale bewirken nun ein Schliessen des Schaltkreises 11, womit die dem Spek- trometer 14 entstammenden Röntgenimpulse auf das Zählwerk 12 und dem Drucker 13 weitergeleitet wer den. In analoger Weise lassen sich auch bei Vorliegen einer genügenden Anzahl von Messplätzen mehrere Elemente gleichzeitig bestimmen. was durch den strich- lierten Teil des Blockschaltbildes Fig. 2 angedeutet ist.