CN111398120A - 氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法 - Google Patents

氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111398120A
CN111398120A CN202010244333.4A CN202010244333A CN111398120A CN 111398120 A CN111398120 A CN 111398120A CN 202010244333 A CN202010244333 A CN 202010244333A CN 111398120 A CN111398120 A CN 111398120A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pore
helium ion
microscope image
electron microscope
porous medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010244333.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111398120B (zh
Inventor
吴建国
杨继进
牛素鋆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Geology and Geophysics of CAS
Original Assignee
Institute of Geology and Geophysics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Geology and Geophysics of CAS filed Critical Institute of Geology and Geophysics of CAS
Priority to CN202010244333.4A priority Critical patent/CN111398120B/zh
Publication of CN111398120A publication Critical patent/CN111398120A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111398120B publication Critical patent/CN111398120B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/088—Investigating volume, surface area, size or distribution of pores; Porosimetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/2202—Preparing specimens therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/2206—Combination of two or more measurements, at least one measurement being that of secondary emission, e.g. combination of secondary electron [SE] measurement and back-scattered electron [BSE] measurement
    • G01N23/2208—Combination of two or more measurements, at least one measurement being that of secondary emission, e.g. combination of secondary electron [SE] measurement and back-scattered electron [BSE] measurement all measurements being of a secondary emission, e.g. combination of SE measurement and characteristic X-ray measurement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/225—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion
    • G01N23/2251—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion using incident electron beams, e.g. scanning electron microscopy [SEM]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/225—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion
    • G01N23/2255—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion using incident ion beams, e.g. proton beams
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/07—Investigating materials by wave or particle radiation secondary emission
    • G01N2223/072—Investigating materials by wave or particle radiation secondary emission combination of measurements, 2 kinds of secondary emission
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/07—Investigating materials by wave or particle radiation secondary emission
    • G01N2223/081—Investigating materials by wave or particle radiation secondary emission incident ion beam, e.g. proton
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/10—Different kinds of radiation or particles
    • G01N2223/102—Different kinds of radiation or particles beta or electrons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/10—Different kinds of radiation or particles
    • G01N2223/104—Different kinds of radiation or particles ions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/40—Imaging
    • G01N2223/401—Imaging image processing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/60—Specific applications or type of materials
    • G01N2223/649—Specific applications or type of materials porosity

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

本发明涉及多孔介质孔隙的表征领域，涉及一种氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法。步骤为：制作多孔介质样品；使用扫描电镜对多孔介质进行成像；将多孔介质转移到氦离子显微镜中重新定位多孔介质的成像区域；使用氦离子显微镜对多孔介质进行成像；分别对得到的氦离子显微镜图像和电镜图像进行分析计算，获取孔隙计算结果；分别确定氦离子显微镜图像与电镜图像的可靠孔径段；将氦离子显微镜与电镜图像的可靠孔径段进行组合，获取全孔径段孔隙的准确计算结果。该方法综合考虑了氦离子显微镜与扫描电镜的技术优势，将二者结合起来，对同一视域内的多孔介质孔隙发育情况进行表征，使得所表征的孔径段更为完整、结果更加准确。

Description

氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法
技术领域
本发明涉及多孔介质孔隙的表征领域，特别涉及一种氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法。
背景技术
多孔介质是指内部含有大量“孔隙”的固相物体，岩石、土壤、混凝土、活性炭等都属于多孔介质。多孔介质孔隙密集，孔径范围大，微观分布存在随机性，非均质性强。对多孔介质孔隙进行有效表征是地质、材料、能源、建筑等多个领域的重点研究内容。
目前，扫描电镜（SEM）成像是多孔介质孔隙表征中常用的手段。扫描电镜以其较高的分辨率可以有效地获取多孔介质中几十纳米以上的孔隙图像，之后使用图像处理软件提取孔隙，对孔隙的面积、数量、面孔率、孔径分布等参数进行定量计算，刻画多孔介质的孔隙发育情况。但是，受分辨率的限制，扫描电镜对几十纳米以下的孔隙成像效果不佳，常常出现孔隙边缘模糊不清、孔隙嵌套等现象（如图1），影响对该孔径段内孔隙的判断。这对类似于页岩、煤岩等50nm以下的介孔和小孔异常发育的多孔介质来说是一个非常严重的问题。近年来，氦离子显微镜（HIM）逐渐被应用到多孔介质孔隙表征领域。由于氦离子束不同于电子束的特殊物理性质，氦离子显微镜的分辨率和信噪比远远优于扫描电镜，可以有效地对几十纳米以下的孔隙进行成像。但是，由于氦离子显微镜的图像景深远大于扫描电镜，导致在对较大孔隙成像时，其内部的小孔也会被显示出来，较大孔隙的边缘轮廓则受到弱化（如图2）。这一现象不利于后期孔隙分割，产生较大的误差。
发明内容
本发明需要解决的技术问题在于克服氦离子显微镜及扫描电镜的技术限制，开发一种氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法，实现对多孔介质全孔径段的准确测量。
为了解决上述问题，本发明的技术方案为：氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法，所述方法具体包括以下步骤：
S1）制作多孔介质样品；
S2）先对多孔介质样品进行电镜成像，得到电镜图像，并保存；
S3）再对所述多孔介质样品转移到氦离子显微镜中成像，得到氦离子显微镜图像，并保存；
S4）根据得到S2）得到电镜图像和S3）得到的氦离子显微镜图像进行分析计算，分别所述两种图像的孔隙计算结果；
S5）根据电镜图像中的孔隙计算结果，确认氦离子显微镜图像和电镜图像的可靠孔径段的取值范围；
S6）将S5）得到氦离子显微镜的可靠孔径段与电镜图像的可靠孔径段的取值范围进行组合，即获取的多孔介质样品的全孔径段孔隙的准确计算结果。
进一步，所述S1）的具体步骤为：
S1.1）将多孔介质样品切割成块，尺寸根据样品台的大小确定，
S1.2）对切割后的多孔介质样品表面进行氩离子抛光处理，
S1.3）使用银胶或碳胶将处理后的多孔介质样品粘在丁形台上，备用。
进一步，所述S2）中扫描电镜的参数设置为：加速电压设定低于5kV以增加信噪比，电流设定低于1nA以减小对样品的损伤，探测器选择二次电子探头。
进一步，所述S3）中氦离子显微镜定位多孔介质的成像区域为与S2）中的扫描电镜相同的成像区域。
进一步，所述S3）中采用氦离子束成像的参数设置为：加速电压设定不低于30kV，电流设定低于1pA以减小对样品的损伤，探测器为二次电子探头，像素尺寸不大于电镜成像的像素尺寸。
进一步，所述S4）的具体步骤为：
S4.1）对S2）得到电镜图像和S3）得到氦离子显微镜图像进行尺寸设定，并分别进行滤波处理；
S4.2）对经过S4.1）处理后图像分割孔隙并保存为二值化图像；
S4.3）对S4.2）处理后的二值化图像中孔隙参数进行计算，分别得到氦离子显微镜图像与电镜图像的孔隙计算结果。
进一步，所述S5）中确定可靠孔径段的方法为：
S5.1）将原始氦离子显微镜图像与S4.2）得到氦离子显微镜图像的二值化图像进行对比分析，根据判断条件确定氦离子显微镜图像可靠孔径段的上限值H(HIM)与下限值L (HIM)，即氦离子显微镜图像可靠孔径段HIM(L(HIM)<D<H(HIM))；
S5.2）将根据离子显微镜图像可靠孔径段HIM(L(HIM)<D<H(HIM))，从而将大于离子显微镜图像可靠孔径段的上限值的取值范围作为电镜图像的可孔径段SEM(H(HIM)<D)。
进一步，所述S6）的具体步骤为：
S6.1）设：N为孔隙的某一参数，通过以下组合参数的计算公式，求出氦离子显微镜图像与电镜图像组合计算得出的孔隙参数N 组合 ：
N 组合 = N HIM(L(HIM)<D<H(HIM)) + N SEM(H(HIM)<D) （1）
式中， N HIM(L(HIM)<D<H(HIM))为氦离子显微镜图像中可靠孔径段的孔隙参数；D为孔隙直径，L(HIM)为可靠孔径段下限值；H(HIM)为可靠孔径段上限值；N SEM(H(HIM)<D) 为电镜图像中可靠孔径段的孔隙参数；
S6.2）某一特定孔径段i~j内的孔隙参数N （i<D<j） 的计算方法如下：
若[i, j]∈[L(HIM), H(HIM)]，则
N （i<D<j） = N HIM(i<D<j) （2）
若[i, j]∈(H(HIM), +∞)，则
N （i<D<j） = N SEM(i<D<j) （3）
若i∉(H(HIM), +∞) ∪ j∈(H(HIM), +∞)，则
N （i<D<j） = N HIM(i<D<H(HIM)) + N SEM(H(HIM)<D<j) （4）；
S6.3）根据S6.1）得到全孔径段孔隙参数N 组合 和S6.2）得到的某一特定孔径段i~j内的孔隙参数N （i<D<j） ，代入公式（5）求出某一孔径段i~j内孔隙面积百分比N A%（i<D<j） ，公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（5），
其中，N A i<D<j） 为i~j孔径段内孔隙的面积；N A组合 为组合后的全孔径段内孔隙的面积；
代入公式（6）中，求出某一孔径段内孔隙数量百分比N C%（i<D<j） ，计算公式为：
Figure 279183DEST_PATH_IMAGE002
（6）
其中，N C（i<D<j） 为i~j孔径段内孔隙的数量；N C组合为组合后的全孔径段内孔隙的数量；
组合后的多孔介质面孔率计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（7）
其中，
Figure 382006DEST_PATH_IMAGE004
为组合后的面孔率；A为扫描图像的总面积。
进一步，所述S5.1）中确定可靠孔径段判断上限值的充分条件为：
当孔隙边缘被完全分割，同时孔隙不存在“孔隙嵌套”现象，选取孔隙直径中的最大值为可靠孔径段上限值；
确定可靠孔径段判断下限值的充分条件为：可靠孔径段的下限值为3个像素长度。
进一步，所述S6.1）中的孔隙参数包括孔隙面积、孔隙数量和面孔率。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明的方法综合考虑了氦离子显微镜与扫描电镜的技术优势，将二者结合起来，对同一视域内的多孔介质孔隙发育情况进行表征，使得所表征的孔径段更为完整、结果更加准确。
附图说明
图1是本发明实施例中高分辨率下页岩的扫描电镜图像。
图2是本发明实施例中同一视域下页岩的氦离子显微镜图像（左）及其孔隙分割图像（右）。
图3是本发明的氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法流程图。
图4是图像处理流程图。
图5是孔隙边缘的不完全分割示意图。
图6是“孔隙嵌套”现象示意图。
图7是本发明实施例完成的孔径-数量百分比分布图。
图8是本发明实施例完成的孔径-面积百分比分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图3所示，本发明氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法，所述方法具体包括以下步骤：
S1）制作多孔介质样品；
S2）先对多孔介质样品进行电镜成像，得到电镜图像，并保存；
S3）再对所述多孔介质样品转移到氦离子显微镜中成像，得到氦离子显微镜图像，并保存；
S4）根据得到S2）得到电镜图像和S3）得到的氦离子显微镜图像进行分析计算，分别所述俩种图像的孔隙计算结果；
S5）根据电镜图像中的孔隙计算结果，确认氦离子显微镜图像和电镜图像的可靠孔径段的取值范围；
S6）将S5）得到氦离子显微镜的可靠孔径段与电镜图像的可靠孔径段的取值范围进行组合，即获取的多孔介质样品的全孔径段孔隙的准确计算结果。
所述S1）的具体步骤为：
S1.1）将多孔介质样品切割成块，尺寸根据样品台的大小确定，
S1.2）对切割后的多孔介质样品表面进行氩离子抛光处理，
S1.3）使用银胶或碳胶将处理后的多孔介质样品粘在样品台上，备用。
所述S2）中扫描电镜的参数设置为：加速电压设定低于5kV以增加信噪比，电流设定低于1nA以减小对样品的损伤，探测器选择二次电子探头。
所述S3）中氦离子显微镜定位多孔介质的成像区域为与S2）中的扫描电镜相同的成像区域。
所述S3）中采用氦离子束成像的参数设置为：加速电压设定不低于30kV，电流设定低于1pA以减小对样品的损伤，探测器为二次电子探头，像素尺寸不大于电镜成像的像素尺寸。
所述S4）的具体步骤为：
S4.1）对S2）得到电镜图像和S3）得到氦离子显微镜图像进行尺寸设定，并分别进行滤波处理；
S4.2）对经过S4.1）处理后图像分割孔隙并保存为二值化图像；
S4.3）对S4.2）处理后的二值化图像中孔隙参数进行计算，分别得到氦离子显微镜图像与电镜图像的孔隙计算结果。
所述S5）中确定可靠孔径段的方法为：
S5.1）将原始氦离子显微镜图像与S4.2）得到氦离子显微镜图像的二值化图像进行对比分析，根据判断条件确定氦离子显微镜图像可靠孔径段的上限值H(HIM)与下限值L (HIM)，即氦离子显微镜图像可靠孔径段HIM(L(HIM)<D<H(HIM))；
S5.2）将根据离子显微镜图像可靠孔径段HIM(L(HIM)<D<H(HIM))，从而将大于离子显微镜图像可靠孔径段的上限值的取值范围作为电镜图像的可靠孔径段SEM(H(HIM)<D)。
所述S6）的具体步骤为：
S6.1）设：N为孔隙的某一参数，通过以下组合参数的计算公式，求出氦离子显微镜图像与电镜图像组合计算得出的孔隙参数N 组合 ：
N 组合 = N HIM(L(HIM)<D<H(HIM)) + N SEM(H(HIM)<D) （1）
式中， N HIM(L(HIM)<D<H(HIM))为氦离子显微镜图像中可靠孔径段的孔隙参数；D为孔隙直径，L(HIM)为可靠孔径段下限值；H(HIM)为可靠孔径段上限值；N SEM(H(HIM)<D) 为电镜图像中可靠孔径段的孔隙参数；
S6.2）某一特定孔径段i~j内的孔隙参数N （i<D<j） 的计算方法如下：
若[i, j]∈[L(HIM), H(HIM)]，则
N （i<D<j） = N HIM(i<D<j) （2）
若[i, j]∈(H(HIM), +∞)，则
N （i<D<j） = N SEM(i<D<j) （3）
若i∉(H(HIM), +∞) ∪ j∈(H(HIM), +∞)，则
N （i<D<j） = N HIM(i<D<H(HIM)) + N SEM(H(HIM)<D<j) （4）；
S6.3）根据S6.1）得到全孔径段孔隙参数N 组合 和S6.2）得到的某一特定孔径段i~j内的孔隙参数N （i<D<j） ，代入公式（5）求出某一孔径段i~j内孔隙面积百分比N A%（i<D<j） ，公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（5），
其中，N A i<D<j） 为i~j孔径段内孔隙的面积；N A组合 为组合后的全孔径段内孔隙的面积；
代入公式（6）中，求出某一孔径段内孔隙数量百分比N C%（i<D<j） ，计算公式为：
Figure 805028DEST_PATH_IMAGE006
（6）
其中，N C（i<D<j） 为i~j孔径段内孔隙的数量；N C组合为组合后的全孔径段内孔隙的数量；
组合后的多孔介质面孔率计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（7）
其中，
Figure 771847DEST_PATH_IMAGE008
为组合后的面孔率；A为扫描图像的总面积。
所述S5.1）中确定可靠孔径段判断上限值的充分条件为：
当孔隙边缘被完全分割，同时孔隙不存在“孔隙嵌套”现象，选取孔隙直径中的最大值为可靠孔径段上限值；
确定可靠孔径段判断下限值的充分条件为：可靠孔径段的下限值为3个像素长度。
所述S6.1）中的孔隙参数包括孔隙面积、孔隙数量和面孔率。
具体实施例：
本发明具体实施例中使用的氦离子显微镜型号为Carl Zeiss公司生产的ORIONNanoFab，扫描电镜型号为Carl Zeiss公司生产的Merlin场发射扫描电镜，多孔介质为页岩。
1. 制作多孔介质样品，具体步骤为：
1.1 将多孔介质样品切割成块，尺寸根据样品台的大小有所变化，
1.2 对切割后的多孔介质样品表面进行氩离子抛光处理，
1.3 使用银胶或碳胶将处理后的多孔介质样品粘附在丁形台上，备用。
2. 使用扫描电镜对多孔介质进行成像：
保证扫描电镜对多孔介质的最佳成像效果，加速电压设定低于5kV以增加信噪比，电流设定低于1nA以减小对样品的损伤，探测器选择二次电子探头。具体实施例中，加速电压设为1.2kV，电流设为500pA，工作距离设为5mm，像素尺寸设为1nm/pixel，图像格式为8-bit的“.tif”。
3. 将多孔介质转移到氦离子显微镜中：
转移过程中，不更换样品台，不取下样品，保持多孔介质在样品台上的位置不变，将样品连同样品台一起转移到氦离子显微镜中。
4. 在氦离子显微镜中重新定位多孔介质的成像区域：
在氦离子显微镜图像中，找到与扫描电镜相同的成像区域。
5. 使用氦离子显微镜对多孔介质进行成像：
对步骤4定位后的区域进行氦离子束成像。保证氦离子显微镜对多孔介质的最佳成像效果，加速电压设定不低于30kV以提高分辨率，电流设定低于1pA以减小对样品的损伤，探测器为二次电子探头。具体实施例中，加速电压设为30kV，电流设为0.5pA，工作距离设为9.2mm，像素尺寸设为1nm/pixel，图像格式为8-bit的“.tif”。
6. 使用图像处理软件分别从氦离子显微镜图像和电镜图像获取孔隙计算结果：
具体实施例中，图像处理软件选用ImageJ。如图4所示，图像处理步骤为：
6.1 通过“File/Open...”导入图像；
6.2 通过“Analyze/Set Scale...”设定图像尺寸；
6.3 通过“Process/Filters/Median...”对图像进行滤波；
6.4 通过“Image/Adjust/Threshold...”分割孔隙并保存为二值化图像；
6.5 通过“Analyze/Analyze Particles...”计算孔隙面积、面孔率、费雷特直径、等效圆直径等参数，并保存计算结果。
7. 分别确定氦离子显微镜图像与电镜图像的可靠孔径段，具体步骤为：
7.1对比原始氦离子显微镜图像与孔隙二值化图像，确定可靠孔径段的上限值H(HIM）与下限值（L(HIM)）。判断上限值的充分条件为：a.小于该值的孔隙边缘被完全分割，不出现图5所示现象；b.小于该值的孔隙不存在“孔隙嵌套”现象（图6）。可靠孔径段的下限值为3个像素长度。具体实施例中，页岩的氦离子图像可靠孔径段为3~25nm。
7.2 将大于7.1确定的可靠孔径段范围作为电镜图像的可靠孔径段。具体实施例中，页岩的电镜图像可靠孔径段>25nm。
8. 将氦离子显微镜与电镜图像的可靠孔径段进行组合，获取全孔径段孔隙的准确计算结果。计算结果主要包括孔隙面积、孔隙数量、面孔率、孔径-面积频率分布、孔径-数量频率分布。
具体计算公式为：
设：N为孔隙的某一参数（包括面积、数量、面孔率）。具体实施例中，组合参数的计算公式为：
N 组合 = N HIM(L(HIM)<D<H(HIM)) + N SEM(H(HIM)<D) （1）
式中，N 组合 为氦离子显微镜图像与电镜图像组合计算得出的孔隙参数；
N HIM(3nm<D<25nm) 为氦离子显微镜图像中3~25nm孔径段的孔隙参数；N SEM(25nm<D) 为扫描电镜图像中大于25nm孔径段的孔隙参数；
某一特定孔径段i~j内的孔隙参数N （i<D<j） 的计算方法如下：
a. 若[i, j]∈[L(HIM), H(HIM)]，则
N （i<D<j） = N HIM(i<D<j) （2）
b. 若[i, j]∈(H(HIM), +∞)，则
N （i<D<j） = N SEM(i<D<j) （3）
若i∉(H(HIM), +∞) ∪ j∈(H(HIM), +∞)，则
N （i<D<j） = N HIM(i<D<H(HIM)) + N SEM(H(HIM)<D<j) （4）；
将全孔径段孔隙参数N 组合 和某一特定孔径段i~j内的孔隙参数N （i<D<j） ，代入公式（5）中，求出某一孔径段i~j内孔隙面积百分比N A% （i<D<j） ，公式为：
Figure 982642DEST_PATH_IMAGE009
（5）
其中，N A（i<D<j） 为i~j孔径段内孔隙的面积；N A 组合 为组合后的全孔径段内孔隙的面积；
代入公式（6）中，求出某一孔径段内孔隙数量百分比N C%（i<D<j） ，计算公式为：
Figure 277488DEST_PATH_IMAGE010
（6）
其中，N C（i<D<j） 为i~j孔径段内孔隙的数量；N C 组合 为组合后的全孔径段内孔隙的数量；
根据公式（5）和公式（6）可以绘制孔径-面积频率分布图及孔径-数量频率分布图，具体实施例中，孔径分布如图7和图8所示。
组合后的图像面孔率计算公式为：
Figure 65053DEST_PATH_IMAGE007
（7）
其中，
Figure 89641DEST_PATH_IMAGE008
为组合后的面孔率；A为扫描图像的总面积。
具体实施例中，N A组合 =1.78E5 nm2，A=6.67E5 nm2，
Figure 704293DEST_PATH_IMAGE004
=0.27。
以上对本申请实施例所提供的氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
S1）制作多孔介质样品；
S2）先对多孔介质样品进行电镜成像，得到电镜图像，并保存；
S3）再对所述多孔介质样品转移到氦离子显微镜中成像，得到氦离子显微镜图像，并保存；
S4）根据得到S2）得到电镜图像和S3）得到的氦离子显微镜图像进行分析计算，分别所述两种图像的孔隙计算结果；
S5）根据电镜图像中的孔隙计算结果，确认氦离子显微镜图像和电镜图像的可靠孔径段的取值范围；
S6）将S5）得到氦离子显微镜的可靠孔径段与电镜图像的可靠孔径段的取值范围进行组合，即获取的多孔介质样品的全孔径段孔隙的准确计算结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1）的具体步骤为：
S1.1）将多孔介质样品切割成块，尺寸根据样品台的大小确定，
S1.2）对切割后的多孔介质样品表面进行氩离子抛光处理，
S1.3）使用银胶或碳胶将处理后的多孔介质样品粘在样品台上，备用。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2）中扫描电镜的参数设置为：加速电压设定低于5kV以增加信噪比，电流设定低于1nA以减小对样品的损伤，探测器选择二次电子探头。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S3）中氦离子显微镜定位多孔介质样品的成像区域为与S2）中的电镜扫描的成像区域相同。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S3）中采用氦离子束成像的参数设置为：加速电压设定不低于30kV，电流设定低于1pA以减小对样品的损伤，探测器为二次电子探头，像素尺寸不大于电镜成像的像素尺寸。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S4）的具体步骤为：
S4.1）对S2）得到电镜图像和S3）得到氦离子显微镜图像进行尺寸设定，并分别进行滤波处理；
S4.2）对经过S4.1）处理后图像分割孔隙并保存为二值化图像；
S4.3）对S4.2）处理后的二值化图像中孔隙参数进行计算，分别得到氦离子显微镜图像与电镜图像的孔隙计算结果。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S5）中确定可靠孔径段的方法为：
S5.1）将原始氦离子显微镜图像与S4.2）得到氦离子显微镜图像的二值化图像进行对比分析，根据判断条件确定氦离子显微镜图像可靠孔径段的上限值H(HIM)与下限值L (HIM)，即氦离子显微镜图像可靠孔径段为：HIM(L(HIM)<D<H(HIM))；
S5.2）将根据离子显微镜图像可靠孔径段的取值HIM(L(HIM)<D<H(HIM))，将大于离子显微镜图像可靠孔径段的上限值取值范围作为电镜图像的可靠孔径段为SEM(H(HIM)<D)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S6）的具体步骤为：
S6.1）设：N为孔隙的某一参数，通过以下组合参数的计算公式，求出氦离子显微镜图像与电镜图像组合计算得出的孔隙参数N 组合 ：
N 组合 = N HIM(L(HIM)<D<H(HIM)) + N SEM(H(HIM)<D) （1）
式中， N HIM(L(HIM)<D<H(HIM))为氦离子显微镜图像中可靠孔径段的孔隙参数；D为孔隙直径，L(HIM)为可靠孔径段下限值；H(HIM)为可靠孔径段上限值；N SEM(H(HIM)<D) 为电镜图像中可靠孔径段的孔隙参数；
S6.2）某一特定孔径段i~j内的孔隙参数N （i<D<j） 的计算方法如下：
若[i, j]∈[L(HIM), H(HIM)]，则
N （i<D<j） = N HIM(i<D<j) （2）
若[i, j]∈(H(HIM), +∞)，则
N （i<D<j） = N SEM(i<D<j) （3）
若i∉(H(HIM), +∞) ∪ j∈(H(HIM), +∞)，则
N （i<D<j） = N HIM(i<D<H(HIM)) + N SEM(H(HIM)<D<j) （4）；
S6.3）根据S6.1）得到全孔径段孔隙参数N 组合 和S5.2）得到的某一特定孔径段i~j内的孔隙参数N （i<D<j） ，代入公式（5）求出某一孔径段i~j内孔隙面积百分比N A%（i<D<j） ，公式为：
Figure 103239DEST_PATH_IMAGE001
（5），
其中，N A i<D<j） 为i~j孔径段内孔隙的面积；N A组合 为组合后的全孔径段内孔隙的面积；
代入公式（6）中，求出某一孔径段内孔隙数量百分比N C%（i<D<j） ，计算公式为：
Figure 672761DEST_PATH_IMAGE002
（6）
其中，N C（i<D<j） 为i~j孔径段内孔隙的数量；N C组合为组合后的全孔径段内孔隙的数量；
组合后的多孔介质面孔率计算公式为：
Figure 416726DEST_PATH_IMAGE003
（7）
其中，
Figure 138826DEST_PATH_IMAGE004
为组合后的面孔率；A为扫描图像的总面积。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S5.1）中确定可靠孔径段判断上限值的充分条件：
当孔隙边缘被完全分割，同时孔隙不存在“孔隙嵌套”现象，选取孔隙直径中的最大值为可靠孔径段的上限值；
确定可靠孔径段判断下限值的充分条件：
可靠孔径段的下限值为3个像素长度。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S6.1）中的孔隙参数包括孔隙面积、孔隙数量和面孔率。
CN202010244333.4A 2020-03-31 2020-03-31 氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法 Active CN111398120B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010244333.4A CN111398120B (zh) 2020-03-31 2020-03-31 氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010244333.4A CN111398120B (zh) 2020-03-31 2020-03-31 氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111398120A true CN111398120A (zh) 2020-07-10
CN111398120B CN111398120B (zh) 2020-12-15

Family

ID=71434913

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010244333.4A Active CN111398120B (zh) 2020-03-31 2020-03-31 氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111398120B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112860926A (zh) * 2021-01-29 2021-05-28 北京城建勘测设计研究院有限责任公司 应用于岩土工程勘察行业的图形叠加生成的方法
CN114140441A (zh) * 2021-12-03 2022-03-04 吉林大学 一种腐乳发酵过程扫描电镜图像的孔隙面积比确定方法
CN114428092A (zh) * 2020-09-28 2022-05-03 中国石油化工股份有限公司 一种有机质孔隙形成与演化原位观测方法和应用

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0924139A (ja) * 1995-07-11 1997-01-28 Sansei:Kk 図柄組合せ式パチンコ遊技機
US20130259190A1 (en) * 2012-03-29 2013-10-03 Ingrain, Inc. Method And System For Estimating Properties Of Porous Media Such As Fine Pore Or Tight Rocks
CN103822866A (zh) * 2014-03-21 2014-05-28 中国石油大学(华东) 一种评价目的层段泥页岩孔隙度方法
CN104374682A (zh) * 2014-11-12 2015-02-25 中国石油天然气股份有限公司 一种岩心ct扫描分析方法及装置
EP3133554A1 (en) * 2015-08-17 2017-02-22 FEI Company Novel acquisition and processing of data in a tomographic imaging apparatus
CN106525691A (zh) * 2016-12-09 2017-03-22 河南理工大学 一种煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法
CN106680306A (zh) * 2017-01-17 2017-05-17 肖健 一种亚微米尺度原位表征土壤微团聚体的方法
CN106920238A (zh) * 2017-03-06 2017-07-04 西南石油大学 一种孔隙结构获取方法及装置
CN107993261A (zh) * 2017-11-02 2018-05-04 中国科学院地质与地球物理研究所 一种基于三维岩心扫描图像的孔隙与孔喉识别方法
CN109115819A (zh) * 2018-10-15 2019-01-01 中国科学院地质与地球物理研究所 一种基于fib-him对页岩有机微孔和介孔进行表征的方法及系统
CN109298005A (zh) * 2018-08-15 2019-02-01 中国科学院地质与地球物理研究所 聚焦离子束—氦离子显微镜对页岩纳米孔隙三维成像方法
CN109342288A (zh) * 2018-11-02 2019-02-15 中国石油天然气股份有限公司 页岩储层孔隙的表征方法
CN110927194A (zh) * 2019-12-11 2020-03-27 中国科学院地质与地球物理研究所 确定泥页岩有机孔含量和孔径分布的方法

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0924139A (ja) * 1995-07-11 1997-01-28 Sansei:Kk 図柄組合せ式パチンコ遊技機
US20130259190A1 (en) * 2012-03-29 2013-10-03 Ingrain, Inc. Method And System For Estimating Properties Of Porous Media Such As Fine Pore Or Tight Rocks
CN103822866A (zh) * 2014-03-21 2014-05-28 中国石油大学(华东) 一种评价目的层段泥页岩孔隙度方法
CN104374682A (zh) * 2014-11-12 2015-02-25 中国石油天然气股份有限公司 一种岩心ct扫描分析方法及装置
EP3133554A1 (en) * 2015-08-17 2017-02-22 FEI Company Novel acquisition and processing of data in a tomographic imaging apparatus
CN106525691A (zh) * 2016-12-09 2017-03-22 河南理工大学 一种煤全孔径孔隙结构多数据融合的测定方法
CN106680306A (zh) * 2017-01-17 2017-05-17 肖健 一种亚微米尺度原位表征土壤微团聚体的方法
CN106920238A (zh) * 2017-03-06 2017-07-04 西南石油大学 一种孔隙结构获取方法及装置
CN107993261A (zh) * 2017-11-02 2018-05-04 中国科学院地质与地球物理研究所 一种基于三维岩心扫描图像的孔隙与孔喉识别方法
CN109298005A (zh) * 2018-08-15 2019-02-01 中国科学院地质与地球物理研究所 聚焦离子束—氦离子显微镜对页岩纳米孔隙三维成像方法
CN109115819A (zh) * 2018-10-15 2019-01-01 中国科学院地质与地球物理研究所 一种基于fib-him对页岩有机微孔和介孔进行表征的方法及系统
CN109342288A (zh) * 2018-11-02 2019-02-15 中国石油天然气股份有限公司 页岩储层孔隙的表征方法
CN110927194A (zh) * 2019-12-11 2020-03-27 中国科学院地质与地球物理研究所 确定泥页岩有机孔含量和孔径分布的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GREGORHLAWACEK ET AL.: "Toseeornottosee:Imagingsurfactantcoatednano-particles using HIM and SEM", 《ULTRAMICROSCOPY》 *
孙寅森等: "基于图像分析技术的页岩微观孔隙特征定性及定量表征", 《地球科学进展》 *
马勇等: "聚集离子束扫描电镜( FIB-SEM) 在页岩纳米级孔隙结构研究中的应用", 《电子显微学报》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114428092A (zh) * 2020-09-28 2022-05-03 中国石油化工股份有限公司 一种有机质孔隙形成与演化原位观测方法和应用
CN114428092B (zh) * 2020-09-28 2024-03-19 中国石油化工股份有限公司 一种有机质孔隙形成与演化原位观测方法和应用
CN112860926A (zh) * 2021-01-29 2021-05-28 北京城建勘测设计研究院有限责任公司 应用于岩土工程勘察行业的图形叠加生成的方法
CN112860926B (zh) * 2021-01-29 2023-07-28 北京城建勘测设计研究院有限责任公司 应用于岩土工程勘察行业的图形叠加生成的方法
CN114140441A (zh) * 2021-12-03 2022-03-04 吉林大学 一种腐乳发酵过程扫描电镜图像的孔隙面积比确定方法
CN114140441B (zh) * 2021-12-03 2024-05-03 吉林大学 一种腐乳发酵过程扫描电镜图像的孔隙面积比确定方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111398120B (zh) 2020-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111398120B (zh) 氦离子显微镜与扫描电镜联合表征多孔介质孔隙的方法
Brodusch et al. Field emission scanning electron microscopy: New perspectives for materials characterization
CN105352873A (zh) 页岩孔隙结构的表征方法
CN113706603B (zh) 页岩有机质孔隙连通性分类表征的方法
JP6365771B1 (ja) ベイナイト鋼中のオーステナイト相、マルテンサイト相、及びベイナイト‐フェライトマトリックスの分離可視化方法及び組織観察用ベイナイト鋼片
Liu et al. A fast curtain‐removal method for 3D FIB‐SEM images of heterogeneous minerals
EP3633359B1 (en) Method for measuring pore distribution in electrode for secondary battery
CA2515564A1 (en) Method and apparatus for removing uneven brightness in an image
CN112561905B (zh) 有图形晶圆的图像优化方法、复检方法和复检设备
Kim et al. Image segmentation for FIB-sem serial sectioning of a Si/C–graphite composite anode microstructure based on preprocessing and global thresholding
Mahbub et al. A method for quantitative 3D mesoscale analysis of solid oxide fuel cell microstructures using Xe-plasma focused ion beam (PFIB) coupled with SEM
Wollschläger et al. Characterization of the inner structure of porous TiO2 nanoparticle films in dye sensitive solar cells (DSSC) by focused ion beam (FIB) tomography and transmission Kikuchi diffraction (TKD) in the scanning electron microscope (SEM)
CN112444435A (zh) 一种块体材料平面透射电镜样品的制备方法
CN116012539B (zh) 一种无人机与激光检测结合对气团三维成像的计算方法
CN107632035A (zh) 基于石英脉型矿床中白钨矿阴极发光特征的成矿流体氧化还原性的判别方法
Cooper et al. Methods—Kintsugi Imaging of Battery Electrodes: Distinguishing Pores from the Carbon Binder Domain using Pt Deposition
Syha et al. Validation of three-dimensional diffraction contrast tomography reconstructions by means of electron backscatter diffraction characterization
US11650223B2 (en) Battery electrode analysis method
Bobrowski et al. Three-dimensional microstructural characterization of porous cubic zirconia
CN107655915A (zh) 基于斑岩型矿床中白钨矿阴极发光特征的成矿流体氧化还原性的判别方法
Phelan et al. Application of serial sectioning FIB/SEM tomography in the comprehensive analysis of arrays of metal nanotubes
KR102197898B1 (ko) 전극 내 탄소나노튜브의 분산성 평가 방법
KR20220048191A (ko) 양극 활물질의 형상 분석 방법
KR20220048192A (ko) 양극 활물질의 형상 분석 방법
JP2022127593A (ja) 多孔質二次粒子の開口部の評価方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant