CN114964590B - 一种氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法。该方法包括以下步骤：(1)聚焦离子束法制备厚度小于100纳米的氚化物透射电镜样品；(2)纳米尺度上确定待分析显微区域并使其处于正带轴状态；(3)设置透射电镜光路旨在获得显微区域内某点的纳米衍射谱；(4)设置纳米衍射谱面扫描分辨率和采集时间并开始采集待分析区域的纳米衍射面扫描；(5)以起始点纳米衍射谱中低指数晶面衍射斑为基准，计算面扫描中各相同衍射斑的矢量偏移情况，得出氚化物的微区应力分布。该方法分析得出了氚化物中纳米尺度氦泡区域微区残余应力分布，不仅对揭示氚化物中氦泡演化机理有重要意义，还在材料微区残余应力显微分析领域具有重要的应用前景。

Description

一种氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法

技术领域

本发明涉及材料的透射电镜显微分析技术领域，具体涉及一种氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法。

背景技术

金属氚化物在国防领域及核能领域有重要应用价值。氚衰变产生的氦的时效演化不仅导致金属氚化物力学性质与贮氚性能下降，而且氦的释放会导致真空部件失效。因此，氦的演化行为是金属氚化物研究领域的瓶颈科学问题。发展建立全面的氦泡演化显微分析技术迫在眉睫。氦原子聚集形成的纳米尺度的高压氦泡，对金属氚化物晶格力学性质产生影响，而晶格的残余应力也会影响氦泡的生长与破裂过程，因而建立纳米级微区残余应力的显微分析技术是揭示氦泡演化模型的关键基础。

氚化物中氦泡尺寸在纳米量级甚至原子团簇量级，且分析氚化物中氦泡临近区域的应力分布首先需精确定位氦泡的位置，这是实现微区应力分析面临的关键难题。目前已建立的多种材料微区应力分布的技术包括以下几个方面，激光超声技术通过测试声波速度的变化来反应传播路径上材料应力的大小，可实现分辨率1毫米的应力分布分析；微区激光拉曼技术通过分析拉曼峰频率偏移和变形，分析得出分辨率100微米的残余应力分布结果；微区X射线可检测几十微米至毫米量级的残余应力分布，分辨率最优为10微米；电子背散射衍射分析技术通过分析晶格畸变导致的晶体衍射强度降低，从而对菊池花样质量的影响，计算得出应力分布的定性结果，最优分辨率达到30纳米。

综上所述，现有技术的微区应力分辨率最优为30纳米，无法满足对氚化物中纳米尺度氦泡的微区应力分析，严重阻碍了对氚化物中氦泡演化机理的认识，对金属氚化物的研制带来重要影响。有必要针对氚化物纳米级微区应力分布提出创新性的分析方法，实现对氚化物纳米级定位和纳米级应力分布的分析。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法，以实现纳米级精确定位氚化物中氦泡位置和纳米尺度上分析氦泡区域的应力分布显微信息的目的。

一种氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法，包括以下步骤：

S10透射电镜样品制备与装载：采用聚焦离子束法制备氚化物透射电镜样品，将透射电镜样品安装在透射电镜样品杆上；

S20分析区域选择与样品杆转角设置：移动样品杆的位置，在透射电镜中纳米尺度上选择拟进行微区应力分布分析的显微区域，旋转样品杆的双倾转角，直至透射电镜样品处于正带轴状态[a b c]；

S30设置透射电镜光路：选择所述显微区域某点为起始点N₀，设置透射电镜的工作模式、束斑模式、聚光镜光阑尺寸、会聚角大小、束流大小、相机长度，直至获得所述起始点的纳米衍射图谱；

S40纳米衍射谱面扫描采集：设置纳米衍射采集分辨率、采谱时间，对所述显微区域的起始点N₀以及其他点Ni进行纳米衍射谱面扫描采集，其中i为大于等于1的正整数；

S50数据处理与应力分布分析：在起始点的纳米衍射谱中选择某衍射斑(A B C)，测量该衍射斑相对透射斑的矢量信息g₀，以所述矢量信息g₀为基准矢量，测量其他点Ni的纳米衍射谱面中相同衍射斑相对透射斑的矢量信息g_i，以所述矢量信息g_i为测试矢量，绘制出测试矢量g_i相比基准矢量g₀的偏移程度的二维图像，定性得出所述显微区域内氚化物纳米级微区应力分布显微信息。

可选的，所述步骤S10中透射电镜样品的厚度小于100纳米，所述透射电镜样品杆为双倾样品杆。

可选的，所述步骤S20中样品杆位置包括X、Y和Z三个方向，双倾角包括α和β两个转动轴，正带轴状态[a b c]为氚化物的低指数晶带轴，所述低指数晶带轴是指a+b+c≤3。

可选的，所述步骤S30中透射电镜的工作模式为扫描透射电子显微分析模式，聚光镜尺寸范围为10微米至20微米，会聚角大小范围为0.19mrad至0.66mrad，束流大小范围为1皮安至10皮安，相机长度范围为10厘米至40厘米。

可选的，所述步骤S40中纳米衍射谱的采集分辨率范围为1纳米至10纳米，采集时间范围为0.1秒至5秒。

可选的，所述步骤S50中衍射斑(A B C)为具有低指数晶面的衍射斑，其中低指数晶面是指A+B+C≤3。

本发明的有益效果为：本发明首次尝试了采用透射电镜优于1纳米的电子束束斑尺寸对氚化物中氦泡显微区域进行晶格畸变分析，得出具有纳米级分辨率的氚化物微区应力分布结果。本发明的微区应力分布分析方法，不仅可实现对氚化物中氦泡区域的微区残余应力的分布分析，从而获得氦泡生长与微区应力的作用机制，还适用于分析材料中纳米尺度析出物或缺陷的形成机制与微区应力的相互关系。另外，本发明的氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法对金属、非金属、非导电样品均适用，在材料的微区残余应力显微分析技术领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明中起始点N₀衍射谱中低指数晶面选择和基准矢量g₀的示意图；

图2为本发明中其他点N_i衍射谱中低指数晶面选择和测试矢量g_i的示意图；

图3为本发明中测试矢量g_i相比基准矢量g₀的偏移关系示意图；

图4为实施例一中氚化物中针状氦泡的透射电子显微图像；

图5为实施例一中氚化物针状氦泡区域的微区应力分布显微图像；

图6为实施例二中氚化物中球形氦泡的透射电子显微图像；

图7为实施例二中氚化物球形氦泡区域的微区应力分布显微图像；

图中：1.透射斑(0 0 0)，2.衍射斑(1 1 1)，3.针状氦泡，4.球形氦泡。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明提出的氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法包括以下步骤：

(10)透射电镜样品制备与装载

因氚化物具有放射性，故采用聚焦离子束法制备具有氚化物的透射电镜样品，获得的透射电镜样品的厚度应小于100纳米，将该透射电镜样品安装在专用透射电镜样品杆上。为了使氚化物转动至正带轴状态，此处选用双倾样品杆。

(20)分析区域选择与样品杆转角设置

移动样品杆X、Y和Z三个方向的位置，在透射电镜中纳米尺度上选择拟进行微区应力分布分析的显微区域，旋转样品杆的α和β两个转动轴，直至透射电镜样品处于正带轴状态[a b c]，为了获得较低指数的晶面或较强的衍射斑信号，选择的正带轴状态[a b c]为氚化物的低指数晶带轴，即a+b+c≤3。

(30)设置透射电镜光路

选择所述显微区域某点为起始点N₀，设置透射电镜的工作模式为扫描透射电子显微分析模式，束斑为微米束斑，聚光镜尺寸范围为10微米至20微米，会聚角大小范围为0.19mrad至0.66mrad，束流大小范围为1皮安至10皮安，相机长度范围为10厘米至40厘米，直至获得起始点的纳米衍射图谱。

(40)纳米衍射谱面扫描采集

设置进行微区应力分布分析区域的纳米衍射采集分辨率范围为1纳米至10纳米，采集时间范围为0.1秒至5秒，开始对所述显微区域的起始点N₀以及其他点Ni进行纳米衍射谱面扫描采集，其中i为大于等于1的正整数；

(50)数据处理与应力分布分析

在起始点的纳米衍射谱中选择某衍射斑(A B C)，测量该衍射斑相对透射斑的矢量信息g₀，以所述矢量信息g₀为基准矢量。为了获得较强的衍射斑信号强度或应力分析精确度，选择的衍射斑(A B C)为低指数晶面，即A+B+C≤3，如图1所示。测量其他点N_i的纳米衍射谱面中相同衍射斑相对透射斑的矢量信息g_i，以所述矢量信息g_i为测试矢量，如图2所示。测试矢量g_i相比基准矢量g₀的偏移程度的计算方法如图3所示，图3中，对于任何一个测试矢量g_i均可分解成与g₀平行的矢量g_平行和与g₀垂直的矢量g_垂直，其中g_垂直即为测试矢量g_i相比基准矢量g₀的偏移程度。绘制出测试矢量g_i相比基准矢量g₀的偏移程度的二维图像，定性得出氚化物纳米级微区应力分布显微信息。

本发明中使用的聚焦离子束显微镜和透射电子显微镜设备如下：

(1)聚焦离子束显微镜：采用美国Thermofisher Scientific公司的Scios 2HiVac聚焦离子束显微镜对微米颗粒进行减薄，以及对制备获得的微米颗粒电镜样品进行显微结构分析，加速电压2kV至30kV。

(2)透射电子显微镜：采用美国Thermofisher Scientific公司的Themis Z双球差矫正透射电子显微镜对氚化物纳米级微区残余应力分布进行分析，工作电压300kV，聚光镜光阑20微米，电子束流1 pA，会聚角0.66mrad。

实验结果表明，本发明的氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法是一种专门针对纳米尺度内氦泡及析出相微区残余应力分布分析的方法，该方法克服了现有方法中存在的无法纳米级定位和纳米级微区应力分布分析的问题。该方法分析得出了氚化物中纳米尺度氦泡区域微区残余应力分布显微信息，对揭示氚化物中氦泡演化机理有重要意义。

实施例1

本实施例分析氚化物中针状氦泡区域的微区应力分布，具体步骤如下：

a.透射电镜样品制备与装载

采用聚焦离子束法制备具有氚化物的透射电镜样品，该透射电镜样品的厚度为95纳米，将透射电镜样品安装在专用透射电镜双倾样品杆上。

b.分析区域选择与样品杆转角设置

移动样品杆X、Y和Z三个方向的位置，在透射电镜中纳米尺度上选择拟进行微区应力分布分析针状氦泡显微区域，旋转样品杆的α和β两个转动轴，直至透射电镜样品处于[11 0]正带轴状态。该正带轴状态[1 1 0]为氚化物的低指数晶带轴(1+1+0≤3)，可以获得较低指数的晶面或较强的衍射斑信号。

c.设置透射电镜光路

选择所述显微区域某点为起始点N₀，设置透射电镜的工作模式为扫描透射电子显微分析模式，聚光镜尺寸为20微米，会聚角大小为0.66mrad，束流大小为1皮安，相机长度为38厘米，获得电镜样品上起始点N₀的纳米衍射图谱。

d.纳米衍射谱面扫描采集

设置进行微区应力分布分析区域的纳米衍射采集分辨率为2纳米，采集时间为0.2秒，开始对起始点N₀和其他多个点N_i(i为大于等于1的正整数)进行纳米衍射谱面扫描采集。

e.数据处理与应力分布分析

在起始点N₀的纳米衍射谱中选择衍射斑(1 1 1)2，测量该衍射斑相对透射斑(0 00)1的矢量信息记为g₀。以起始点N₀纳米衍射谱中该矢量信息为基准矢量g₀，确定纳米衍射谱面扫描中其余点Ni衍射谱中相同衍射斑(1 1 1)2相对透射斑(0 0 0)1的测试矢量g_i，计算测试矢量g_i相比基准矢量g₀的偏移程度，并绘制出偏移程度的二维图像，定性得出氚化物中针状氦泡区域的纳米级微区应力分布显微信息。

试验结果如下：

图4示出了氚化物中针状氦泡3的尺寸与分布显微图像，图5示出了经过分析各个衍射谱中相同衍射斑矢量偏移情况，计算得出的微区应力分布二维图像。由图5可以得知，在针状氦泡3内部区域，应力程度更加显著，表明在氦泡临近区域的应力更加集中，这潜在是氦泡生长与破裂的驱动力。该结论的获得对认识氦泡演化模型和氦泡破裂机制有重要意义。

实施例2

本实施例分析氚化物中球形氦泡区域的微区应力分布，具体实施方式与实施例1基本相同，主要区别在于：透射电镜样品处于[100]正带轴状态，在纳米衍射谱中选择的衍射斑为(002)。

试验结果如下：

图6示出了氚化物中球形氦泡4的尺寸与分布显微图像，图7示出了经过分析各个衍射谱中相同衍射斑矢量偏移情况，计算得出的微区应力分布二维图像。由图7可以得知，在球形氦泡4内部区域，应力程度更加显著，表明在氦泡临近区域的应力更加集中，这潜在是氦泡生长与破裂的驱动力。该结论的获得对认识氦泡演化模型和氦泡破裂机制有重要意义。

Claims (6)

1.一种氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10透射电镜样品制备与装载：采用聚焦离子束法制备氚化物透射电镜样品，将透射电镜样品安装在透射电镜样品杆上；

S20分析区域选择与样品杆转角设置：移动样品杆的位置，在透射电镜中纳米尺度上选择拟进行微区应力分布分析的显微区域，旋转样品杆的双倾转角，直至透射电镜样品处于正带轴状态[a b c]；

S30设置透射电镜光路：选择所述显微区域某点为起始点N₀，设置透射电镜的工作模式、束斑模式、聚光镜光阑尺寸、会聚角大小、束流大小、相机长度，直至获得所述起始点的纳米衍射图谱；

S40纳米衍射谱面扫描采集：设置纳米衍射采集分辨率、采谱时间，对所述显微区域的起始点N₀以及其他点N_i进行纳米衍射谱面扫描采集，其中i为大于等于1的正整数；

S50数据处理与应力分布分析：在起始点的纳米衍射谱中选择某衍射斑(A B C)，测量该衍射斑相对透射斑的矢量信息g₀，以所述矢量信息g₀为基准矢量，测量其他点N_i的纳米衍射谱面中相同衍射斑相对透射斑的矢量信息g_i，以所述矢量信息g_i为测试矢量，绘制出测试矢量g_i相比基准矢量g₀的偏移程度的二维图像，定性得出所述显微区域内氚化物纳米级微区应力分布显微信息。

2.根据权利要求1所述的氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法，其特征在于，所述步骤S10中透射电镜样品的厚度小于100纳米，所述透射电镜样品杆为双倾样品杆。

3.根据权利要求1所述的氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法，其特征在于，所述步骤S20中样品杆位置包括X、Y和Z三个方向，双倾角包括α和β两个转动轴，正带轴状态[a b c]为氚化物的低指数晶带轴，所述低指数晶带轴是指a+b+c≤3。

4.根据权利要求1所述的氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法，其特征在于，所述步骤S30中透射电镜的工作模式为扫描透射电子显微分析模式，聚光镜尺寸范围为10微米至20微米，会聚角大小范围为0.19mrad至0.66mrad，束流大小范围为1皮安至10皮安，相机长度范围为10厘米至40厘米。

5.根据权利要求1所述的氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法，其特征在于，所述步骤S40中纳米衍射谱的采集分辨率范围为1纳米至10纳米，采集时间范围为0.1秒至5秒。

6.根据权利要求1所述的氚化物纳米级微区应力分布的电子显微分析方法，其特征在于，所述步骤S50中衍射斑(A B C)为具有低指数晶面的衍射斑，其中低指数晶面是指A+B+C≤3。