DE1648353C3 - Vorrichtung zur Bestimmung der durchschnittlichen Konzentration eines bestimmten chemischen Elements in bestimmten Gefügebestandteilen auf Oberflächen heterogen aufgebauter metallischer oder nichtmetallischer Stoffe - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der durchschnittlichen Konzentration eines bestimmten chemischen Elements in bestimmten Gefügebestandteilen auf Oberflächen heterogen aufgebauter metallischer oder nichtmetallischer Stoffe.

Es ist bereits eine Vorrichtung zum Zählen der Anzahl von Einschlüssen beispielsweise in Stahlproben unter Verwendung einer Elektronenstrahlmikrosonde bekannt. Hierbei wird mit mehreren Spektrometern, mindestens zwei Impulshöhendiskriminatoren und einem System von logischen Einheiten gearbeitet, das die von den Einschlüssen ausgesandte charakteristische Röntgenstrahlung bzw. den von ihnen rückgestreuten Elektronenstrom als Indiz für das Vorhandensein bestimmter Elemente verwendet.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, zur Bestimmung des Flächenanteils verschiedener Phasen auf Oberflächen heterogen aufgebauter metallischer oder nichtmetallischer Stoffe eine Vorrichtung zu verwenden, die im PrinziD aus einer Elektronenstrahlmikrosonde zum automatischen Abtasten der Probenoberfläche mit einem Spannungsgeber, vorzugsweise einem Ratemeter, zur Erzeugung einer Spannung, die zur Intensität der von der Probe ausgesandten oder absorbierten Strahlung proportional ist, weiters aus mindestens einem an den Spannungsgeber angeschlossenen Spannungsdiskriminator, einer von dem Diskrimina:or gesteuerten Torschaltung, einem mit konstanter Frequenz arbeitenden, an den zweiten Eingang der Torschaltung angeschienenen Oszillator und einem an den Ausgang der Torschaltung angeschlossenen Zähler besteht

Mit dieser Vorrichtung wird es möglich, auch Phasen voneinander zu unterscheiden, die die gleichen chemischen Elemente, aber in verschiedener Konzentration, enthalten, wie zum Beispiel ferritische und austenitische Phasen in einer Stahlprobe.

Wesentlich für die erwähnte Vorrichtung ist der Vorschlag, die sich im Auftreten charakteristischer Spannungen äußernden Eigenschaften einer bestimmten Phase zum öffnen und Schließen einer Torschaltung zu verwenden, welche 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 Gesamtimpulszahl auf die Gesamtzeit, während welcher die Torschaltung geöffnet war, und bei Kenntnis der Abtastgeschwindigkeit, auf den Flächenanteil jener Phase, deren ausgewählte charakteristische Eigenschaft durch die aus dieser Eigenschaft resultierenden Spannungen über einen Diskriminator das öffnen und Schließen der Torschaltung bewirkte. Die Vorrichtung ist also in erster Linie zum Bestimmen von Flächenan teilen verschiedener Phasen geeignet.

Bisher konnte man die Durchschnittszusammensetzung von stark heterogenen oxydischen Einschlüssen, z. B. von Ferrochromlegierungen, nur mittels höchst umständlicher Methoden, wie der Schlackenrückstandsanalyse, bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eben angeführten Nachteil zu vermeiden und eine Vorrichtung zu schaffen, die nicht nur Aufschlüsse über den Flächenanteil bestimmter Phasen oder die Verteilung bestimmter chemischer Elemente innerhalb einer vorgegebenen Probenfläche gibt, sondern überdies in einfacher Weise rasch Informationen über die chemische Durchschnittsanalyse einer ganz bestimmten Phase entlang einer Geraden bzw. innerhalb eines Scanningbereiches gibt. Erfindungsgemäß wird dies bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erreicht, die gekennzeichnet ist durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) eine Elektronenstrahlmikrosonde zum automatische Abtasten der Probenoberfläche mit einem Spannungsgeber, vorzugsweise Ratemeter, zur Erzeugung einer Spannung, die zur Intensität der von der Probe ausgesandten oder absorbierten Strahlung proportional ist,

b) mindestens ein an den Spannungsgeber angeschlossener Spannungsdiskriminator,

c) eine von dem Diskriminator gesteuerte erste Torschaltung,

d) ein mit konstanter Frequenz arbeitender, an den zweiten Eingang der ersten Torschaltung angeschlossener Oszillator,

e) ein an den Ausgang der ersten Torschaltung angeschlossener Zähler,

f) eine zweite synchron mit der ersten gesteuerte

Torschaltung,

g) eine auf eine charakteristische Röntgenspektrallinie des zu bestimmenden chemischen Elements eingestelltes und an den zweiten Eingang der zweiten Torschaltung angeschic isenes Spektrometer,

h) ein an den Ausgang der zweiten Torschaltung angeschlossener zweiter Zähler.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung w liegen in der Einfachheit ihrer Bedienung, der damit verbundenen Zeitersparnis und in der mit dieser Vorrichtung erzielten, bisher unerreichten Genauigkeit bei der Bestimmung der durchschnittlichen Konzentration eines bestimmten chemischen Elements in Gefüge- bestandteilen von metallischen Stoffen. In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung veranschaulicht. Die F i g. 1 und 2 zeigen je eine Ausführungsart dieser Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Elektronenstrahlmikrosonde mit einem Spannungsgeber 3, einem Spannungsdiskriminator 4. eine Torschaltung 5 mit einem parallelgeschalteten mit konstanter Frequenz arbeitenden Oszillator 8 sowie ein Zählwerk 6 ;₅ und allenfalls eine Druckereinheit 7 auf. Erfindungsgemäß ist diese Vorrichtung durch folgende Schaltelemente ergänzt:

Eine zweite synchron mit der ersten gesteuerte Torschaltung II, ein auf eine charakteristische Rc.Hgen- 1,0 spektrallinie des zu bestimmenden chemischen Elements eingestelltes und an den zweiten Eingang der zweiten Torschaltung angeschlossenes Spektrometer 14 (welches einen Impuls mit einstellbarer Frequenz liefernden Impulsgeber aufweist) sowie einen an den Ausgang der zweiten Torschaltung 11 angeschlossenen zweiten Zähler 12. Der aus den Elementen 3 bis 8 bestehende Schaltungszweig liefert die von der Torschaltung 5 durchgelassene Gesamtimpulszahl Mi, welche ein Maß für die Gesamtzeit ist, während der sich der Elektronenstrahl auf der zu messenden Phase befindet. Aus dieser Zahl und der Impulsfrequenz ν des Oszillators 8 errechnet sich die Gesamtzeil ΤΊ, während welcher die Torschaltung 5 geöffnet war zu

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T₁ =

Zur synchronen Steuerung der beiden Torschaltungen 5 und 11 ist ein zweiter Diskriminator 10 vorhanden, so der auf den gleichen Schwellenwert eingestellt wird wie der Diskriminator 4. Wenn beide Diskriminatortn 4 und 10 an den Spannungsgeber 3 angeschlossen sind, welcher die für eine bestimmte Phaseneigenschaft charakteristische Steuergröße liefert, wird die Zeit, ss während welcher die Torschaltung 11 insgesamt geöffnet ist, gleichfalls 7", betragen. Während dieser Zeit werden die vom Spektrometer 14 gelieferten Impulse durch die Torschaltung 11 durchgelassen und vom Zählwerk 12 summiert. Ihre Gesamtzahl beträgt M>. Die <«., mittlere Impulszahl pro Sekunde N errechnet sich hieraus als

.V₂

Will man nun in einer ganz bestimmten Phase, beispielsweise den in bestimmten Einschlüssen auftretenden Gesamtgehall an einem bestimmten Lcgierungselement ermitteln, ist es hierzu lediglich notwendig, das Spektrometer 14 auf eine charakteristische Wellenlänge des zu analysierenden Elementes einzustellen und die ermittelte Durchschnittsröntgenimpulszahl pro Sekunde M mit der entsprechenden Impulszahl Mj eines Standards bekannter Zusammensetzung zu vergleichen.

Mit Hilfe der eben beschriebenen Vorrichtung wurden in einer Ferrochromlegierung stark heterogene oxydische Einschlüsse auf ihre Durd.schnittszusammensetzung untersucht. Eine qualitative Orientierungsmes sung hatte als Hauptkomponenten Cr, Si sowie etwas Mn ergeben.

Als eine für die Einschlüsse charakteristische Größe wurde der absorbierte Elektronenstrom verwendet, da die Einschlüsse auf Grund ihres hohen Sauerstoffgehaltes eine bedeutend niedrigere mittlere Ordnungszahl aufweisen als die sie umgebende metallische Cr-Fe-Matrix und dadurch der absorbierte Elektronenstrom beim Überqueren eines Einschlusses gegenüber der Matrix beträchtlich ansteigt.

In diesem Falle wurde nur die untere Schwelle 1 der Diskriminatoren 4 und 10 (F i g. 1) benutzt, und /war so eingestellt, daß die Torschaltungen 5 und 11 nur dann geöffnet werden, wenn der Absorberstrom den für die Einschlüsse charakteristischen Wert erreicht und damit sichergestellt ist. daß der Auftreffpunkt des Elektronen-Strahles auf einem der zu untersuchenden Einschlüsse liegt.

Zuerst wurae das Spektrometer auf die CrK.\i-l.inie eingestellt und an einem reinen Cr-Standard die Impulszahl pro Sekunde Mibestimmt. Mi = 1039.

Sodann wurde ein vorher ausgewähltes Probengebiet mit der Scanning-Vorrichtung zellenförmig abgetastet.

Hierbei ergab sich am Zählwerk 6 eine Impulszahl Mi = 4339, was bei der Impulsfrequenz von 50 H/. des Oszillators 8 einer effektiven Meßzeit

4339
50

■■■- S6.8 Sekunden

entspricht. Das Zählwerk 12 zeigte eine Gesamtimpulszahl von N-· = 34 242 an. Daraus errechnet sich die mittlere Inipulszahl der CrKix-Strahlung auf den Einschlüssen zu

.Y

34 242
S 6. S

und die gemessene Cr-Konzentration

395

C -

1039

100% r, 3S¹O

Es wurde also die durchschnittliche Konzentration eines bestimmten chemischen Elementes in bestimmten Gefügebestandteilen auf Oberflächen heterogen aufgebauter metallischer oder nichtmetallischer Stoffe bestimmt.

In analoger Weise wurden 12% Si und 4% Mn gemessen. Durch Umrechnung auf Oxyde und Anwendung der Tong-Philibertschen Absorpiionskorrektur ei hält man schließlich als Durchschnittsanalyse: 58% Cr₂Oj. 34°/o SiO: und 7% MnO.

Für die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung gilt folgendes: Bei Vorhandensein einer genügenden Anzahl von Meßplätzen bei einer gemäß der Erfindung ausgeführten Vorrichtung ist es möglich, die Analysengenatiigkeit noch zu erhöhen, indem zwei oder mehrere

in der zu analysierenden Phase vorhandenen Elemente als Leitelemente gewählt werden. Die Schaltung des für die Röntgenimpulsmessung vorgesehenen Zweiges der Meßanordnung ist in Fig. 2 dargestellt und erfolgt durch einen Koinzidenzkreis 9, der nur dann zur s Torschaltung Impulse durchläßt, wenn in zwei (oder mehreren) parallelen Spannungsgebern 3 und 3' der Elektronenstrahlmikrosonde gleichzeitig innerhalb gewählter Grenzen liegende Spannungen (I und 2 an den Diskriminatoren 4 und 4') auftreten. Zwischen Koinzidenzkreis 9 und Torschaltung 11 ist ein Glättglied 15 geschaltet, wobei gleichzeitig zweckmäßigerweise die Frequenz des Oszillators 8 auf einige kHz erhöht wird. Das Glättglied bewirkt eine Umformung der aus dem Koinzidenzkreis austretenden Impulsgruppen zu etwa rechteckigen Impulsen einer Länge entsprechend der der Impulsgruppen. Für die Wahl der Zeitkonstante des Glättgliedes ist wesentlich, daß diese einerseits kleiner ist als die der Spannungsgeber (Ratemeter) 3 und 3' (also meist < 100 msec), aber gleichzeitig größer als die Impulsfolgezeit am Ausgang des Koinzidenzkreises 9 (also > 1 msec). In unserem speziellen Falle wurde die Zeitkonstante des Glättgliedes 15 mit 10 — 20 msec festgelegt. Die am Ausgang des Glätlgliedes 15 erhaltenen Signale bewirken nun ein Schließen des Schaltkreises 11, womit die dem Spektrometer 14 entstammenden Röntgenimpulse auf das Zählwerk 12 und fallweise auf den Drucker 13 weitergeleitet werden. In analoger Weise lassen sich auch bei Vorliegen einer genügenden Anzahl von Meßplätzen mehrere Elemente gleichzeitig bestimmen, was durch den strichlierten Teil des Blockschaltbildes F i g. 2 angedeutet ist.

Ansonsten gilt für die zuletzt erwähnte Vorrichtung dasselbe wie für die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1848 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der durchschnittlichen Konzentration eines bestimmten chemischen Elements in bestimmten Gefügebestandteilen auf Oberflächen heterogen aufgebauter metallischer oder nichtmetallischer Stoffe, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) eine Elektronenstrahlmikrosonde (3) zum auto- <o matischen Abtasten der Probenoberfläche mit einem Spannungsgeber, vorzugsweise Ratemeter, zur Erzeugung einer Spannung, die zur Intensität der von der Probe ausgesandten oder absorbierten Strahlung proportional ist,

b) mindestens ein an den Spannungsgeber angeschlossener Spannungsdiskriminator (4),

c) eine von dem Diskriminator (4) gesteuerte erste Torschaltung (5),

d) ein mit konstanter Frequenz arbeitender, an den zweiten Eingang der ersten Torschaltung (5) angeschlossener Oszillator (8),

e) ein an den Ausgang der ersten Torschaltung (5) angeschlossener Zähler (6),

f) eine zweite, synchron mit der ersten (5) gesteuerte Torschaltung (11),

g) ein auf eine charakteristische Röntgenspektraliinie des zu bestimmenden chemischen Elements eingestelltes und an den /.weiten Eingang der zweiten Torschaltung angeschlossenes Spektrometer (14),

h) ein an den Ausgang der zweiten Torschaltung (11 Jangeschlossener zweiter Zähler(12).

2. Vorrichtung nach Anspruch I, gekennzeichnet durch einen Koinzidenzkreis (9), der nur dann Impulse durchläßt, wenn in mindestens zwei parallelen Spannungsgebern (3, 3') gleichzeitig Spannungen auftreten, die innerhalb bestimmter, an mindestens zwei Spannungsdiskriminatorsn (4, 4') eingestellter Grenzen liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein zwischen den Koinzidenzkreis (9) und die Torschaltung (11) geschaltetes Glättglied (15).