SU1417607A1

SU1417607A1 - Способ калибровки газоаналитических систем по азоту

Info

Publication number: SU1417607A1
Application number: SU864069360A
Authority: SU
Inventors: Б.К. Зуев; И.Л. Скрябин; Л.Л. Кунин
Original assignee: Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского
Priority date: 1986-05-22
Filing date: 1986-05-22
Publication date: 1992-05-30

Abstract

Изобретение может быть использовано в методах газового анализа, на- например, в масс-спектрометрии. Способ калибровки газоаналитических систем по азоту реализован в устройстве. Стальную пластину 1 с ннтродотнтано- вым покрытием /НТП/ 2 толщиной 1 - i О мкм помещают s камеру 3 с оптичес к м окном 4. Производ т лазерный импульс , который переводит в газовую фазу локальный участок покрыти и основы. Газы откачивают в газоаналитн- ческу о систему 6, которую предварительно настраивают на азот и регистрируют на ее выхода сигнал, пропорциональный количеству tn вьщелившегоITf с азота, m -5- Н-С, где d - измер емый диаметр кратера, Н - TOjnnH- на НТП, Cf, - объемна концентраци азота в НТП. Способ прост и точен. 1 ил.

Description

д

; анапнти- спользова- других метоИзобретение относитс i ческой химии и может быть но в масс-спектрометрии и дах газового анализа.

Целью изобретени вл етс упрощв не и повышение точности калибровки газоаналиттеск|.1х систем по азоту.

Это достигаетс тем, что в способе} вкдаочающем перевод з газовую фазу под./ воздействием лазерных г-гмпульсов свободной генернции локальных участков твердого образца, регистрацию анали тического сигнала азота, выделившегос из образонавшегос кратера, рас- |g чет его содержани в кратере и по строение калибровочной -кривой, в качестве образца берут стальную подложку с нитр -щотитаноБыг-5 г ок}1ытйем толщиной 1О мкм, используют лазерный 20 импульс с плотностью мощности Р(3-8) « х 0 вт/см, а количество вьзделивше- гос азота рассчитывают по формуле .

r/d

IQ

Н С.

25

где d измер емый диаметр кратера; Н - толщина покрыти ; Сп объемна концентраци азота

в покрь тии.

Схема устройства дл осуществлени предлагаемого способа изображена на чертеже ...

Стальную.пластину, 1 с нитрвдотита новым покрытием 2 помещают в камеру 3 с оптическим окном 4. Излучение лазерного микроскопа- З фокусируют на поверхности покрыти . Камера 3 соединена трубопроводом с газоаналитической системой б. Производ т лазерный иТ Отульс, который переводит Б газовую фазу локальный у шсток покрыти и.основы. Газы, выделившиес из материала кратера, откачиваютс в газо- аналитическуго систему (при использовании газоанализаторовf работающих под ва суу1чом), либо перенос тс в не струей 7 инертного газа. Газоаналитическую систему предварительно наст-- раивают на азот и регистрируют на ее выходе Сигнал, пропорцнокаль ый коли честву ш выделившегос азота.

Дл .расчета да.измер ют диаметр d образовавшегос кратера. Так как концентраци азота в покрытии и по.цлож ке отличаютс более чем на два пор дка , то массой азота, вьщелившегое из ПОДО1О5ЙКИ, при определиньж ус о- ВИЯХ мошю пренебречь. Тогда по1;уч}ш

m

M н 4

} ./

|g 20

25

35

40

45

50

30

де

Процедура калибровки предполагает построение зависимости I f(m), где I - выходной сигнал газоанали- тической системы. Варьирование m достигаетс дифрагмированием лазерного пучка, что приводит к изменени м диаметров образующихс кратеров. Та- : КИМ образом, калибровочную кривую можно построить, использу лишь один образец с покрытием вместо серии стандартов, что упрощает процесс калибровки. Кроме того предлагаемый способ не нуждаетс в сложном и тре- бующем высокой квалификации оператора процесса измерени глубины кра тера, что также существенно упрощает калибровку и повьшает ее точность,

Повьш1ение точности также св зано с с высокой однородностью распределенн азота по покрытию, которой нельз . достичь в литых образцах, и с тем, что расчетна формула не зависит от формы кратера.

Выбор в качестве азотсодержащего покрыти нитрида титака ни стальной подложке обусловлен следующими причинами: . .

широким распространением и от- Ре1ботанностью технологии нанесени таких покрытий способом КИБ (конденсаци в вакууме с ионной бомбардиров-. кой), реализуемым на установках типа Булат ;

высокой однородностью распределени азота в таких покрыти х,, что св зано с особенност ми технологии его нанесени ;

высока стабильность соединени TiN определ ет практически .неограниченную во времени годность образца дл калибровки;

низкой концентра.даей азота (по сравнению с покрытием) в стал х большинства марок,

кратера V складываетс из объема испаренного покрыти и объема основы (У ) ,

V „ -4- .У„ , а масса выделившегос азота

п)

де

m

С -

n-V

объемна в основе,

C.-Vc.

концентраци азота

314

Проведенные на шлифах исследовани показали, что при условии h/H 10 объем V с большой точностью можно ВЫ

числить по формуле цилиндра, т.е. 7

V,

ird .„.

Н,

где h - глубина кратера.

Дл нитридотитановых покрытий (толщиной от 10 мкм) на стальной под- ло,жке это условие при плотности мощ нести (Р) большей Вт/см .,

. Возрастание глубины кратера приводит к росту объема основы и погрешности , св занной с азотом, выделившимс из основы. Эту погрешность можно определить по формуле

7

отклонение толщины покрыти , привод щее к флуктуаци м аналитического сигнала азота.

Исход из относительных стандартных отклонений меньших 0,02, получим ,что толщина покрыти должна превышать I мкм.

При большой толщине покрыти возникает опасность неполного его испарени под воздействием лазерно-с го иютульсвв который фокусируетс на поверхности. При увеличении рассто ни от фокальной плоскости (поверхнести ) плотность мощности падает и, ecTectseHHo, что толщина покрыти не должна превьппать глубину фокусирова- ни , котора определ етс выражением

Vn- Ср

Сп н

Обычно кратер близок по форме к . параболоиду вращени , т.е. коэффициент К 1/2, Кроме того, дл нитридо- титановьгх покрытий (например, на ста

ли ст.20) - 2000. Тогда ЩОН Задава сь погрещностью , получим

гбоон h АО-Н

Дл указанного типа покрытий это условие вьтолн ётс при Р Вт/ /см.. Таким образом, при 3-loV «P 8-10 (Вт/см) .

га

d2 4

Н-С,

С уменьшением толщины покрыти пренебрежение вкладом основы в аналитический сигнал азота становитс менее обоснованным. Кроме того, покрыти малой толщины (менее 1 мкм) получаютс неоднородными по поверхности , что св зано со следующими при чинами;возрастает вли ние неоднородно переходной зоны между покрытием и основой;

в образце дл калибровки уменьша-- етс поверхностна концентраци азота , что делает не всегда возможным пренебрежение азотом из основы и поверхностно сорбированным аэотом;

возрастает вли ние шероховатости исходной поверхности на относительное

20

4 .

где А длина волны, А - апертурный угол оптической системы.

В установках с лазерным пробоотбо- ром Д 0,63 мкм, А 0,5. Тогда Z t9,8 мкм.

Таким образом, толп1ина покрыти не должна превьшгать 10 мкм.

Пример. Покрытие TiN наносилось на предварительно галифованную до 8 класса чистоты стальную пластину из ст.20. Напыление производилось на установке Булат-ЗТ при следующих параметрах :I

Давление азота -3-10 мм рт.ст.

Ток . 90 А

Напр жение на

подложке . 200 В

Рассто ние от.

катода до

образца 250 мм

Врем напылени 60 мин

Толщина покрыти

составила 6,5 мкм Пластина с покрытием помещалась в предметную камеру установки дл лазерной Macc-cneKTpoMeTpHHt

В качестве масс-спектрометра использовали врем пролетный прибор МСХ-5, источником лазерного излучени служил лазерный микроскоп ЛМА-1, позвол ющий одновременно контролировать размеры кратеров.

Предварительно провер лась одно- родность распределени азота по покрытию . Дл этого случайным образом на покрытии выбиралс участок, на который воздействовали лазерными импульсами со стабильными параметрами

51417607

(напр жение накачки - 850 В, выход-лазерных импульсов свободной генерана энерги 0,5 Дж, длительность им-ции локальных участков твердого обпульса I мс. Диаметр п тна фокуси- рдэца, регистрацию аиалитического сигровки 40 мкм,, чем обеспечивалась плот-нала азота, въщелившегос из образоность мощности 6-10 Вт/см. . вавшегос кратера, расчет его содер-«

На поверхности при этом обраэовы-жани в кратере и построение калибровались кратеры диаметром 70 мкм, .вочной зависимости, отличаю- Среднеквадратичное отклонение реэуль-щ и и с тем, что, с целью упроще- татов измерени составило 2%, что и6 |Qни и повышени точности, в каче- превышает ошибку измерени объемастве образца иЕпольэуют стальную кратера. пластину с нитрццотитановым покрыти.ем толщиной -IО мкм, варьируют диат

Формуле изобретени метр лазерного п тна, а количество

Способ калибровки газоаналитичес- -|gвыделившегос азота рассчитывают по

ких систем по азоту, включающий пере-его содержанию в разрушенном участке

вод в газовую фазу под воздействиемпокрыти .

Claims

Формула изобретения Способ калибровки гаэоаналитичес- -,θ ких систем по азоту, включающий перевод в газовую фазу под воздействием >

07 ⁶ лазерных импульсов свободной генерации локальных участков твердого образца, регистрацию аналитического сигнала азота, выделившегося из образовавшегося кратера, расчет его содер-« жания в кратере и построение калибровочной зависимости» отличающ и й с я тем, что, с целью упрощения и повышения точности, в качестве образца используют стальную пластину с нитридотитановым покрытием толщиной 1—10 мкм, варьируют диат метр лазерного пятна, а количество выделившегося азота рассчитывают по его содержанию в разрушенном участке покрытия.