Электронная сканирующая микроскопия и локальный рентгеноспектральный анализ для исследования химико-физических процессов в материалах, используемых в энергетике и аэрокосмической технике

Экспериментальные исследования в материаловедении, особенно в тех его областях, которые связаны с изучением изменений химического состава и структуры поверхности материалов под влиянием различных внешних факторов, немыслимы без использования сканирующих электронных микроскопов (СЭМ), снабженных системами локального рентгеноспектрального анализа (Л РС А) [1−4].

В настоящее время в во многих научных организациях имеется значительное количество морально устаревших приборов для сканирующей электронной микроскопии и локального рентгеноспектрального анализа, закупленных в последнее десятилетие существования СССР.

Для проведения рентгеноспектрального анализа и обработки его результатов в старых приборах применялись компьютеры класса РБР-П, которые морально и физически устарели и в большей части стали неработоспособными. Недостаточная производительность этих компьютеров не позволяла использовать их для обработки изображений, получаемых в характеристическом излучении выбранного элемента, и по этой причине такие изображения не могли использоваться для получения количественной информации.

Весьма актуальным является исследование органических соединений, разрушающихся под действием электронного пучка. Существенным недостатком старых сканирующих микроскопов, проявляющимся при анализе образцов из органических материалов, являлась невозможность регистрации изображений в режиме усреднения по кадрам, что затрудняло получение качественных изображений из-за перегрева образца под пучком и его разрушения при медленном перемещении электронного луча по образцу. Переход к усреднению по кадрам позволяет уменьшить деградацию таких образцов. Однако, даже в современных микроскопах этот режим реализован не в полной мере.

Имея в своем распоряжении прибор «Camebax МВХ-1» 1979 г. выпуска, автор поставил своей целью модернизировать его на основе современной персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ).Такая модернизация позволяет обеспечить цифровую регистрацию изображений и обеспечить управление от ПЭВМ в режиме JTPCA. При проведении модернизации необходимо было коренным образом изменить алгоритмы получения изображений в характеристическом рентгеновском излучении.

К моменту начала настоящей работы (1999 г.) публикаций в отечественной литературе по проблемам модернизации сканирующих электронных микроскопов не было. Позднее, когда разработанная автором система уже успешно эксплуатировалась, появились отечественные публикации по модернизации устаревших сканирующих электронных микроскопов [5−8], Однако, эти работы касались изменения системы регистрации электронных изображений, но не затрагивали систему регистрации характеристического излучения.

Модернизация микроскопа, проведенная автором, позволила выполнять исследования в актуальных областях современного материаловедения.

Для отечественной энергетики весьма актуальной является задача продления ресурса энергетического оборудования, определение причин ускоренного старения металла и его преждевременного разрушения, которые не могут быть надежно определены без применения методов СЭМ и JTPCA [9−11].

В конце 90-х годов стали актуальными проблемы создания композиционных материалов с высокоэнергоемкой матрицей и наполнителем из нанораз-мерных частиц металла [12]. Для получения подобных материалов с равномерным распределением наполнителя требовалось создать методики исследования таких материалов методами СЭМ и JTPCA.

Исследования изменений структуры и строения поверхности материалов, используемых в аэрокосмической технике, под влиянием воздействия факторов околоземного космического пространства весьма актуальны с точки зрения создания долговременных космических станций [13−15]. В РКК «Энергия» имелось большое количество материалов, которые длительное время экспонировались на поверхности станции «Мир». Перед нами стояла задача исследования этих уникальных образцов, экспонировавшиеся в космосе более десяти лет.

Таким образом, как задача модернизации прибора «СашеЬах МВХ-1», так и исследования, проведенные на модернизированном приборе, являются высоко актуальными.

Цель настоящей работы состояла в модернизации прибора СашеЬах МВХ-1 до уровня соответствующего современным требованиям к приборам аналогичного класса и разработке методик для исследования химико-физических изменений в различных материалах при их эксплуатации на тепловых электрических станциях, в околоземном космическом пространстве, а также изучения распределения алюминиевого наполнителя в композитах и нанокомпо-зитах с высокоэнергоемкой матрицей.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

1. Разработать и изготовить устройства связи между СашеЬах МВХ-1 и ПЭВМ для управления собственно микроскопом и спектрометрами для локального рентгеноспектрального анализа, обеспечивающие сбор информации в оцифрованном виде.

2. Разработать программное обеспечение, позволяющее реализовать эффективное управление прибором Самевах МВХ-1 и сбор информации.

3. Разработать пакет дополнительных программ для обработки получаемой информации.

4. Разработать методики электронно-микроскопических исследований образцов металла энергетического оборудования с целью определения причин преждевременного разрушения элементов энергетического оборудования, и определения их остаточного ресурса.

5. Разработать методики исследования строения высокоэнергоемких композиционных материалов с алюминиевым наполнителем.

6. Провести исследования образцов, экспонировавшихся на станции «Мир»: в условиях низкой околоземной орбиты (НОО).

Модернизация устаревших приборов для сканирующей электронной микроскопии и локального рентгеноспектрального анализа, столь необходимых для многих областей науки и техники позволяет в трудных экономических условиях приблизить данные приборы к достигнутому на сегодняшний день уровню. Выполненная работа позволила значительно повысить производительность имеющегося в ИНЭПХФ РАН прибора «СатеЬах МВХ-1». На данном приборе автором был проведен целый ряд исследовательских работ в области энергетики, космического материаловедения, нанотехнологий и других важных научных направлений разрабатываемых в ИНЭПХФ РАН. Модернизация аналогичного прибора по разработанной автором методике была проведена во ВНИИХТ в 2004 году.

При исследовании металла энергетического оборудования установлено, что применение сканирующей электронной микроскопии и локального рентгеноспектрального элементного анализа существенно повышает надежность определения причин разрушения деталей энергетического оборудования.

Определение содержания углерода и характер его распределения по поверхности дает возможность выявить источники его поступления в пароводяной тракт, что в свою очередь позволяет предотвратить преждевременное разрушение поверхностей нагрева.

Анализ отложений на изломах и внутри коррозионных язв позволяет надежно определить причины разрушений деталей энергетического оборудования.

Результаты исследования алюминизированных композитов и нанокомпо-зитов позволили оптимизировать технологию получения подобных веществ.

Результаты исследования материалов после многолетнего экспонирования в условиях околоземного космического пространства использованы в.

РКК «Энергия» для выбора перспективных конструкционных материалов, а также для контроля внешней атмосферы станции.

На защиту выносятся следующие положения:

1 .Схемы и алгоритмы работы устройства связи сканирующего электронного микроскопа — локального рентгеноспектрального анализатора «Camebax МВХ-1» с ПЭВМ.

2.Программный пакет для управления сканирующим электронным микроскопом — локальным рентгеноспектральным анализатором и обработки получаемых результатов.

3.Методика исследования причин разрушения деталей энергетического оборудования методами СЭМ и JIPCA.

4.Методика исследования нанокомпозитов с высокоэнергоемкой матрицей методами СЭМ и JIPCA.

5.Результаты исследований методами СЭМ и J1PCA изменений структуры и состава образцов аэрокосмических материалов экспонированных в условиях низкой околоземной орбиты на орбитальной станции «Мир».

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на 12 международных и национальных конференциях: 9-th International Workshop on Combustion and Propulsion, Lerici, Italy, Sep. 14−19, III и V международные Харитоновские чтения, Саров 2001, 2003 (2 доклада и 3 доклада соответственно), Международная конференция по горению и детонации, Москва 2004 г. (2 доклада), XV Российскому симпозиуму по растровой электронной микроскопии, Черноголовка, 2007 г. (2 доклада). INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMBUSTION AND DETONATION August 30 — September 3, 2004 Moscow, Russia, Третий международный аэрокосмический конгресс, 23−27 августа 2000, Москва, Россия, «Nanotech-2002» conference. September 9−12, Houston, Texas, USA. Результаты диссертации публиковались в журналах «Химическая физика», «Известия РАН. Серия «Энергетика», «Тяжелое машиностроение» [16−47].

2.Литературный обзор. 2.1. Основные принципы СЭМ и JIPCA.

СЭМ в его нынешней форме был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. Правда, предварительные варианты такого устройства были построены Кноллем в Германии в 1930;х годах и Зворыкиным с сотрудниками в корпорации RCA в 1940;х годах [48], но лишь прибор Отли смог послужить основой для ряда технических усовершенствований, завершившихся внедрением в производство промышленного варианта СЭМ в середине 1960;х годов[52]. Круг потребителей такого довольно простого в обращении прибора с объемным изображением и электронным выходным сигналом расширился с быстротой взрыва. В настоящее время насчитывается добрый десяток промышленных изготовителей СЭМ’ов на трех континентах и десятки тысяч таких приборов, используемых в лабораториях всего мира.

Сканирующий электронный микроскоп — локальный рентгеноспек-тральный прибор с большими возможностями, которые позволяют характеризовать неоднородные материалы и поверхности. В данном типе приборов исследуемая поверхность облучается тонко сфокусированным электронным пучком, который может либо покоится, либо развертываться в растр на поверхности образца [53−54]. В результате взаимодействия сфокусированного электронного пучка с поверхностью образца возникают вторичные электроны, отраженные электроны, характеристическое рентгеновское излучение, оже-электроны и фотоны различных энергий. Они рождаются в определенных объемах — областях генерации внутри образца и используются для измерения многих его характеристик (состава, топографии поверхности, кристаллографической ориентации и т. д)[4].

В локальном рентгеноспектральном анализе (ЛРСА)[56−58], который часто называют микрозондовым анализом, в первую очередь представляет интерес характеристическое рентгеновское излучение, испускаемое в результате электронной бомбардировки образца. Анализ характеристического рентгеновского излучения из области генерации дает как качественную, так и количественную информацию о составе объекта[60−62]. В сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), часто употребим термин растровая электронная микроскопия (РЭМ), основной интерес представляет изменение вторичной электронной эмиссии, которое обусловлено разницей в топографии поверхности образца при развертке электронного пучка в растр. Выход вторичных электронов ограничен областью вблизи площадки, на которую попадает пучок, и это позволяет получать изображения с относительно высоким разрешением. Впечатление трехмерности изображения происходит за счет большой глубины фокуса. 64] Основные процессы происходящие при взаимодействии пучка электронов с поверхностью образца схематично иллюстрирует Рис. 2.1.

Отраженные электроны. Они образуются при рассеивании первичных электронов на большие (до 90°) углы в результате однократного упругого рассеивания или в результате многократного рассеивания на малые углы. В конечном итоге первичные электроны, после ряда взаимодействий с атомами образца потеряв при этом энергию, изменяют траекторию своего движения и покидают поверхность образца.

Размеры области генерации отраженных электронов (рис. 2.1.) значительны и зависят от длины пробега электронов в материале образца. Протяженность области возрастает с увеличением ускоряющего первичные электроны напряжения и уменьшения среднего атомного номера Ъ элементов, входящих в состав образца. Протяженность области может изменяться от 0,1 до 1 мкм. Электроны, потерявшие в процессе отражения часть энергии, покидают образец на относительно больших расстояниях от места падения электронного зонда. Соответственно сечение, с которого получают сигнал (рис. 1), будет существенно больше сечения зонда [69]. л.

Рисунок 2.1. Области сигналов и пространственное разрешение при облучении поверхности объекта потоком электронов (зонд). Области генерации: 1 — Оже-электронов, 2 — вторичных электронов, 3 — отраженных электронов, 4 — характеристического рентгеновского излучения, 5 — тормозного рентгеновского излучения, 6 — флюоресценции Поэтому разрешение СЭМ в режиме регистрации отраженных электронов небольшое и изменяется от десятков нанометров при работе с невысокими ускоряющими напряжениями и тяжелыми материалами до сотен нанометров при работе с большими ускоряющими напряжениями и легкими материалами. Важной особенностью эмиссии отраженных электронов является ее зависимость от атомного номера элементов (композиционный эффект). Если атомный номер атомов материала в точке падения первичного пучка электронов мал (легкие атомы), то образуется меньшее количество отраженных электронов с малым запасом энергии. В областях образца, содержащих высокую концентрацию атомов с большим атомным номером (тяжелые атомы), большее число электронов отражается от этих атомов и на меньшей глубине в образце, поэтому потери энергии при их движении к поверхности меньше. Эти закономерности используются при получении изображений в отраженных электронах.

Вторичные электроны. Первичные электроны, проникающие в образец, взаимодействуют с электронами внешних оболочек атомов объекта, передавая им часть своей энергии. Происходит ионизация атомов образца, а высвобождающиеся в этом случае электроны могут покинуть образец и быть выявлены в виде вторичных электронов. Они характеризуются низкой энергией (до 50 эВ) и поэтому выходят из участков образца очень близких к поверхности (рис. 2.1). Глубина слоя, дающего вторичные электроны, составляет 1.10 нм. В пределах этого слоя рассеивание электронов пренебрежимо мало, и поэтому при получении изображений во вторичных электронах разрешающая способность определяется, прежде всего, диаметром первичного зонда. Вторичные электроны обеспечивают максимальную в сравнении с другими сигналами разрешающую способность порядка 5. 10 нм. Поэтому они являются в СЭМ главным источником информации для получения изображения поверхности объекта, и именно для этого случая приводятся паспортные характеристики прибора. Количество образующихся вторичных электронов слабо зависит от атомного номера элемента. Основным параметром, определяющим выход вторичных электронов, является угол падения пучка первичных электронов на поверхность объекта. Таким образом, вариации наклона микроучастков поверхности вызывают резко выраженные изменения в выходе вторичных электронов. Этот эффект используется для получения информации о топографии поверхности. С целью увеличения эмиссии вторичных электронов часто образец устанавливается под углом к оси зонда. При этом будет ухудшаться резкость изображения, возникает расфокусировка по краям. Для ее исправления в СЭМ предусмотрена система компенсации угла наклона, которая автоматически изменяет ток объективной линзы в зависимости от номера строки сканирования, таким образом, на всей поверхности наклоненного образца изображение остается сфокусированным. Метод наклона образца применяют при исследовании плоских объектов (металлографических шлифов и др.). Для образцов с сильно развитым рельефом полностью провести коррекцию угла наклона не удается [70].

Поглощенные электроны. При воздействии зонда часть генерируемых электронов остается в объеме образца (рис 2.1). Так, при энергиях первичного пучка 10.20 кэВ примерно 50% от общего числа образующихся вторичных и отраженных электронов достигают поверхности образца и покидают ее. Оставшиеся электроны образуют ток поглощенных электронов (рис. 2.1). Его величина равна разности между током зонда и токами отраженных и вторичных электронов. Эта разность является сигналом для получения изображения, на которое оказывают влияние как топографический, так и композиционный эффекты.

Поглощенные электроны генерируются в большом объеме (рис. 2.1). Разрешающая способность при получении изображений в этом случае имеет такой же порядок, как и для отраженных электронов. Данный метод получения изображений используется редко из-за малой разрешающей способности. Однако, при проведении ЛРСА используются относительно большие токи пучка (10−100 нА), при которых получение высокого разрешения вообще невозможно, поэтому использование поглощенного тока для получения изображения вполне приемлемо. Следует отметить, что изображения, полученные в режиме регистрации вторичных и отраженных электронов аналогичны изображениям, полученным в оптическом микроскопе при косом освещении поверхности образца [71].

Изображения, полученные в режиме регистрации поглощенного тока аналогичны изображениям в оптическом микроскопе при освещении световым пучком, направленным по нормали к его поверхности [72].

2.2.Сканирующий микроскоп-локальный рентгеноспектральный анализатор «СашеЬах» МВХ-1.

Поступивший в распоряжение ИХФ АН СССР в 1980 году аппарат «СагпеЬах» МВХ-1 зав.№ 242 (год выпуска 1979) имел для своего времени достаточно высокие технические характеристики [73]. В режиме растрового электронного микроскопа разрешение составляло 10 нМ, ускоряющее напряжение 1−20 KB при токах электронного пучка от 10 пА до 100 нА, регистрация изображений осуществлялось со специальной электроннолучевой трубки фотографическим способом, как и в других подобных приборах того времени. Прибор имел оригинальную конструкцию объективной линзы, обеспечивавшую высокую механическую стабильность и эффективную защиту от сильных магнитных полей в зоне нахождения образца, кроме того, конструкция обеспечивала достаточно большой (40 град.) угол выхода характеристического рентгеновского излучения, что снижало поглощение рентгеновского излучения. Особенностью данной линзы являлось также то, что она обеспечивала при рабочем расстоянии до поверхности образца 9 мм оптимальные условия как для работы в режиме локального рентгеноспектрально-го анализа, так и для получения максимально разрешения в режиме растрового электронного микроскопа. Кроме того, была обеспечена установка хорошего оптического микроскопа с увеличением 400Х, фокусировка которого достигалась также при рабочем расстоянии 9 мм до поверхности образца. В режиме локального рентгеноспектрального анализа прибор обеспечивал возможность работы в широком диапазоне рабочего тока электронного зонда (от 1 нА до 5 мкА).

2.3.Устройство сканирующего электронного микроскопа, назначение его узлов и их функционирование.

Схема сканирующего электронного микроскопа приведена на рис. 2.2 Он состоит из следующих основных узлов: электронной пушки Рис. 2.3, эмитирующей электроныэлектроннооптической системы Рис. 2.2., формирующей электронный зонд и обеспечивающей его сканирование на поверхности образца 12 и системы формирующей изображение. СЭМ имеет вакуумную камеру, которая служит для создания необходимого разряжения (~10*3 Па) в рабочем объеме электронной пушки и электронно-оптической системы. Составными частями микроскопа являются механические узлы (шлюзы, гониометрический стол и т. д.), обеспечивающие установку и перемещение образца. Электронная пушка (Рис. 2.3) состоит из катодного узла 1, катода 2, цилиндра Венельта 3 и анода 4. В качестве катода используется вольфрамовая У-образная проволока, согнутая под углом, как это показано на рисунке. При нагреве катода прямым пропусканием тока происходит термоэмиссия электронов. Электроны ускоряются напряжением, приложенным между катодом и анодом, которое можно изменять от 1 до 50 кВ. Цилиндр Венельта имеет высокий отрицательный потенциал и служит для регулировки потока электронов. Пучок электронов от пушки проходит через три электромагнитные линзы 1, 2, 3 (Рис. 2.2.). Фокусировка потока электронов осуществляется магнитным полем, имеющим осевую симметрию. Оно создается электромагнитной линзой, которая представляет собой соленоид. Магнитное поле возникает при пропускании электрического тока через обмотку соленоида, концентрируется с помощью так называемого полюсного наконечника и воздействует на проходящий через него поток электронов. Фокусное расстояние линзы можно плавно регулировать путем изменения силы тока в обмотке соленоида. В системе имеются две диафрагмы 4, 5, ограничивающие расходимость пучка электронов. Несовершенства электронной оптики, как указывалось ранее, оказывают влияние на разрешающую способность микроскопа. К несовершенствам оптики относятся хроматическая, сферическая аберрации и астигматизм [1, 4,53]. 8.

Рис. 2.2. Схема электронноптической системы прибора МВХ-1. 1-первый конденсор, 2-второй конденсор, 3-объективная.

Жлинза.

Рис. 2.3. Схема электронной пушки прибора МВХ-1 [73]. 1-катодный узел, 2-катод, 3-венельт, 4-анод.

Хроматическая аберрация возникает из-за различной скорости (т.е. длины волны) электронов, и изменении ее во времени, что приводит к непостоянству фокусных расстояний линз. Хроматическую аберрацию уменьшают путем стабилизации ускоряющего электроны напряжения и электрического тока в линзах.

Сферическая аберрация возникает вследствие того, что электроны проходят на различных угловых расстояниях от оптической оси линзы, и поэтому по разному фокусируются. Сферическую аберрацию уменьшают наложением строгих ограничений на геометрию полюсных наконечников линз, увеличением ускоряющего напряжения и уменьшением диафрагмы. В этом случае поток формируется электронами, в меньшей степени отклоненными от оптической оси линзы.

Возникновение астигматизма связано с нарушением магнитной или геометрической симметрии линзы. Устранение асимметрии достигается обеспечением высокой геометрической точности изготовления полюсного наконечника линзы и введением специальной системы, называемой стигма-тором 6, который корректирует магнитное поле линзы, восстанавливая его симметрию.

Стигматор расположен в объективной линзе 3. Внутри нее также находятся две пары электромагнитных отклоняющих катушек 7, каждая из которых служит для отклонения зонда соответственно в X и У, направлениях в плоскости перпендикулярной оси потока электронов. Катушки соединены с генератором, обеспечивающим синхронность передвижения электронного зонда по образцу и электронного луча по экрану электронно-лучевой трубки .

Образец 8 крепится на предметном столике, который может перемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях, допускает наклон образца до 45° к электронно-оптической оси и вращение вокруг оси от 0 до 360°. Электронный пучок, сфокусированный на поверхности образца, вызывает появление отраженных, вторичных и поглощенных электронов, которые используются для получения изображения поверхности образца. Эти сигналы улавливаются специальными детекторами.

В детекторах поток электронов преобразуется в электрический сигнал (ток). После прохождения тока через видеоусилитель модулируется яркость электронного луча ЭЛТ.

В качестве детектора вторичных электронов используется детектор Эверхарта-Торнли [73]. Схема детектора представлена на рис. 2.4. Коллектор 1 имеет положительный потенциал, приблизительно +250 В, благодаря чему траектории вторичных электронов искривляются и они попадают в коллектор. На первичные и отраженные электроны, имеющие высокие значения энергии, этот потенциал существенного влияния не оказывает.

Рис. 2.4. Схема детектора эмитированных электронов Эвернхарта-Торнли.

1 — коллектор, 2 — световод, 3 — сцинтиллятор, 4 — фотоумножитель. Внутри коллектора электроны ускоряются. Для этого на сцинтиллятор 3 подается высокое напряжение порядка 12 кВ. Его влияние на электронный зонд экранируется корпусом коллектора. Вследствие ускорения вторичные электроны получают достаточную энергию, чтобы вызвать световое излучение материала сцинтиллятора, которое по световоду 2 попадает на фотоумножитель 4, где преобразуется в электрический сигнал. Амплитуда этого сигнала и, следовательно, яркость соответствующей точки на экране при использовании вторичных электронов определяется топографическим контрастом. Характерная особенность топографического контраста в СЭМ — повышенная яркость изображения острых вершин и выступов рельефа поверхности образца, е вызывается увеличением выхода электронов с этих участков. Большая разрешающая способность СЭМ при работе в режиме регистрации вторичных электронов служит причиной того, что именно он используется при изучении топографии поверхности (поверхность излома, протравленного шлифа и др.). При формировании изображения в режиме детектирования вторичных электронов возможно появление композиционного контраста. Однако он относительно невелик.

Для регистрации отраженных электронов могут использоваться различные типы детекторов, в том числе и детектор Эверхарта-Торнли, но с некоторым изменением. Это вызвано тем, что отраженные электроны имеют высокую энергию, движутся прямолинейно, не отклоняясь электрическим полем в отличие от вторичных электронов. Поэтому нет необходимости использовать в детекторе высокие напряжения и, следовательно, коллектор. Эффективность сбора отраженных электронов зависит от угла наклона детектора к поверхности генерации электронов и расстояния между ними.

В приборе МВХ-1 для регистрации отраженных электронов на коллектор подается напряжение -50 В, которое предотвращает попадание на коллектор вторичных электронов с энергиями менее 50 ЭВ, не оказывая влияния на отраженные электроны.

При получении изображения в поглощенных электронах сигналом служит ток поглощенных электронов, который равен току первичных электронов за вычетом тока отраженных и вторичных электронов. В итоге он зависит от количества эмитированных отраженных и вторичных электронов. Соответственно в сигнале присутствуют как композиционная, так и топографическая составляющая, причем они не разделяются.

При сканировании зонда по поверхности образца, имеющего химическую неоднородность и сильно выраженный рельеф, интенсивность сигнала будет меняться. Для улавливания сигнала не требуется специальный детектор. Его роль выполняет образец, в который служит коллектором электронов. Ток поглощенных электронов только усиливается, а затем передается в блок изображения. Метод широко использовался в ранних конструкциях сканирующих микроскопов.

Сигналы, преобразованные детектором в электрический ток, после усиления служат для модулирования яркости точек на экране. Формирование изображения поверхности объекта на экране будет происходить следующим образом. С помощью отклоняющих катушек 7 (рис. 2.2.) осуществляется сканирование тонко сфокусированного зонда по поверхности образца. Оно проходит по линии. Совокупность параллельных линий (растр) дает представление о площади объекта. Генератор развертки, соединенный с отклоняющими катушками и монитором, обеспечивает синхронность передвижения электронного зонда по образцу и электронного луча по экрану. Благодаря этому каждая точка на образце соответствует определенной точке на экране. В свою очередь, яркость точки на экране определяется интенсивностью сигнала, поступающего от соответствующей точки образца. Совокупность сигналов различной интенсивности создает контраст яркости (изображение) на экране трубки. Увеличение СЭМ определяется соотношением амплитуд развертки луча по экрану (Ь) и зонда по поверхности образца (1) и равно Ь/1. Так как максимальная длина развертки Ь на экране фиксирована, то повышение увеличения микроскопа достигается путем уменьшения 1. Изменение амплитуды колебания зонда задается с помощью блока управления увеличением 17, путем изменения тока в отклоняющих катушках. Обычно рабочий диапазон изменения увеличений, обеспечивающий высокую четкость изображения поверхности, составляет 40.50 000. Увеличение, превышающее максимальное полезное увеличение микроскопа (т.е. обеспечивающее приемлемую четкость получаемых изображений), обычно используется только для его фокусирования.

Таким образом сканирующий электронный микроскоп «Камебакс"-МВХ-1 позволяет:

1. Непосредственно исследовать большие площади поверхностей на массивных образцах и даже деталях в широком диапазоне увеличений от.

40 до 50 000 и выше с достаточно высоким разрешением. При этом не требуется как для ПЭМ выполнение сложных и длительных операций по изготовлению специальных объектов — реплик, прозрачных для электронного луча. Исключается возможность погрешностей вследствие деформации реплик при снятии их с объекта и под действием электронного луча.

2. На СЭМ можно исследовать общий характер структуры всей поверхности объекта при малых увеличениях и детально изучить любой интересующий исследователя участок при больших увеличениях. При этом отпадает необходимость в разработке специальных прицельных методов. Переход от малых увеличений к большим на СЭМ осуществляется быстро и просто. Возможность быстрого изменения увеличения в процессе работы микроскопа от 40 до 50 000 позволяет легко устанавливать полезное увеличение. Оно определяется как Мпол = 200 мкм/с1, где с! -диаметр соответствующего элемента изображения в мкм (разрешение глаза принимается 200 мкм). Нужно также иметь ввиду, что изображение будет точно сфокусировано, когда область зондирования пучком на образце меньше, чем размер элемента изображения.

3. СЭМ имеет большую глубину фокуса, что позволяет наблюдать объемное изображение структуры с возможностью ее количественной оценки. Создаются условия прямого изучения структуры поверхностей с сильно развитым рельефом, например, изломов. При сопоставимых увеличениях глубина фокуса СЭМ приблизительно в 100 раз больше, чем у светового микроскопа [1].

4. МВХ-1 снабжен спектрометрами для проведения анализа элементного состава, что позволяет получать более полную информацию о поверхности изделия. Принципы работы и конструкция спектрометров рентгеновского излучения применяемых в приборе МВХ-1 описаны далее.

Выводы.

1. Проведена модернизация сканирующего электронного микроскопа «СатеЬах МВХ-1». Разработано программное обеспечение и интерфейсный блок для управления микроскопом в режимах регистрации электронных изображений и в режимах элементного анализа с помощью ПЭВМ. После модернизации аналитические возможности микроскопа вышли на современный уровень.

2. Разработана методика применения СЭМ в энергетическом материаловедении.

Возможности локального рентгеноспектрального анализа позволяют надежно выявлять коррозионные повреждения.

Сочетание методов рентгенофазового анализа и методов СЭМ позволяет оценивать эффективность водного режима энергоблоков и определять реальное состояние оксидной защитной пленки.

Сформулированы требования к прибору для энергетического материаловедения: увеличение сканирующего микроскопа не менее 10 000Х, обязательно наличие спектрометра волновой дисперсии с возможностью анализа легких элементов (начиная с углерода), который позволяет надежно определять наличие и концентрацию серы в присутствии молибдена. Такой прибор позволяет проводить макрои микрофрактографический анализ, исследовать изменение структуры металла при водородном охрупчивании и ранних стадиях ползучести. Эти требования реализованы в модифицированном приборе.

3.Разработаны методики исследования структуры алюминизированных композитов с матрицей из высокоэнергоемких веществ. Установлено, что при использовании коммерческих высокоэнергоемких веществ однородного распределения в композите алюминиевого наполнителя добиться не удается. Вне зависимости от вида алюминиевого наполнителя масштаб неоднородности определяется размерами зерен матрицы. Установлено, что равномерное распределение алюминия в нанокомпозите удается достигнуть только при формировании гранул композита методом распылительной сушки дисперсии наноразмерных порошков алюминия со специальными покрытиями в растворе высокоэнергоемкой матрицы.

4.Впервые установлено, что при долговременном пребывании материалов на внешней поверхности станции «Мир» происходит вытравливание связующего из композиционных лакокрасочных покрытий, разрушение органических волокон и пленок, а также образование на наружных поверхностях осадков, содержащих кремний и углерод.

Заключение

.

Работы, результаты которых вошли в настоящую диссертацию, проводились в сотрудничестве со многими организациями.

Автор выражает глубокую благодарность руководителю диссертационной работы, заведующему лабораторией 001 к.ф.м.н. И. О. Лейпунскому за постоянное внимание и большую помощь в работе, заместителю директора ИНЭП ХФ РАН к.ф.м.н. А. Н. Жигачу, сотрудникам института Н. Г. Березкиной, В. Е. Скурату, М. Н. Ларичеву, Б. В. Кудрову, М. Л. Кускову за содействие в работе и дружескую помощь.

Автор выражает признательность сотрудникам ВТИ Б. Э. Школьниковой, А. Н. Горбачеву, В. А. Богачеву и сотруднику ИХФ РАН М. Ф. Гогуле за помощь в работе.