Ядерно-физические методы анализа защитных покрытий конструкционных материалов

• Автор: Молодцов, Сергей Львович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 121 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Измерение дифференциальных сечений для целей анализа на ионных пучках
1.1. Описание эксперимента
1.2. Экспериментальные результаты
1.3. Выводы
Глава 2. Методические разработки
2.1. Учет шероховатости поверхности
2.1.1. Описание алгоритма
2.1.2. Экспериментальная проверка алгоритма
2.1.3. Практическое применение алгоритма
2.1.4. Выводы
2.2. Учет наложений импульсов в спектрометрическом тракте
2.2.1. Теория
2.2.2. Обработка спектра
2.2.3. Результаты и обсуждение
2.2.4. Использование вейвлет-анализа сигналов для учета наложений
2.2.4. Выводы
2.3. Резонансное профилирование. Метод регуляризации
2.3.1. Основные зависимости
2.3.2. Метод регуляризации
2.3.3. Описание расчетной программы
2.3.4. Выводы
Глава 3. Анализ защитных покрытий конструкционных сталей
3.1. Описание образцов
3.2. Экспериментальная установка
3.3. Определение профиля кремния
3.4. Анализ результатов, полученных для оксидных образцов
3.5. Исследование алитированных образцов
3.6. Анализ нитридной защиты
3.7. Выводы
Заключение
Литература
Приложение

Введение
Анализ при помощи ускоренных ионных пучков (Ion Beam Analysis - IBA) - это семейство современных аналитических методов, использующих пучки ионов с энергией порядка нескольких МэВ для исследования состава и определения профилей распределения элементов по глубине в поверхностном слое твердых тел [1]. Группу этих методов объединяет то, что исследуемый объект подвергается облучению ускоренным монохроматическим ионным пучком. Наиболее распространено использование пучков легких ионов ('Н, 2Н, 4Не), но в ряде случаев наилучшие результаты достигаются с тяжелыми ионами. В отличие от активационных методов, для которых характерно использование для анализа наведенной активности, в случае IBA используется мгновенное излучение, сопровождающее взаимодействие ускоренных частиц с ядрами. Ускоренные частицы испытывают рассеяние и/или вступают в ядерные реакции с ядрами элементов, составляющих поверхностные слои образца. Вследствие торможения пучка в образце, энергия вылетающих из образца частиц зависит от глубины, на которой произошло взаимодействие. Кроме того, энергия зависит от характера и кинематики взаимодействия. Число вторичных частиц определяется сечением взаимодействия. При известной тормозной способности вещества и сечении взаимодействия спектрометрия рассеянных ионов и продуктов ядерных реакций позволяет определить концентрацию элементов и профиль их распределения по глубине. Физика этих процессов и основные зависимости рассматриваются в [2].
Методы IBA весьма чувствительны и позволяют обнаружить элементы на уровне десятков и единиц частей на миллион (ppm). Разрешение по глубине обычно находится в. пределах от единиц до десятков нанометров. Анализируемая глубина составляет от нескольких десятков нанометров до нескольких десятков микрон. Для всех случаев методы IBA являются количественными с точностью до нескольких процентов, причем в принципе количественные результаты могут быть получены без использования

стандартных образцов сравнения. Вследствие уникальности свойств атомных ядер методы ГВА обладают высокой селективностью. Дозы облучения образцов при проведении анализа, как правило, невелики, и потому методы IBA обычно считаются неразрушающими. На сегодняшний день существует целый ряд разновидностей метода анализа ускоренным ионным пучком, различающихся характером взаимодействия ионов с веществом и типом регистрируемых продуктов взаимодействия. Наиболее популярными являются методы, основанные на спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния (Rutherford Backscattering — RBS), спектрометрии частиц-продуктов ядерных реакции (Nuclear Reaction Analysis - NRA) и гамма-спектрометрии (Particle Induced Gamma Emission — PIGE). Для анализа легких элементов, таких как гелий и изотопы водорода, часто используется метод анализа, основанный на спектрометрии ядер отдачи (Elastic Recoil Detection — ERD). К методам анализа с использованием ускоренных ионных пучков относится' также анализ по характеристическому рентгеновскому излучению, возбуждаемому протонами (Proton Induced X-ray Emission).
Извлечение информации о- профиле распределения элементов из, измеренных спектров является» некорректной математической задачей. Для ее решения используются различные приемы, и результат, очевидно, зависит от того, насколько точно известны базовые константы, такие, как тормозная способность вещества и дифференциальное сечение взаимодействия, и как учтены различные эффекты. Наибольший интерес представляет учет многократного рассеяния, энергетического размытия, пучка, при торможении его в веществе (страгглинг), шероховатости поверхности образца, различных искажений при измерении спектра. Получение количественных результатов методами IBA достигается, обычно, при помощи специализированного программного обеспечения для анализа данных. На сегодняшний день SIMNRA [3] и DataFumace [4] - наиболее совершенные программы для анализа методами RBS, ERD и NRA. Однако и в них имеется целый ряд приближений и неточностей.
Рис. 2.2. Иллюстрация статистического моделирования. Аппроксимация гистограммы функцией Дх) с параметром р = 1. а) Случай скользящего рассеяния, б) Случай нормального
рассеяния.
Рис. 2.3. Параметризация вычислений Монте-Карло. Вид функциональных зависимостей между п,а,Ь и входными параметрами модели р и в.