Способ калибровки газоаналитических систем по азоту

 

Изобретение может быть использовано в методах газового анализа, нанапример, в масс-спектрометрии. Способ калибровки газоаналитических систем по азоту реализован в устройстве. Стальную пластину 1 с ннтродотнтановым покрытием /НТП/ 2 толщиной 1 - i О мкм помещают s камеру 3 с оптичес кям окном 4. Производят лазерный импульс , который переводит в газовую фазу локальный участок покрытия и основы. Газы откачивают в газоаналитнческу о систему 6, которую предварительно настраивают на азот и регистрируют на ее выхода сигнал, пропорциональный количеству tn вьщелившегоITf ся азота, m -5- Н-С, где d - измеряемый диаметр кратера, Н - TOjnnH- на НТП, Cf, - объемная концентрация азота в НТП. Способ прост и точен. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕа1УБЛИН

I (51) С 01 11 27/62 Н 01 J 49/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПО АЗОТУ (57) Изобретение может быть использовано в методах газового анализа, нанапример, в масс-спектрометрии. СпоГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (46) 30.05.92. Бюл. Р 20 (21) 4069360/21 (22) 22.05.86 (7l) Институт геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского (72) Б.К.Зуев, И.Л.Скрябин и Л.Л.Кунин (53) 621.384 (088.8) (56) Вассерман А.М., Кунин Л.Л., Суровой IO.Н. Определение газов в металлах, иэд. Наука. — M. 1976, с.223, рис.IV, 38.

Ивановский Г.Ф., Варнаков С.В.

Заводская лаборатория, т.35, с.959.

„„SU„„14176О7 А1 соб калибровки газоаналитических систем по азоту реализован в устройстве.

Стальную пластину 1 с нитродотитано" вым покрытием /НТП/ 2 толщиной

i0 мкм помещают в камеру 3 с оптическим окном 4, Производят лазерный импульс, который переводит в газовую

Фазу локальный участок .покрытия и основы. Газы откачивают в газоаналитическую систему 6, которую предварительно настраивают на азот и регис грируют на ее выходе сигнал, пропорциональный количеству а выделившего1, т ся азота. m -г-- - Н Ся, где d - измеряемый диаметр кратера, Н - толщина НТП, Сд — объемная концентрация азота в НТП. Способ прост и точен.

I ил.

Изобретение относится ; аналитической химии и мОжет бьрть использова но В масс "спектрометрии и друГих мето» дах ГязОВОГО анализа

Целью изобретения лвллетсл упроще- ние и говышение точности калибровки га=-оянялитических систем по азоту.

Это достигается тем, что в способе, ВкЛючающем перевод в газовую фазу под1(Воздействием ляэерньж кмпульсОВ свО ..бодной генерации локальных участков твердого Образца, регистрацию анали"

ТИЧЕСКОГО СИГНЯЛЯ ЯЭОТар ВЫДЕЛИВШЕГО ся иэ образовавшегося кратера, расчет его содержания в кратере и построение калибрОВОчной KpHBOA р В кЯ честве образца берут стальную подложку с нитридотитановым покрытием толщиной 1-10 мкм, используют лазерный импульс с плотностью мощности Р(3-8)" х10 Вт/см, а количество Выделивше7 2 гося азо" à рассчитывают по формуле

ll QI

m" — — — -H C пр 25 где и - измеряемый диаметр кратера;

H - толщина покрьггил;

C - объемнал концентрация азота

В покрытии. ЗО

Схема устройства для осуществления предлагаемого способа изображена на

1 чертеже .

Стальную пластину 1 с нитридотитяновым покрытием 2 помещают в камеру 3 с оптическим окном 4. 11злучение

35 лазерного микроскопа 5 фокусируют на поверхности покрытия. Камера 3 соединена трубопроводом с газоаналитической системой 6. Производят лазер-. ный импульс, который переводит В газовую фазу локальный участок покрытия и.основы. Газы, выделившиеся иэ материала кратера, откячизаютсл в газоаналитическую систему (при использовании газоанализаторов, работающих поД ВЯ1 УУмом)р либо пеРенослтсл В нее струей 7 инертного газа. Гяэоаналитическую систему предварительно наст— раивают иа азот и регистрируют иа ее выходе сигнал, пропорциональный коли-5(1 честву tn выделившегося азота °

gJI8,расчета Ill измеряют диаметр Й образовавшегося кратера. Так как концентрация азота В покрытии и подложке отличаются более чем на два по- 55

РЛДКЯ, ТО ЙЙССОЙ Яэотйр ВЫДЕЛИВШЕГОСЯ из поцлйжкир пРИ ОЙРВДелнных Усло виях мощно пренебречь, Тогда получим

Il d I ш - — — НС

Д П

Процедура калибровки предполагает построение зависимости I f(m), где Х - Выходной сигнал гаэоаняли- тической системы, Варьирование т дос" тигается дифрагмированием лазерного пучка, что приводит к изменениям диаметров обрязующихсл кратеров. Та-: ким образом, калибровочную кривую можно построить, используя лишь

Один образец с покрытием Вместо серии стандартов, что упрощает процесс калибровки. Кроме того, предлагаемый способ не нуждается в СЛожном и трЕ- бующем высокой квалификации оператора процесса измерения глубины кратера, что также существенно упрощает калибровку и повышает ее точность.

Повышение точности также связано с

С ВЫСОКОЙ ОДНОРОДНОСТЬЮ РЯСПРЕДЕЛЕНИЯ азота по покрытию, которой нельзя. достичь В литых образцах, и с тем, что расчетная формула не зависит от формы кратера..

Выбор в качестве азотсодержащего покрытия нитрида титана на стальной подложке обусловлен следующими причинами: широким распространением и отр,:áîòàííoñòüþ технологии нанесения таких покрытий способом КИБ (конденсация В вакууме с ионной бомбардиров-, кой ), реализуемым на установках ти" па "Булат"; высокой однородностью распределения азота в таких покрытиях, что связано с особенностями технологии его нанесения; высокая стабильность соединения

TiN определяет практически .неограниченную во Времени годность образ" ца для калибровки; низкой концентрацией азота (по сравнению с покрытием) В сталях боль". шинства марок.

Объе кратера V складывается из объема испаренного покрытия (Ч„) и объема основы (V ), Чл+ Чор а масса выделившегося азота

m m Сл Ч6Ф СО ЧОр где С вЂ” объемная концентрация азота

В ОСНОВЕ.

I4 I 76

Проведенные на шлифах исследования показали, что при условии h/Н ) 10 объем V с большой точностью можно вычислить по формуле цилиндра, т.е, 6

12

V ------ ° Н

У где h — - глубина кратера.

Для нитридотитановых покрытий (толщиной от 10 икм) на стальной поц." ложке это условие при глотности мощности (P) большей. 3 10 Вт/см,, Возрастание глубины кратера приводит к росту объема основы и погреш- 6 ности, связанной с азотом, выделившимся из основы. Эту погрешность можно определить по формуле

Я 3 К. л

V ° С С h

V„C „С„Н

0 Р

oTKJIoHeHHe толщины покрытия, приводящее к флуктуациям аналитического сигнала азота.

Исходя из относительных стандартных отклонений меньших 0,02, получим,что толщина покрытия должна превышать I мкм, При большой толщине покрытия возникает опасность неполного его испарения под воздействием лазерно-, го импульса, который фокусируется на поверхности. При увеличении расстояния от фокальной плоскости (поверх« ности) плотность мощности падает и, естественно, что толщина покрытия не должна превышать глубину фокусирования, которая определяется выражением

Л р

А

Обычно кратер близок по форме к . параболоиду вращения, т. е, коэффициент К = 1/2. Кроме того, для нитридотитановых покрытий (например, на стали ст.20) — — 2000. Тогда д

Сп h

С . 4000H

Задаваясь погрешностью с" 413, получим 30

h (10

4000Н

h (40Н

Для указанного типа покрытий это условие выполняется при P (8 IOI Вт/

/см .. Таким образом, при 3 ° I O" < P ( I 8 IO (Вт/см2) д 2 ш- — --.НС и 40

С уменьшением толщины покрытия пренебрежение вкладом основы в аналитический сигнал азота становится менее обоснованным. Кроме того, 45 покрытия малой толщины (менее I мкм) получаются неоднородными по поверхности, что связано со следующими причинами: возрастает влияние неоднородной В0 переходной зоны между покрытием и основой; в образце для калибровки уменьша ется поверхностная концентрация азота, что делает не всегда возможным,пренебрежение авотом из основы и поверхностно сорбнрованным азотом; возрастает влияние шероховатости исходной поверхности на относительное

-3 10 мм рт.ст.

90 А

Давление азота

Ток

Напряжение на подложке 200 В

Расстояние от катода до образца 250 мм

Время напыления 60 мин

Толщина покрытия составила 6,5 мкм

Пластина с покрытием помещалась в предметную камеру установки для лазерной масс-спектрометрин.

В качестве масс-спектрометра испольэовали времяпролетный прибор

ИСХ-5, источником лазерного излучения служил лазерный микроскоп ЛМА-I позволяющий одновременно контролировать размеры кратеров.

Предварительно проверялась однородность распределения азота по покрытию. Для этого случайным образом на покрытии выбирался участок, на который воздействовали лазерными импульсами со стабильными параметрами где A — - длина волны, А — апертурный угол oIIòè÷eñêoé системы.

В установках с лазерным пробоотбором h = 0,63 мкм, А 0,5, Тогда

Е + 9,8 мкм.

Таким образом, толщина покрытия не должна превышать 10 мкм.

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

Составитель В. Кудрявцев

Техред А. Кравчук Корректор Г.Решетник

° йа @а

Тирах Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж- 35, Рауаская наб., д, 4/5

РедакторС.Рекова

Заказ 2443

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ушгород, ул. Проектная, 4

5 1417607 6 (напряжение накачки - 850 В, выход- лазерных импульсов свободной геиервная энергия. 0,5 йк, длительность им- ции локальных участков твердого обпульса 1 мс ). Диаметр пятна фокуси- : рвэца, регистрацию аналитического сигровки 40 мкм,, чем обеспечивалась плот- нала азота, выделившегося из образо" ность мощности 6 ° 1О Вт/си . вавшегося кратера, расчет его содерНа поверхности при этом образовы- жвния в кратере и построение калибро" вались кратеры диаметром 70 мкм. . вочной зависимости, о т л и ч а юСреднекввдратичное отклонение реэуль- шийся тем, что, с целью упрощетатов измерения составило 2Х что не 1g ния и повышения точности, в каче" превышает ошибку измерения объема . стве образца используют стальную кратера, пластину с нитридотитановым покрытием толщиной 1-10 мкм, варьируют диа-, Ф о р м у л в и з о б р е т е н и я метр лазерного пятна, в количество

Способ калибровки газовнвлитичес" -1В выделившегося азота рассчитывают по ких систем по азоту, включающий лере- его содержанию в разрушенном участке вод в газовую фазу под воздействием покрытия.