Радиационный способ измерения плотности
Формула | Описание | Похожие патенты | МПК / Метки | Текст | Заявка | Код ссылки
Номер патента: 1492908
Автор: Сорокин
Формула
РАДИАЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ, заключающийсяв том, что пучок электронов последовательно направляют на поверхность объекта и на поверхность модельных образцов, регистрируют обратно рассеянные электроны, вышедшие из области поверхности, за пределами экранируемой области, ступенчато увеличивают энергию электронов и размеры экранируемой области и по результатам регистрации определяют толщину подслоя и плотность материала в них, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности определения распределения плотности в подслоях измеряемых объектов, состоящих из слоев, для каждого из которых известны атомный номер, средняя плотность и средняя толщина, после проведения предыдущих измерений, в результате которых изготовлен модельный образец, который имеет слои, образованные подслоями с плотностью, толщиной и атомным номером, совпадающими с измеряемым объектом, или непосредственно в процессе первого измерения устанавливают энергию электронов, при которой глубина контроля достигает границы текущего подслоя, изготавливают первую модельную пластину материала с атомным номером текущего слоя, со средней его плотностью и толщиной, превышающей глубину проникновения электронов в модельный образец, составленный из всех предыдущих слоев, и первой модельной пластины, производят измерение обратно рассеянных электронов, выходящих из области поверхности за пределами экранируемой области на измеряемом объекте и модельном образце, по результатам измерений определяют плотность подслоя и его толщину, изготавливают вторую пластину с полученными значениями плотности и толщины и устанавливают ее взамен первой, устанавливают энергию электронов, при которой глубина контроля достигает следующего слоя, изготавливают третью пластину с атомным номером следующего слоя и толщиной, обеспечивающей полное торможение электронов модельным образцом, состоящим из всех предыдущих слоев, второй и третьей пластин, регистрируют рассеянные электроны в геометрии полной видимости на измеряемом объекте и указанном последнем модельном образце, если результат регистрации на измеряемом объекте меньше (больше), чем на модельном образце, с атомным номером следующего слоя, большим (меньшим) атомного номера текущего слоя, то энергию электронов уменьшают и повторяют определение плотности и толщины текущего подслоя, а в других возможных случаях производят измерение следующего подслоя.
Описание
Цель изобретения обеспечение возможности измерения распределения плотности в подслоях измеряемых объектов, состоящих из слоев, для каждого из которых известны атомный номер, средняя плотность и средняя толщина.
На фиг. 1 изображен измеряемый объект; на фиг.2 схема измерения в геометрии прямой видимости; на фиг.3 геометрия измерения с регистрацией обратно рассеянных электронов, выходящих из области за пределами экранируемой торцом коллиматора области поверхности; на фиги.4-14 схемы осуществления способа.
Измеряемый объект состоит (фиг.1) из двух или нескольких слоев материалов различного вида. Количество, порядок следования слоев и вид материалов известны.
Известно, также, что материалы слоев имеют неизменный элементный состав, а значит и неизменные эффективные атомные номера.
Известны номинальная средняя плотность материалов каждого слоя

Известно, что возможное отклонение действительной средней плотности материала каждого слоя объекта


Известно, что распределение плотности по толщине каждого слоя неравномерное, а отклонение действительной средней плотности материала каждого слоя от номинальной средней плотности обусловлено отклонением распределения по толщине слоя.
Настоящий способ позволяет определить распределение плотности по глубине каждого слоя объекта, т.е. определить среднюю плотность в нескольких подслоях в пределах слоя.
Способ реализуется с помощью электронного плотномера, выполненного на основе источника электронного пучка с регулируемой энергией электронов.
При направлении пучка быстрых электронов на поверхность объекта распределение F плотности тока обратно рассеянных электронов по поверхности объекта определяется толщинами слоев, распределениями плотности материала в пределах слоев и элементными составами (эффективными атомными номерами) материалов слоев. Это выражается как в зависимости суммарного тока обратно рассеянных электронов из поверхности объекта, так и в зависимости формы распределения плотности тока обратно рассеянных электронов по поверхности объекта.
В "геометрии первой видимости" детектором 1 (фиг.2) всей области поверхности объекта, в пределах которой обратно рассеянные электроны выходят из объекта, результат регистрации практически не зависит от формы распределения плотности тока обратно рассеянных электронов по поверхности объекта и пропорционален суммарному току обратно рассеянных электронов из поверхности объекта, который практически определяется только массовыми толщинами слоев, полностью лежащих в пределах глубины контроля и эффективными атомными номерами материалов всех слоев в пределах глубины контроля, но практически не зависит прямо от плотности материалов слоев.
В геометрии регистрации обратно рассеянных электронов, выходящих из участка поверхности за пределами экранируемой торцом коллиматора 2 области поверхности (фиг. 3), результат регистрации сильно зависит от формы распределения F плотности тока обратно рассеянных электронов по поверхности объекта, которая определяется не только массовыми толщинами слоев, полностью лежащих в пределах глубины контроля, и эффективными атомными номерами материалов слоев, но сильно зависит от распределения плотности материалов во всех слоях в пределах глубины контроля. Использование коллиматора с оптимальным радиусом торца обеспечивает наибольшую чувствительность к изменениям плотности при установленной энергии электронов и существующих распределениях плотности материала в слоях, их толщинах и элементных составов материалов. Например, увеличение плотности от




Допустим, что достаточно определить среднюю плотность в двух подслоях каждого слоя. Такая низкая дискретность позволит сократить объем изложения примера реализации способа без ущерба для его иллюстрации.
1. а) Исходя из номинальной средней плотности материала первого слоя объекта



Изготавливают модельные образцы N 1-1 и 2-1 (фиг.4). Модельный образец N 1-1:
материал образца материал, идентичный по составу с материалом первого слоя объекта, имеющего эффективный атомный номер Z1,
средняя плотность материала образца





Et, t11*

Модельный образец N 2-1:
материал образца такой же, как материал первого слоя объекта; средняя плотность материала образца





t11**

Устанавливают последовательно модельные образцы на торец коллиматора (фиг.4) и регистрируют обратно рассеянные электроны, вышедшие из участка поверхности за пределами экранируемой торцом коллиматора области.
Различие результатов регистраций на модельных образцахN 1-1 и N 2-1 обусловлено только различием плотностей


U11** U11* K11 (


Устанавливают объект на торец этого коллиматора (фиг.4) и регистрируют обратно рассеянные электроны, вышедшие за пределы экранируемой области поверхности объекта. Поскольку регистрация на объекте проводилась в такой же геометрии и при таких же Е1 и R1, что и регистрация на модельных образцах N 1-1 и N 2-1, то различие результатов регистрации на объекте U11о и на одном из модельных образцов, например, N 1-1, можно представить через К11 в виде
U11o U11* K11 (









t11 D1/

Изготавливают пластину N 1 толщиной t11 с плотностью

б) Исходя из номинальных массовых толщин первого и второго слоев объекта устанавливают энергию электронов Е(1), при которой массовая глубина контроля D(1) при регистрации обратно рассеянных электронов в "геометрии полной видимости" всей области поверхности объекта, в пределах которой вообще выходят обратно рассеянные электроны (фиг.5), заведомо расположена в пределах второго слоя объекта (например, D1



Изготавливают модельный образец N 3-1 (фиг.5). Первый слой образца N 3-1 изготовленная ранее пластина N 1 с толщиной t11 и плотностью

Плотность материала второго слоя образца N 3-1



Толщина второго подслоя образца N 3-1 t211 выбирается такой, при которой массовая толщина образца N 3-1 превышает массовую глубину контроля D(1), т. е. исходя из условия


t2(1) > (D(1)


Устанавливают последовательно модельный образец N 3-1 и объект на фиксированное расстояние L от торца коллиматора (фиг.5) и регистрируют обратно рассеянные электроны в "геометрии полной видимости".
Допустим, что результат регистрации в этой геометрии на объекте V1опревышает (при Z2 < Z2) или меньше (при Z2 > Z1) результата регистрации обратно рассеянных электронов на модельном образце N 3-1 V1к. Это означает, что массовая толщина первого подслоя объекта превышает массовую толщину пластины N 1, имеющей толщину t11 и плотность






Если соотношение между V1 и V1* оказалось бы противоположным, то это означало бы, что массовая глубина контроля при Е1 (nR1) в геометрии (фиг.4) и оказалось больше действительной массовой толщины первого подслоя, а


Если соотношение между V1о и V1* (или V1o)1 и (V1*)1удовлетворяется, то переходит к определению плотности следующего подслоя.
II. а) Исходя из номинальной массовой толщины первого слоя t









t2* > (D2


б) Изготавливают модельный образец N 2-2. Первый слой модельного образца такой же, как у модельного образца N 1-2.
Второй слой модельного образца N 2-2 отличается от второго слоя образца N 1-2 тем, что плотность материала пластины




t11o


t12** > (D2 t11o


Устанавливают модельный образец N 2-2 на торец коллиматора и определяют результат регистpации U12**.
Учитывая, что модельные образцы N 1-2 и N 2-2 отличаются в пределах массовой толщины D2 только плотностью вторых пластин


U12** U12* K12 (



Устанавливают объект на торец коллиматора и определяют результат регистрации U12o.
В пределах массовой глубины D объект и, например, модельный образец N 1-2 в пределах подслоя до глубины t11о имеют плотность




Различие между U12o и U12* может быть выражено соотношением
U12o U12* K12 (





Изготавливают пластину N 2 с плотностью



t2 (D2 t11o


в) Устанавливают энергию электронов Е1.
Изготавливают модельный образец N 3-2 (фиг.7). Первый слой модельного образца пластина N 1. Второй слой модельного образца пластина N 2. Третий слой пластина из материала того же вида, что
материал второго слоя объекта, имеющий эффективный атомный номер Z2. (Пластины N 1 и N 2 набор пластин).
Плотность материала третьего слоя




Выбирают толщину третьего слоя образца t3(1), при которой суммарная массовая толщина образца N 3-1 превышает массовую глубину контроля D(1), т.е. исходя из условия



t3(1) > (D(1)



Устанавливают модельный образец N 3-2 на такое же расстояние от торца коллиматора, на какое устанавливался при энергии Е(1)электронов модельный образец N 3-1 (фиг.7), и получают результат регистрации V1** в "геометрии прямой видимости".
Возможны три случая соотношения между V1о и V1**.
Случай первый.
Если V1о меньше (при Z2 < Z1) или больше (при Z2 > Z1) V1**, то это означает, что действительная массовая толщина первого слоя объекта меньше, чем суммарная толщина пластин N 1 и N 2.
Из этого следует, что при энергии Е2 (nR2) в геометрии фиг.6 массовая глубина контроля D2 оказалась за пределами первого объекта во втором слое, материал которого имеет эффективный атомный номер Z2. Поскольку модельные образцы N 1-2 и N 2-2 были выполнены только из материала с эффективным атомным номером Z1 в предположении, что D2находится в пределах первого слоя объекта, то параметры пластины N 2 как t12, так и

Вместе с тем, т.к. V1o, V1*, V1** получены в одних и тех же условиях, то по V1* и V1* можно определить чувствительность К1 к изменениям массовой толщины первого слоя объекта из соотношения
V1** V1* K1t12, а затем из соотношения
V1o V1* K1 (d1 t11o

d1=




Так как действительная толщина t1о всего первого слоя объекта неизвестна, то неизвестен и действительный интервал толщины первого слоя объекта от t11o до t1o. Если действительную плотность материала первого слоя в интервале от t11o до t11о обозначить






Для определения как t1o t11o, так и

На торец коллиматора устанавливают образцы N 1-2 и N 2-2 и определяют результаты регистрации U12к* и U12к** по которым определяют чувствительность К12к к изменениям плотности теперь уже в слое от t11одо t1о при Е1к и R2к из соотношения
U12к** U12к K12к (


Устанавливая объект на торец коллиматора при Е2к и R2к, получают U12ко, а затем из соотношения
U12ко U12к* К12к (







Так как D2к d1, то t11


t12к (d1 t11


Именно t12к и





Изготавливают пластину N 2k из материала с эффективным атомным номером Z1, толщиной t12к и плотностью

Совместно пластины N 1 и N 2k моделируют первый слой объекта.
Второй случай.
Если V1o V1**, то это означает, что при Е2 и R2 глубина контроля оказалась на границе слоя. При этом определенные при этих Е2 и R2значения t12 и




Третий случай.
Если V1о больше (при Z2 < Z1) или меньше (при Z2 > Z1)V1*, то это означает, что действительная массовая толщина первого слоя объекта больше, чем суммарная массовая толщина пластин N 1 и N 2. При этом значения t12 и





Допустим, что реализовался первый случай, как наиболее общий, и пластины N 1 и N 2 моделируют первый слой объекта.
III. Исходя из номинальной средней плотности материала второго микрослоя объекта






а) Изготавливают модельный образец N 1-3 (фиг.9). Первый и второй слои модельного образца пластины N 1 и N 1k (набор пластин). Третий слой пластина из того же материала, имеющего эффективный атомный номер Z2, из которого выполнен второй слой объекта. Плотность материала этой пластины выбирается






t21* > (D2



Устанавливают модельный образец N 1-3 на торец коллиматора и определяют результат регистрации U21* (фиг.9).
б) Изготавливают модельный образец N 2-3 (фиг.9). Первый и второй слои модельного образца те же, что у модельного обpазца N 1-3. Третий слой пластина из того же материала, из которого выполнен слой объекта, плотность материала пластины







(17)
t21** > (D2



Устанавливают модельный образец N 2-3 на торец коллиматора и определяют результат регистрации U21** (фиг.9).
Устанавливают объект на торец коллиматора и определяют результат U21о.
Из соотношений







D3 t11



t21 (D3 t11



Изготавливают пластину N 3 с плотностью

в) Исходя из номинальных массовых толщин первого, второго и третьего слоев объекта устанавливают энергию электронов Е(2), при которой массовая глубина контроля D12 при регистрации обратно рассеянных электpонов в "геометрии полной видимости" всей области поверхности объекта, в пределах которой вообще выходят обратно рассеянные электроны (фиг.9), заведомо расположена в пределах третьего слоя объекта (например,
D21




+ 0,5

Изготавливают модельный образец N 3-3 (фиг.10).
Первый, второй, третий слои образца пластины N 1, N 2, N 3 (набор пластин). Четвертый слой образца N 3-3 пластина из материала с эффективным атомным номером Z3 материала третьего слоя объекта, плотность материала пластины






+

t4(2) > (D(2)




Устанавливают последовательно модельный образец N 3-3 и объект на фиксированном расстоянии L от коллиматора (фиг.10) и регистрируют обратно рассеянные электроны в "геометрии полной видимости".
Допустим, что результат регистрации обратно рассеянных электронов на объекте V2о оказался меньше (при Z3 < Z2) или больше (при Z3 > Z2) результате регистрации обратно рассеянных электронов на модельном образце N 3-3 V2*.
Это означает, что действительная массовая толщина второго слоя объекта оказалась меньше массовой толщины пластины N 4, массовая глубина D3 при энергии Е3 (nR3) оказалась в пределах третьего слоя, и поэтому параметры

г) Устанавливают энергию электронов в пучке, равной Е4 и коллиматор с радиусом торца R4 (E2 < E4 < E3, R2 < R4 < R3), обеспечивающие массовую глубину контроля, равную D4 (D2 < D4 < D3).
Проводят те же операции, что при энергии Е3 с коллиматором, имеющим радиус торца R3, с использованием модельных образцов N 1-3 и N 2-3. В результате получают скорректированные параметры t21к и

Изготавливают пластину N 3k с такими параметрами из материала с эффективным атомным номером Z2.
В образце N 3-3 пластину N 3 заменяют пластиной N 3k.
Устанавливают энергию электронов в пучке Е(2), устанавливают этот образец N 3-3k с пластиной N 3k на то же расстояние L и регистрируют обратно рассеянные электроны в "Геометрии видимости" (фиг.12).
Допустим, что результат регистрации обратно рассеянных электронов на модельном образце N 3-3k/V2кт оказался меньшим (при X3 < Z2 или большим (при Z3 > Z2 результате регистрации обратно рассеянных электронов на объекте V2o. Это означает, что массовая толщина второго слоя объекта превышает массовую толщину пластины N 3k и массовая глубина контроля при энергии E4(nR4) находилась в пределах второго слоя, а материал в глубинном слое толщиной t21к у верхней границы второго слоя объекта имеет плотность



Так как образцы N 3-3 и N 3-3k отличаются в пределах массовой глубины D12 контроля в "геометрии прямой видимости" только массовыми толщинами третьих пластин, диапазон которых совпадает с диапазоном массовых толщин, в котором лежит действительная массовая толщина второго слоя объекта, то по соотношениям
V2* V21к* K3 (t21


V2o V2к* K3 (d3 t21к

d2=


д) Устанавливают энергию электронов Е5 и коллиматор с радиусом торца R5, при которых глубина контроля D5 равна действительной массовой толщине первого и второго слов объекта,
D5 d1 + d2.
Изготавливают модельный образец N 1-4.
Первый, второй, третий слои модельного образца пластины N 1, 2k, 3k (набор пластин). Четвертый слой пластина из материала с эффективным атомным номером Z2; плотность материала пластины





+

t22* > (D5




Устанавливают модельный образец N 1-4 на торец коллиматора и определяют результат регистрации U22*.
Изготавливают модельный образец N 2-4 (фиг.13).
Первый, второй и третий слои модельного образца пластины N 1, 2k, 3k (набор пластин). Четвертый слой пластина из материала с эффективным атомным номером Z2; плотность материала пластины







+

t22** > (D5




Устанавливают модельные образцы N 2-4 на торец коллиматора и определяют результат регистрации U22**.
Устанавливают объект на торец коллиматора и определяют результат регистрации U22о.
Из соотношений
U22** U22* K22 (


U22o U22* K22 (








Толщину второго подслоя второго слоя объекта определяют из соотношения
t12o (D5




Параметры


Таким образом, найдены действительные параметры распределения в первом и втором слоях












При необходимости определения распределения плотности в третьем и более глубоких слоях объекта изготавливают пластину N 4 с параметрами t22o;

Изобретение относится к области плотнометрии твердых тел по обратному рассеянию быстрых электронов методом порошковой металлургии и предназначено для измерения плотности в подслоях объектов, состоящих из слоев материалов разного вида, изготовленных преимущественно методами порошковой металлургии или гальваники. Цель изобретения - обеспечение возможности измерения распределения плотности в подслоях измеряемых объектов, состоящих из слоев, для каждого из которых известны атомный номер, средняя плостность и средняя толщина. Поток электронов направляют на поверхность объекта, регистрируют обратно рассеянные электроды, вышедшие за пределы экранируемой области поверхности объекта, при этом ступенчато увеличивают энергию электронов и размеры экранируемой области, причем при каждой энергии получают результаты регистрации для контролируемого объекта и для модельных образцов и по результатам регистрации судят о плотности глубинного слоя объекта. Дополнительно регистрируют обратно рассеянные электроны, выходящие из любой точки поверхности, при этом ступенчато увеличивают энергию электронов в пучке в соответствии с массовыми толщинами слоев эталонного объекта, причем при каждой энергии получают результаты регистрации для контролируемого объекта и модельного образца, который изготавливают с учетом результатов регистрации обратно рассеянных электронов, выходящих из любой точки поверхности, и результатов регистрации обратно рассеянных электронов, выходящих за пределы экранируемых областей, при всех предыдущих энергиях как для объекта, так и модельных образцах, а также виде материалов слоев и порядка их следования по глубине объекта. 14 ил.
Рисунки
Заявка
4179993/25, 14.01.1987
Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском политехническом институте им. С. М. Кирова
Сорокин В. Б
МПК / Метки
МПК: G01N 9/24
Метки: плотности, радиационный
Опубликовано: 27.02.1996
Код ссылки
<a href="https://patents.su/0-1492908-radiacionnyjj-sposob-izmereniya-plotnosti.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Радиационный способ измерения плотности</a>
Предыдущий патент: Бесконтактный фотоэлектрический двигатель
Следующий патент: Способ получения полимерных фенолятов щелочных металлов
Случайный патент: Паста-флюс для пайки твердыми припоями нихрома, фехраля и т. п. материалов