Сканирующий электронный микроскоп

Электронный микроскоп впервые был применен в 30-х годах XX в., а развитие сканирующей электронной микроскопии началось в начале 1960-х годов и продолжалось практически параллельно с развитием микроанализа. При исследовании минералов сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) обычно используется в варианте отражения, поскольку большинство минералов сильно поглощают электронный пучок, так что электроны проходят лишь через чрезвычайно тонкие образцы (толщиной не более 1 мкм), которые трудно приготовить.

В настоящее время иногда бывает трудно отличать СЭМ от РЭМ. Электронно-оптическое разрешение истинного микроанализатоpa улучшалось до тех пор, пока не приблизилось (хотя и не сравнялось) к разрешению истинного СЭМ. Кроме того, большинство современных электронных микроскопов снабжены одним рентгеновским спектрометром или, чаще всего, рентгеновскими детекторами рассеяния энергии. В то же время СЭМ разработан для достижения наилучшего пространственного разрешения, а микроанализатор - для достижения наилучшего химического разрешения.

Электронный пучок в СЭМ имеет диаметр около 10 нм, а поток много меньше, чем в РЭМ. Как и в микроанализаторе, пучок сканирует соответствующим образом приготовленный образец с помощью набора сканирующих колец. Пучок влияет на образец примерно так же, как и пучок в микроанализаторе. Однако основной используемой в СЭМ дискриминантой является электронный сигнал, исходящий из точки падения пучка. Пользуясь соответствующими электронными фильтрами и определительными системами, можно выявить как особенности состава, так и фотографические особенности поверхности образца. Как было описано выше, электроны обратного рассеяния (отраженные электроны) - это электроны первичного пучка, которые после многочисленных рикошетов в объеме образца вновь выходят на его поверхность. Энергии электронов обратного рассеяния находятся в пределах от энергии пучка (несколько тысяч электрон-вольт) до нуля. Имеют место и вторичные электроны, энергии которых находятся в пределах от 50 эВ до нуля и являются характеристичными для элементов, составляющих облучаемый образец.

Количество падающих электронов, которые проходят в образце обратное рассеяние, является функцией среднего атомного номера малой части этого образца, облучаемой электронным пучком (для углерода это количество менее 10%, для урана - более 50%).

Топографическая деталь такой поверхности увеличит обратное рассеяние в определенных направлениях, уменьшив его в других направлениях. Если поместить два детектора электронов обратного рассеяния на диаметрально противоположных сторонах образца, можно, вычитая один сигнал из другого, получить изображение, не учитывающее влияние вариаций атомного номера и практически полностью отвечающее деталям топографии. В то же время при суммировании сигналов, регистрируемых детекторами, расположенными на диаметрально противоположных сторонах образца, нивелируется влияние деталей топографии и получается изображение, обусловленное в основном различиями атомных номеров элементов в образце.

Большего пространственного разрешения (около 10 нм) и большей глубины фокуса можно достичь, используя "вторичное" электронное изображение. Вторичные электроны испускаются

практически мгновенно из точки падения электронного пучка на образец, причем пространственное разрешение приблизительно равно ширине пучка. Однако, несмотря на очень малые размеры электронного пучка в СЭМ, пространственное разрешение при использовании первичных рентгеновских сигналов равно 1 - 2 мкм.

СЭМ используется аналогично обычному оптическому микроскопу и получаемые с их помощью изображения часто похожи. В то же время СЭМ может обеспечить изображения в очень большом интервале полезного увеличения, одновременно обладая существенно большей по сравнению с оптическим микроскопом глубиной резкости.

Термический анализ - общий термин, используемый для группы взаимосвязанных методов, позволяющих измерять изменение некоторого физического показателя - массы образца, линейных размеров, магнитной проницаемости или электропроводности при изменении температуры. Часто оказывается возможным одновременно проанализировать выделяющаяся газы или исследовать флюоресценцию, возникающую при нагревании образца.

Эти явления дают информацию относительно поглощения и выделения образцом влаги и других фаз. Они также указывают на протекание таких химических реакций, как разложение и окисление. Полиморфные переходы от одной кристаллической структуры к другой проявляются в виде экзотермических или эндотермических эффектов. Определяются также эффекты перекристаллизации и фазовых переходов (твердое вещество - жидкость - газ). Эти термические эффекты иногда оказываются настолько явными и характерными для того или иного вещества, что могут использоваться для определения его в сложном материале и даже для проведения количественной оценки его содержания. Ниже кратко описываются наиболее часто применяемые методики термического анализа.

Дифференциальный термический анализ (ДТА). Определяется разность температур между неизвестным образцом и инертным материалом образца сравнения, нагреваемыми или охлаждаемыми с одинаковой скоростью. Разность температур вызывается преимущественным выделением или поглощением теплоты исследуемым веществом.

Образцы исследуемого материала и инертного стандарта (типа оксида алюминия) нагреваются с контролируемой скоростью в одинаковой среде. Температура инертного материала будет при этом постепенно увеличиваться, в то же время скорость повышения температуры исследуемого материала, как правило, непостоянна. Разница температур (А/) двух материалов наносится на график в зависимости от времени или температуры инертного материала. Экзотермические реакции в исследуемом образце проявятся в виде положительных пиков, а эндотермические - отрицательных. Положение и величина пиков могут быть объяснены с позиции химических реакций или структурных переходов, происходящих в образце; например, такие явления, как десорбция, потеря структурной гидроксильной группы, разложение карбонатов и сульфатов, фазовые переходы, вызывают эндотермические эффекты. Окисление сульфидов или распад дефектных структур, так же как перекристаллизация минерала, дают экзотермические пики.

Термогравиметрический анализ (ТГА). Измеряются изменения массы образца при его нагревании (реже охлаждении) с постоянной скоростью в контролируемой атмосфере. Образец, находящийся на специальных весах, помещается в небольшую печь. Печь нагревается с постоянной скоростью, причем масса образца записывается на ленту.

Типичная термогравиметрическая кривая вначале проходит на одном уровне, что указывает на сохранение постоянной массы в течение определенного времени нагрева. Затем происходит быстрая потеря массы, проявляющаяся четкими ступенями на кривой. В идеале эти ступени должны быть острыми и четко разграниченными друг от друга в соответствии с температурами, при которых наблюдается серия отдельных эффектов.

Потери массы могут вызываться: удалением абсорбированной влаги; потерей гидроксильных групп; удалением летучих веществ (таких, как диоксид углерода при разложении карбонатов, оксид серы (III) при разложении сульфатов, оксид серы (II) при разложении сульфидов в окислительной атмосфере). Масса может увеличиваться при окислении компонентов образца.

Дата добавления: 2014-01-06