Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород
На примере отработки методики рентгеновского микроанализа геологических объектов (кизерит, импактит) и искусственных материалов (оптоволокно) рассмотрены общие подходы при исследовании образцов, нестабильных под электронным зондом. На прикладі відпрацювання методики рентгенівського мікроаналіз...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Збірник наукових праць Інституту геологічних наук НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геологічних наук НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59466 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород / В.В. Пермяков // Зб. наук. пр. Інституту геологічних наук НАН України. — 2010. — Вип. 3. — С. 332-337. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59466 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Пермяков, В.В. 2014-04-08T17:53:43Z 2014-04-08T17:53:43Z 2010 Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород / В.В. Пермяков // Зб. наук. пр. Інституту геологічних наук НАН України. — 2010. — Вип. 3. — С. 332-337. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. XXXX-0025 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59466 552.082:[543.422.8:537.533.35] На примере отработки методики рентгеновского микроанализа геологических объектов (кизерит, импактит) и искусственных материалов (оптоволокно) рассмотрены общие подходы при исследовании образцов, нестабильных под электронным зондом. На прикладі відпрацювання методики рентгенівського мікроаналізу геологічних об’єктів (кізерит, імпактит) і штучних матеріалів (оптоволокно) розглянуті загальні підходи при дослідженні зразків, нестабільних під електронним зондом. The main approaches for investigation of samples, unstable under electron beam, have been considered at exhample of x-ray microanalysis methodology development of geological (kieserite, impact structure) and synthetic samples (amorphous glass). ru Інститут геологічних наук НАН України Збірник наукових праць Інституту геологічних наук НАН України Корисні копалини осадових басейнів; сучасні методи літологічних досліджень Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород Electron-probe microanalysis methodology for water sulphat magnesium and amorphous phase of impact rock Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород |
| spellingShingle |
Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород Пермяков, В.В. Корисні копалини осадових басейнів; сучасні методи літологічних досліджень |
| title_short |
Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород |
| title_full |
Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород |
| title_fullStr |
Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород |
| title_full_unstemmed |
Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород |
| title_sort |
методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород |
| author |
Пермяков, В.В. |
| author_facet |
Пермяков, В.В. |
| topic |
Корисні копалини осадових басейнів; сучасні методи літологічних досліджень |
| topic_facet |
Корисні копалини осадових басейнів; сучасні методи літологічних досліджень |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Збірник наукових праць Інституту геологічних наук НАН України |
| publisher |
Інститут геологічних наук НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Electron-probe microanalysis methodology for water sulphat magnesium and amorphous phase of impact rock |
| description |
На примере отработки методики рентгеновского микроанализа геологических объектов (кизерит, импактит) и
искусственных материалов (оптоволокно) рассмотрены общие подходы при исследовании образцов, нестабильных
под электронным зондом.
На прикладі відпрацювання методики рентгенівського мікроаналізу геологічних об’єктів (кізерит, імпактит) і штучних
матеріалів (оптоволокно) розглянуті загальні підходи при дослідженні зразків, нестабільних під електронним зондом.
The main approaches for investigation of samples, unstable under electron beam, have been considered at exhample of
x-ray microanalysis methodology development of geological (kieserite, impact structure) and synthetic samples (amorphous
glass).
|
| issn |
XXXX-0025 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59466 |
| citation_txt |
Методика рентгеновского микроанализа водных сульфатов магния и аморфной фазы импактных пород / В.В. Пермяков // Зб. наук. пр. Інституту геологічних наук НАН України. — 2010. — Вип. 3. — С. 332-337. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT permâkovvv metodikarentgenovskogomikroanalizavodnyhsulʹfatovmagniâiamorfnoifazyimpaktnyhporod AT permâkovvv electronprobemicroanalysismethodologyforwatersulphatmagnesiumandamorphousphaseofimpactrock |
| first_indexed |
2025-11-25T20:20:30Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:20:30Z |
| _version_ |
1850522867052052480 |
| fulltext |
ColleCtion of sCientifiC works of the iGs nAs of UkrAine. Vol. 3. 2010332
КОРИСНІ КОПАЛИНИ ОСАДОВИХ БАСЕЙНІВ;
СУЧАСНІ МЕТОДИ ЛІТОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ /
ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ ОСАДОЧНЫХ БАССЕЙНОВ;
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ЛИТОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
© В.В. Пермяков, 2010
УДК 552.082:[543.422.8:537.533.35]
В.В. Пермяков
Методика рентгеноВского Микроанализа Водных сульфатоВ Магния и
аМорфной фазы иМПактных Пород
V.V. Permyakov
ElEctron-ProbE microanalysis mEthodology for watEr sulPhat magnEsium and
amorPhous PhasE of imPact rock
На прикладі відпрацювання методики рентгенівського мікроаналізу геологічних об’єктів (кізерит, імпактит) і штучних
матеріалів (оптоволокно) розглянуті загальні підходи при дослідженні зразків, нестабільних під електронним зондом.
Ключові слова: кізерит, імпактит, електронно-зондовий мікроаналіз.
На примере отработки методики рентгеновского микроанализа геологических объектов (кизерит, импактит) и
искусственных материалов (оптоволокно) рассмотрены общие подходы при исследовании образцов, нестабильных
под электронным зондом.
Ключевые слова: кизерит, импактит, электронно-зондовый микроанализ.
The main approaches for investigation of samples, unstable under electron beam, have been considered at exhample of
x-ray microanalysis methodology development of geological (kieserite, impact structure) and synthetic samples (amorphous
glass)
Keywords: kieserite, impactit, electron-probe microanalysis.
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании геологических образований
(каменной и калийной солей, импактитов и др.),
в которых легкие (щелочные) элементы являют-
ся макроэлементами или важными примесями,
получение точного количественного анализа
необходимо для определения и интерпретации
их минерального состава.
В рентгеновском микроанализе (РМА) для
получения характеристического рентгеновско-
го излучения используются очень низкие токи
электронного зонда, как правило, единицы
нА. Большая часть энергии электронного зон-
да превращается в тепло в зоне возбуждения
и измеряется несколькими мВт. Однако, учи-
тывая размер зоны рассеивания — меньше 1
мкм, плотность тепловой энергии достаточно
высока и при низкой теплопроводности образ-
ца приводит к значительному локальному по-
вышению температуры и разрушению образца.
Температурный градиент в зоне анализа оце-
нивается выражением:
∆T = 4,8E
0
*I / (k*d), [1],
где E
0
— энергия падающего электрона
(кэВ); I — ток зонда (мкА); k — теплопровод-
ность образца (Вт*см-1*К-1); d — диаметр пучка
(мкм). Многие геологические образцы облада-
ют низкой теплопроводностью и температура в
зоне анализа может значительно возрастать.
Например, для слюды с k = 6 · 10-3 рассчитан-
ный рост температурного градиента составляет
160 К при Е
0
= 20 кэВ, I = 10 нА и d = 1 мкм [1].
Кроме того, в образцах с низкой электро-
проводностью под действием электростатичес-
ких полей, наведенных электронным зондом,
происходит миграция из точки анализа ионов
Nа+ і К+. В 1993 г. Stoner, Pierson и Tacker [2]
обнаружили дрейф интенсивности линии F Kά
в вакууме при анализе апатитов, зависящий
от ориентации кристалла, что объясняется ани-
зотропной диффузией F к поверхности и выхо-
дом газообразного F в вакуум при длительном
наборе импульсов. Подобным образом, но не
так ярко выражено, ведут себя Сl и P.
Указанные процессы при проведении РМА
приводят к снижению точности полученных
результатов. Достаточно известны пути сни-
жения этих эффектов: увеличение толщины
напыления слоя проводников на исследуемый
образец [3] с последующей коррекцией на на-
пыление [4], уменьшение тока пучка, расфоку-
сировка пучка и его разворачивание в растр,
Збірник наукових праць інституту геологічних наук нан україни. вип. 3. 2010 333
МЕТОДИКА РЕНТГЕНОВСКОГО МИКРОАНАЛИЗА ВОДНЫХ СУЛЬфАТОВ МАГНИя И АМОРфНОЙ фАЗЫ...
охлаждение образца [5]. В некоторых случаях
для снижения дрейфа щелочей используют по-
вышение ускоряющего напряжения [6]. Все эти
способы устранения артефактов при проведе-
нии РМА имеют ряд ограничений, связанных
как со спецификой исследуемого образца, так
и с аппаратурными ограничениями. Поэтому,
при исследовании каждого конкретного типа
образцов необходимо отрабатывать методику
РМА, включая их пробоподготовку. Целью на-
стоящей работы является отработка методики
РМА минералов класса водных сульфатов и
аморфной матрицы импактных пород без раз-
рушения исследуемых образцов и для получе-
ния достоверных количественных результатов.
МЕТОДИКА РМА ВОДНЫХ СУЛЬФАТОВ
В лаборатории физических методов иссле-
дований ИГН НАН Украины при изучении
нерастворимых остатков солей выполнялись
исследования кристаллов минералов клас-
са водных сульфатов с помощью скани-
рующего электронного микроскопа JEOL
JSM-6490 LV с вольфрамовым катодом и
энергодисперсионной приставки INCA х-act с
аналитическим кремнийдрейфовым датчиком
(ADD). После предварительно проведенного
качественного анализа (рис. 1), определения
основных макроэлементов (Mg, S, O), настройки
микроскопа и энергодисперсионного анализа-
тора было обнаружено существенное термичес-
кое разрушение кристаллов под электронным
зондом, даже при минимальных значениях вре-
мени набора спектра (рис. 2).
Кроме того, при проведении рентгеновско-
го картирования зоны анализа в ней была об-
наружена повышенная концентрация Mg и O,
что, вероятно, объясняется миграцией ионов F
Рис. 1. Общий вид исследуемого образца
а — электронномикроскопическое изображение кристалла фтор-содержащего кизерита; б — рентгеновский спектр
кристалла, определяющий его качественный состав
Рис. 2. Локальное разрушение кристалла в зоне проведения анализа
а — электронномикроскопическое изображение поверхности кристалла до проведения рентгеновского микроанали-
за; б — электронномикроскопическое изображение той же поверхности кристалла после проведения рентгеновского
микроанализа (сетка из 9 точек)
ColleCtion of sCientifiC works of the iGs nAs of UkrAine. Vol. 3. 2010334
В.В. ПЕРМяКОВ
из зоны анализа и дальнейшей откачкой газо-
образного F вакуумной системой микроскопа
(рис. 3). Кроме того, изменение концентрации
может вызываться разрушением проводящего
покрытия в зоне анализа. Более корректное
объяснение неоднородного распределения О и
Mg (а также и F) при проведении анализа нуж-
дается в дальнейшем исследовании.
Для устранения термического разрушения
образца, а также изменения концентраций эле-
ментов при проведении анализа, был использо-
ван метод разворачивания электронного зон-
да при наборе спектра. Здесь следует отметить,
что развертка зонда на площадь определенно-
го размера допустима лишь при соблюдении
следующих условий. Во-первых, исследуемый
образец изотропен в пределах площади раз-
вертки, и, во-вторых, размеры образца превы-
шают зону развертки. Эти обстоятельства огра-
ничивают область применения такого приема.
Поэтому основной целью отработки методики
было определение минимального размера рас-
тра при соблюдении оптимальных при наборе
спектра параметров энергодисперсионного
спектрометра — тока пучка и «мертвого вре-
мени». Для этого был проведен ряд экспери-
ментов. В диапазоне применимых для данного
химического состава ускоряющих напряжений
(с шагом 5 кВ), для каждой его величины про-
водился набор спектра и количественный ана-
лиз с постепенным дискретным уменьшением
площади растра вплоть до начала разрушения
образца. При этом контролировалась воспро-
изводимость результатов количественного ана-
лиза (рис. 4). Среднеквадратическая ошибка —
0,89 вес. %. Коэффициент вариации — 0,91%.
Обработка результатов экспериментов поз-
волила выявить критический для разрушения
образца параметр — плотность тока ј, т.е. от-
ношение тока пучка к площади поверхности
растра. Для всего диапазона ускоряющих на-
пряжений (7–25 кВ) разрушение образца и
искажение результата количественного анали-
за наступало при одинаковом пороговом зна-
Рис. 3. Локальные изменения химического состава в зоне проведения анализа
а — электронномикроскопическое изображение поверхности кристалла, поврежденной при точечном анализе и ли-
нейном картировании; б — карта распределения кислорода на поврежденной зоне; в — карта распределения магния
на поврежденной зоне
Рис. 4. Результаты РМА (кристалл кизерита)
а — спектры исследуемого образца при последовательном уменьшении площади растра от 320 до 10 мкм2 (ускоряю-
щее напряжение 10 кВ); б — результат количественного анализа спектров 3–12.
Збірник наукових праць інституту геологічних наук нан україни. вип. 3. 2010 335
МЕТОДИКА РЕНТГЕНОВСКОГО МИКРОАНАЛИЗА ВОДНЫХ СУЛЬфАТОВ МАГНИя И АМОРфНОЙ фАЗЫ...
чении (для данного образца) плотности тока
ј = 0,1 нА/мкм2. Таким образом, механическая
деструкция материала исследуемого образца
определяется, как уже отмечалось, высоким
градиентом температур в зоне анализа, про-
порциональным энергии, передаваемой элект-
ронным зондом образцу. Деструкция имеет по-
роговый характер и независимость порогового
значения плотности тока от ускоряющего на-
пряжения объясняется следующим обстоятель-
ством. При уменьшении ускоряющего напряже-
ния с 25 до 7 кВ для сохранения оптимальной
скорости счета импульсов ток пучка увеличи-
вался с 1,45 до 5,1 нА, что и определило пос-
тоянство порогового значения плотности тока
при изменении ускоряющего напряжения.
МЕТОДИКА РМА ИМПАКТНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
При исследовании импактитов (полевые шпаты
и пироксены в стеклянной аморфной матрице)
было выявлено снижение интенсивности в точ-
ке анализа К-линий К+ в 3 раза и Nа+ в 1,5 раза
(рис. 5).
Для снижения дрейфа ионов К+ и Nа+ иссле-
довались зависимости дрейфа от параметров
проведения рентгеновского микроанализа. Из-
начально естественно было предположить, что
скорость дрейфа тем выше, чем больше мощ-
ность электронного зонда и время его воздейс-
твия, и чем меньше зона возбуждения. После
определения соответствующих качественному
составу образца (Si, O, Fe, Ti, K, Na, Al) ускоряю-
щего напряжения и тока пучка, были проведе-
ны исследования зависимости количественно-
го анализа от времени набора спектра (рис. 6).
Как видно из таблицы (рис. 6, б), прослежи-
вается четкая зависимость — при увеличении
времени воздействия зонда на образец сни-
жается содержание К и Na. Дополнительно на-
бранный спектр 10 с разверткой зонда в растр
продемонстрировал снижение дрейфа вследс-
твие уменьшения удельной мощности зонда на
единицу поверхности образца, что по влиянию
на дрейф К и Na равнозначно снижению вре-
мени набора спектра. Таким образом, для по-
вышения точности количественного анализа
мигрирующих элементов необходимо снижать
энергию, «закачанную» в единицу объема зоны
возбуждения (генерации рентгеновского из-
лучения). Учитывая весьма ограниченные воз-
можности вариации ускоряющего напряжения
и тока пучка (условиями оптимальных режимов
набора спектра), пути снижения дрейфа ионов
К+ и Nа+ это: расфокусировка пучка, развора-
Рис. 5. Распределение интенсивности К линий К+ и
Na+ в зоне проведения точечного анализа
Рис. 6. Зависимость результатов анализа от времени воздействия зонда
а — расположение точек и зоны анализа на поверхности образца; б — результаты количественного анализа при из-
менении времени набора спектра
ColleCtion of sCientifiC works of the iGs nAs of UkrAine. Vol. 3. 2010336
В.В. ПЕРМяКОВ
чивание электронного зонда в растр и сниже-
ние времени набора спектра. Последнее огра-
ничено конечной скоростью работы датчика
спектрометра. Для реализации этих методик, а
также для сравнительной оценки их эффектив-
ности были выполнены следующие измерения.
На поверхности исследуемого образца в одной
зоне были набраны 4 спектра: спектр 1 — то-
чечный анализ; спектр 2 — точечный анализ с
расфокусировкой пучка; спектр 3 — анализ с
разверткой зонда в растр; спектр 4 — анализ
с разверткой зонда в растр с одновременной
расфокусировкой пучка. Результаты измере-
ний представлены на рис. 7.
Как видно из таблицы (рис. 7, б), расфоку-
сировка и растрирование пучка позволяют
снизить эффект дрейфа ионов К+ и Nа+. Одна-
ко, максимальный эффект достигнут при одно-
временной расфокусировке и растрировании
пучка — количественный результат спектра 4.
Наглядно качественный результат иллюстри-
руется электронномикроскопическим изобра-
жением зоны проведения анализов в режиме
отраженных электронов (рис. 8).
Отличительной особенностью этого изобра-
жения является то, что видимый оптический
контраст определяется химическим составом
образца. Более светлые зоны (зоны набора
спектров 1, 2, 3) обеднены легкими К и Na, в
то время как зона набора спектра 4 неотличи-
ма от фона, т.е. в ней существенно (в пределах
разрешения микроскопа в режиме отраженных
электронов) снизился дрейф ионов К+ и Nа+.
МЕТОДИКА РМА ОПТОВОЛОКНА
Проблемы нестабильности исследуемых об-
разцов под электронным зондом возникают не
только при работе с геологическими объектами,
но и в случаях исследования искусственных
объектов. При исследовании морфологии и хи-
мического состава нанообъектов выращенных
на поверхности оптоволокна диаметром 200
мкм в Институте общей и неорганической химии
НАН Украины, наблюдалось оплавление волок-
на, вплоть до полного его разрушения. Разру-
шение образца удалось полностью устранить,
сохранив при этом возможность выявления
нанообъектов с размерами от 50 нм (рис. 9,
10), применением многослойного углеродного
напыления с суммарной толщиной 50 нм.
Дискретное послойное напыление с проме-
жуточным охлаждением образцов было приме-
нено в связи с тем, что тонкие волокна (аморф-
ный SiO
2
), расположенные на металлическом
предметном столике при длительном термичес-
ком напылении перегревались и теряли свою
форму.
Рис. 7. Зависимость результатов анализа от режима работы зонда
а — расположение зон набора спектров на образце; б — результаты количественного анализа спектров 1–4
Рис. 8. Изображение зоны анализов в режиме
отраженных электронов
Збірник наукових праць інституту геологічних наук нан україни. вип. 3. 2010 337
МЕТОДИКА РЕНТГЕНОВСКОГО МИКРОАНАЛИЗА ВОДНЫХ СУЛЬфАТОВ МАГНИя И АМОРфНОЙ фАЗЫ...
ВЫВОДЫ
Таким образом, электронномикроскопические
исследования и рентгеновский микроанализ
любых объектов, в том числе и геологических,
которые локально изменяют свои физико-
химические свойства, требуют отработки ме-
тодики исследования под каждый конкретный
объект и цель его исследования. Основной за-
дачей при разработке этих методик является
определение таких параметров проведения
рентгеновского микроанализа, при которых
соблюдается динамический баланс между
энергией получаемой исследуемым образцом
и энергией рассеиваемой зоной возбуждения.
Достижение этого равновесия позволяет из-
бежать высоких температурных градиентов и
локальных электростатических полей, приводя-
щих к изменению физико-химических свойств
исследуемого образца.
Автор выражает благодарность доктору
геол.-мин. наук Е.П. Гурову за возможность ис-
пользования образцов импактных пород для
разработки представленной методики.
Рид С.Дж.Б.1. Электронно-зондовый микроанализ и
растровая электронная микроскопия в геологии Мо-
сква: Техносфера, 2008. — 232 с.
Stormer J.C., Pierson M.L., Tacker R.C.2. Variation of F and
Cl X-ray intensity due to anisotropic diffusion in apatite
during electron microprobe analysis // Amer. Mineral. —
1993. — Vol. 78. — P. 641–648.
Smith D.G.W., Leibowitz D. 3. Mindent: a database for
minerals and comрuter program for their identification
// Canad. Mineral. — 1986. — Vol. 24. — P. 695.
Willich I., Obertop D.4. Quantitative EPMA of ultra-light
elements in non-conducting materials // In. Proc. 12th
ICXOM, (Krakow: Academy of Mining Metalurgy). —
1990. — P. 100–103.
Ayora C., Fontarnan R.5. X-ray microanalysis of frozen
fluid inclusions // Chem. Geol. — 1990. — Vol. 89. —
P. 133–148.
Goodhew P.J., Gulley J.E.C.6. (1975) The determination of
alkali in glasses by electron microprobe analysis // Glass
Technol. — 1975. — Vol. 15. — P. 123–126.
Институт геологических наук НАН Украины, Киев
Рецензент — канд. геол.-минерал. наук С.Б. Шехунова
Рис. 9. Нанообъект на поверхности оптоволокна.
а — рост полиметаллических нанообъектов на поверхности оптоволокна; б — суммарный спектр зоны роста
нанообъекта
Рис. 10. Нанообъект на острие оптоволокна
а — электронномикроскопическое изображение; б — точечный анализ нанообъекта
|