一種用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置製造方法
2023-12-10 05:11:56 1
一種用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置製造方法
【專利摘要】一種用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置，屬於固體樣品中元素分析【技術領域】。包括高壓電源、針體支撐臺、針體、樣品臺、腔體和工作氣體；高壓電源的電極分別接針體和樣品臺，針體支撐臺設於腔體上部且與腔體密封連接，樣品臺設於腔體下部且與腔體密封連接，針體穿過針體支撐臺伸入腔體，針體的針尖面對樣品臺表面，腔體內部為密封腔室，腔體設有工作氣體的進出口，工作氣體位於腔體的密封腔室內。可在從高真空到常壓的氣壓範圍內實現放電；可對固體樣品表面直接進行剝蝕，所產生的粒子可傳輸到其它激發源等，所形成等離子體也可直接作為激發源或離子源使用。可在壓力範圍為1×10-6～1×106Pa用於固體表面剝蝕。
【專利說明】—種用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於固體樣品中元素分析【技術領域】，涉及一種用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置。
【背景技術】
[0002]固體樣品中元素的分析在電子、冶金和半導體工業等領域具有極其重要的地位，固體樣品分析包括溶液法和固體直接分析法。與溶液法相比，固體直接分析法能節約大量的樣品製備時間，特別適用於難以溶解或含毒性強的固體樣品。目前用於固體直接採樣的方法主要是雷射法和放電法兩大類，雷射法作為一種燒蝕方法或激發(電離)方法有其獨特的優勢，但成本太高。相比於雷射法，放電方法裝置簡單，成本低廉。 [0003]放電指在電場作用下或用其他激活方式使物質被剝蝕及激發電離，放電的具體形式可由外界施加的電場參數決定，放電能使電極的表面物質被剝蝕而形成粒子，放電能作為激發源或離子源在於其形成等離子體。這种放電源可以應用於固體的分析檢測，其中電暈放電、火花放電、輝光放電尤為廣泛。電暈放電是一種微弱的放電，無法對固體樣品表面進行有效的剝蝕；火花放電與輝光放電對固體樣品表面進行剝蝕，但火花放電不穩定，傳統輝光放電只能在低真空下進行(Hang, W., ff.Walden and ff.Harrison (1996)."Microsecondpulsed glow discharge as an analytical spectroscopic source."Analyticalchemistry68 (7):1148-1152),在常壓下，除了部分特殊氣體外，一般在空氣、氧氣、氮氣、水蒸氣等通常只能產生不穩定的流柱放電、絲狀放電等，很難穩定地剝蝕固體表面及激發和電離剝蝕產生的粒子，因而使得其應用受到一定程度的限制。
[0004]簡單的放電裝置需要正負極電離工作氣體產生放電等離子體，進而使樣品達到激發和電離(Payling, R.，M.Aeberhard and D.Delfosse (2001)."Improved quantitativeanalysis of hard coatings by radiofrequency glow discharge optical emission spectrometry(rf-GD-0ES)."Journal of Analytical Atomic Spectrometryl6(I):50-55 ；Webb, M.R., V.Hoffmann and G.M.Hieftje(2006)."Surface elemental mapping usingglow discharge—optical emission spectrometry.^Spectrochimica Acta PartB:Atomic Spectroscopy61 (12): 1279-1284)。按正負極的結構分類,放電可分為平板放電和針尖放電。放電結構不同，其應用不同。平板放電對元素、有機物均可分析。相比於平板放電，針尖放電是在強電場的作用下，物體尖銳部分發生的一种放電現象。針尖放電區域小，可用於微區分析，但目前針尖放電只適用於分析有機物。對於在壓力範圍為1X10—6~IX IO6Pa,應用於固體樣品中元素分析的針尖放電裝置，尚未見報導。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種可在壓力範圍為I X Kr6~I X IO6Pa,用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置。
[0006]本發明包括高壓電源、針體支撐臺、針體、樣品臺、腔體和工作氣體；[0007]高壓電源的電極分別接針體和樣品臺，針體支撐臺設於腔體上部且與腔體密封連接，樣品臺設於腔體下部且與腔體密封連接，針體穿過針體支撐臺伸入腔體，針體的針尖面對樣品臺表面，腔體內部為密封腔室，腔體設有工作氣體的進口和出口，工作氣體位於腔體的密封腔室內。
[0008]所述高壓電源為電流、電壓分別可調的直流電源、脈衝電源或交流電源；所述直流電源的電壓可為0.5?50kV，電流可為0.01?50A ;所述交流電源的頻率可為IHz?500MHz,電壓可為0.5?50kV，電流可為0.01-50A ;所述脈衝電源的脈衝源佔空比調節值可為0.1%?99.9%，脈衝電壓可為0.5?50kV，脈衝電流可為0.01?50A。
[0009]所述針體支撐臺可為固定臺、三維移動臺或旋轉臺。針體支撐臺用於支撐針體。
[0010]所述針體可為金屬、半導體或其它導電材料，針體可為實心針體或空心針體，針體的尖端的直徑可為0.01?1000 μ m。
[0011]所述一種用於固體表面剝蝕電離的針尖放電裝置，其特徵在:所述工作氣體可為空氣、氮氣、氬氣、氦氣或氫氣，工作氣體壓力可為IX 10_6?IX 106Pa。
[0012]本發明的工作原理及有益效果如下:
[0013]本發明通過下述步驟實現對固體樣品的直接分析:
[0014]I)將固體樣品被置於樣品臺上，將高壓源的一端接至針體，樣品接至高壓源的另一端，將樣品表面趨近到與針體的針尖距離小於1000 μ m的距離；所述固體樣品可以是導體、半導體、非導體固體，或固體表面的液體殘渣、沉積物等。
[0015]2)接通電源後，針體的針尖與樣品表面產生放電並形成等離子體，使得樣品表面被剝蝕，剝蝕產生的粒子被部分激發和電離；由於等離子體對放電電極兩端均有一定程度的剝蝕，針體和樣品接入高壓源的電極可以互換；
[0016]3)剝蝕產生的粒子可以通過工作氣體的傳輸到達其它裝置(如其他激發源、電離源等)進行利用；針尖與樣品表面產生放電所形成等離子體也可以直接作為激發源或離子源進行使用。
[0017]在高電壓的作用下，針尖與樣品表面之間的氣體被擊穿，產生的大量電子和正離子分別向相反的方向加速，大量的電子與工作氣體頻繁碰撞使部分氣體被激發電離，電離的氣體離子與正離子則在高電壓的驅使下撞擊樣品使樣品發生剝蝕並且產生二次電子，進而形成穩定的放電等離子體；剝蝕產生的粒子可以通過工作氣體的傳輸到達其它裝置(如其他激發源、電離源等)進行利用，所形成等離子體也可以直接作為激發源或離子源進行使用。
[0018]本發明的突出優點在於:1)此針尖放電裝置可在從高真空到常壓的氣壓範圍內實現放電；2)此針尖放電裝置可以對固體樣品表面直接進行剝蝕，所產生的粒子可以傳輸到其它激發(電離)源等，所形成等離子體也可以直接作為激發源或離子源進行使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明實施例的結構示意圖。
[0020]圖2為本發明實施例經過3分鐘放電後，得到直徑約為500 μ m的彈坑電鏡圖。
[0021]圖3為本發明實施例工作時，在針尖放電過程中電壓和電流的變化特性。在圖3中，曲線a代表電流，曲線b代表電壓；圖3的橫坐標為時間(μ S)，縱坐標為電流信號(A)和電壓信號(V)。
[0022]圖4為本發明實施例工作時，放電裝置作為剝蝕源與電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)聯用，對剝蝕信號穩定性研究的曲線。在圖4中，曲線a，b，c，d分別代表的元素:98Mo7120Sn, Co747Ti0圖4的橫坐標為時間(S)，縱坐標為信號(cps)。
[0023]圖5是美國國家標準局(NIST)1761、1762、1763、1764、1765、1766系列不鏽鋼樣品中47Ti元素的線性關係圖。圖5的橫坐標為濃度(g.g—1)，縱坐標為信號(cps)。
[0024]圖6是美國國家標準局(NIST)1761、1762、1763、1764、1765、1766系列不鏽鋼樣品中Co元素的線性關係圖。圖6的橫坐標為濃度(g.g—1)，縱坐標為信號(cps)。
[0025]圖7是美國國家標準局(NIST)1761、1762、1763、1764、1765、1766系列不鏽鋼樣品中98Mo元素的線性關係圖。圖7的橫坐標為濃度(g.g—1)，縱坐標為信號(cps)。
[0026]圖8是美國國家標準局(NIST)1761、1762、1763、1764、1765、1766系列不鏽鋼樣品中12°Sn元素的線性關係圖。圖8的橫坐標為濃度(g.g—1)，縱坐標為信號(cps)。
【具體實施方式】
[0027]參見圖1，本發明實施例包括高壓電源I (脈衝電源)、針體支撐臺2、針體3、樣品臺4、腔體5和工作氣體。
[0028]高壓電源I的電極分別接針體3和樣品臺4，針體支撐臺2設於腔體5上部且與腔體5密封連接，樣品臺4設於腔體5下部且與腔體5密封連接，針體3穿過針體支撐臺2伸入腔體5，針體3的針尖面對樣品臺4表面，腔體5內部為密封腔室，腔體5設有工作氣體的進口 51和出口 52，箭頭表示進氣方向。工作氣體位於腔體5的密封腔室內，工作氣體為氮氣。圖1中標記P為固體樣品，樣品為不鏽鋼SRM1761。
[0029]針尖放電裝置實驗參數:
[0030]針體(針尖)接脈衝電壓(脈衝頻率:1kHz，脈寬:4 μ S，脈衝電壓幅值:1.2kV)，樣品接地，放電電流峰值:2.5A，工作氣體(氮氣)流量:50mL/min ；
[0031]電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)實驗參數:射頻功率:1350W，載氣(氬氣):1.0L/min,採樣距離:7.0mm。
[0032]在常壓氮氣氛圍中，利用該針尖放電裝置對固體樣品的剝蝕性能進行研究，固體樣品為不鏽鋼SRM1761。經過3分鐘的放電後得到直徑約為500 μ m的彈坑電鏡圖(如圖2所示)。其中放電剝蝕有效部分的直徑為120 μ m，深度為20 μ m。這一放電過程中的電壓電流圖如圖3所示，其中曲線a代表電流變化圖，曲線b代表電壓變化圖。將這一針尖放電裝置作為剝蝕源與電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)聯用，剝蝕源的出口通過聚四氟乙烯管(內徑:4_，外徑:6_)與電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)的載氣(氬氣)相混合進入矩管中心，進一步電離並分析得到實驗結果圖(如圖4所示)，採用樣品SRM1761中98Mo, 12°Sn，Co，47Ti四種元素作為代表，對放電產生的信號穩定性進行考察，經計算得到的各個元素的信號變化的相對標準偏差小於10%。如圖4所示，曲線a，b，c，d分別代表的元素為:98Mo，12°Sn，Co747Ti。利用這一裝置對美國國家標準局(NIST)1761、1762、1763、1764、1765、1766系列不鏽鋼樣品中元素進行半定量分析，得到良好的線性關係，圖5、圖6、圖7、圖8分別代表元素47Ti, Co,98Mo, 120Sn的線性圖。由此說明該技術對固體樣品中元素直接分析的可行性。
【權利要求】
1.一種用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置，其特徵在於，包括高壓電源、針體支撐臺、針體、樣品臺、腔體和工作氣體； 高壓電源的電極分別接針體和樣品臺，針體支撐臺設於腔體上部且與腔體密封連接，樣品臺設於腔體下部且與腔體密封連接，針體穿過針體支撐臺伸入腔體，針體的針尖面對樣品臺表面，腔體內部為密封腔室，腔體設有工作氣體的進口和出口，工作氣體位於腔體的密封腔室內。
2.如權利要求1所述一種用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置，其特徵在於，所述高壓電源為電流、電壓分別可調的直流電源、脈衝電源或交流電源；所述直流電源的電壓為0.5?50kV，電流為0.0l?50A ;所述交流電源的頻率為IHz?500MHz，電壓為0.5?50kV，電流為0.01?50A ;所述脈衝電源的脈衝源佔空比調節值為0.1%?99.9%，脈衝電壓為0.5?50kV，脈衝電流為0.01?50A。
3.如權利要求1所述一種用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置，其特徵在於，所述針體支撐臺為固定臺、三維移動臺或旋轉臺。
4.如權利要求1所述一種用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置，其特徵在於，所述針體為金屬、半導體或其它導電材料，針體為實心針體或空心針體，針體的尖端的直徑為0.01 ?1000 μ m。
5.如權利要求1所述一種用於固體表面剝蝕的針尖放電裝置，其特徵在於，所述工作氣體為空氣、氮氣、氬氣、氦氣或氫氣，工作氣體壓力為1X10_6?lX106Pa。
【文檔編號】G01N27/68GK103760221SQ201410051467
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月14日 優先權日:2014年2月14日
【發明者】杭緯, 李衛峰, 林一明 申請人:廈門大學