ГОСТ Р 8.698-2010
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственная система обеспечения единства измерений
РАЗМЕРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАНОЧАСТИЦ И ТОНКИХ ПЛЕНОК
Методика выполнения измерений с помощью малоуглового рентгеновского дифрактометра
State system for ensuring the uniformity of measurements. Dimensional parameters of nanoparticles and thin films. Methods for measurement by means of a small angle X-ray scattering difractometer
ОКС 17.040.01
Дата введения 2010-09-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Открытым акционерным обществом "Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума", Федеральным государственным учреждением "Российский научный центр "Курчатовский институт", Государственным учреждением Российской академии наук "Институт кристаллографии им.А.В.Шубникова" и Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 441 "Нанотехнологии и наноматериалы"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 10 февраля 2010 г. N 12-ст
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Март 2019 г.
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает методику выполнения следующих измерений с помощью автоматического рентгеновского малоуглового дифрактометра:
- максимальных размеров и электронных радиусов инерции наночастиц в монодисперсных системах в диапазоне от 1 до 100 нм;
- распределения наночастиц по размерам в полидисперсных системах в диапазоне от 1 до 100 нм;
- общей толщины и размера периода повторения слоев в многослойных пленках толщиной от 1 до 100 нм.
Настоящий стандарт распространяется на:
- материалы, содержащие системы наночастиц со среднеарифметическим расстоянием между ними не менее 10 максимальных линейных размеров (далее - разбавленные системы наночастиц), с однородной электронной плотностью, большей или меньшей электронной плотности окружающей их среды;
- многослойные пленки с известным числом одинаковых групп слоев, изготовленные на твердых плоских подложках.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны
ГОСТ 12.1.045-84 Система стандартов безопасности труда. Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены термины по РМГ 29 [1], а также следующие термины с соответствующими определениями^
3.1 наночастица: Частица, линейные размеры которой по каждому из трех измерений более 1 и менее 100 нм.
3.2 монодисперсная система (наночастиц): Система, содержащая наночастицы с примерно одинаковыми эффективными радиусами.
Примечание - Характерный разброс значений эффективных радиусов наночастиц в монодисперсной системе не более 10% их среднеарифметического значения.
3.3 полидисперсная система (наночастиц): Система, содержащая наночастицы с разными эффективными радиусами.
3.4 электронный радиус инерции наночастиц: Величина с размерностью длины, характеризующая распределение электронной плотности в наночастице и усредненная по системе наночастиц.
3.5 эффективный радиус наночастицы: Радиус сферической частицы, объем которой равен объему наночастицы.
3.6 толщина пленки: Кратчайшее расстояние между нижней и верхней поверхностями плоскопараллельной пленки.
3.7 период повторения (слоев в многослойных пленках): Расстояние между периодически повторяющимися одинаковыми группами слоев вдоль направления, перпендикулярного к поверхности пленки.
Примечание - Группа слоев в многослойных пленках представляет собой совокупность последовательных слоев одинаковой или различной толщины, соседние из которых различаются по химическому составу (электронной плотности). Периодическое повторение групп слоев образует пленку. Характерный диапазон значений периода повторяемости, измеряемого с помощью малоуглового дифрактометра, составляет от 0,5 до 100 нм.
3.8 электронная плотность (вещества): Число электронов в единице объема вещества.
Примечание - Упругое рассеяние рентгеновских лучей происходит на всех электронах вещества. Таким образом, электронная плотность представляет собой плотность центров рассеяния рентгеновских лучей.
3.9 малоугловой рентгеновский дифрактометр (дифрактометр): Прибор, предназначенный для измерения интенсивности рассеянного рентгеновского излучения, проходящего через образец, при малых значениях углов рассеяния.
Примечание - Рекомендуемый диапазон углов рассеяния для длины волны рентгеновского излучения 0,154 нм составляет от 0,1° до 3,5° и соответствует возможности определения размеров рассеивающих неоднородностей в диапазоне от 44,0 до 1,3 нм. В общем случае пределы углов рассеяния устанавливают с учетом особенности конструкции дифрактометра, длины волны используемого рентгеновского излучения и требуемых границ определяемых размеров неоднородностей в образце.
3.10 линейный позиционно-чувствительный детектор: Электронное устройство, выходной сигнал которого пропорционален интенсивности излучения, рассеянного или отраженного от образца в определенный угол рассеяния, и регистрируется одновременно для всех значений углов рассеяния в установленном диапазоне.
3.11 первичный пучок (рентгеновского излучения): Пучок рентгеновского излучения, падающий на образец после прохождения монохроматора и коллиматора.
3.12 блок монохромации рентгеновского дифрактометра (монохроматор): Устройство, ограничивающее частотный спектр рентгеновского излучения так, что доля выбранной компоненты излучения с длинами волн от 0,99
3.13 коллиматор: Устройство, предназначенное для пространственного ограничения и задания геометрических параметров пучка рентгеновского излучения с помощью системы щелей, формирующее нерасходящийся первичный пучок с малым поперечным сечением.
Примечание - В лабораторных малоугловых дифрактометрах, как правило, применяют коллиматоры, формирующие первичный пучок высотой не более 0,2 мм и шириной не более 10 мм. При этом регистрация рассеянного рентгеновского излучения осуществляется в вертикальной плоскости. Согласно принятой в оптических схемах терминологии "высота" пучка соответствует большему размеру, а "ширина" - меньшему.
3.14 кривая (интенсивности) рассеяния: Зависимость отношения интенсивности упруго рассеянного излучения от образца или отражения от поверхности пленки к интенсивности падающего излучения, представленная в виде графика зависимости данного отношения от угла рассеяния или модуля вектора рассеяния.
Примечание - Интенсивность зеркального отражения измеряется в направлении отражения под тем же углом к плоскости образца, что и угол падения рентгеновского пучка на плоскость образца.
3.15 угол рассеяния: Угол между направлением распространения рассеянного образцом рентгеновского излучения и направлением первичного пучка.
3.16 вектор рассеяния: Разность между волновыми векторами первичного и рассеянного излучения.
Примечание - Модуль вектора рассеяния определяют по формуле
где
3.17 волновой вектор: Вектор, направление которого совпадает с направлением распространения бегущей волны, при этом модуль волнового вектора равен волновому числу.
3.18 волновое число: Число, связанное с длиной волны
Примечание - Значение числа
3.19 угол скольжения: Угол между направлением распространения падающего на поверхность рентгеновского излучения и его проекцией на эту поверхность.
Примечание - Для зеркального отражения от поверхности образца угол скольжения равен половине угла рассеяния.
3.20 шум (интенсивности рассеяния): Беспорядочные колебания интенсивности рентгеновского излучения, вызванные шумами регистрирующего устройства и статистикой счета квантов рентгеновского излучения.
3.21 отношение сигнал - шум: Отношение интенсивности полезного сигнала к интенсивности беспорядочных колебаний интенсивности излучения, вызванных шумами регистрирующего устройства и случайной погрешностью счета квантов рентгеновского излучения.
3.22 угловое разрешение детектора: Минимальное угловое расстояние между отсчетами линейного позиционно-чувствительного детектора, на которых сигналы рентгеновского излучения могут быть зафиксированы как независимые.
3.23 измерение в режиме "на прохождение": Способ регистрации детектором угловой зависимости интенсивности рассеянного рентгеновского излучения после его прохождения сквозь образец.
3.24 измерение в режиме "на отражение от поверхности": Способ регистрации детектором угловой зависимости интенсивности рентгеновского излучения, отраженного от поверхности образца тонкой пленки под углом, равным углу скольжения, и лежащего в плоскости отражения.
3.25 когерентное рассеяние: Рассеяние электромагнитных волн без изменения длины волны и фазы.
Примечание - Фаза упруго рассеянной рентгеновской волны меняется на 180° относительно падающей волны.
3.26 форм-фактор наночастицы: Интенсивность (или амплитуда) рассеяния рентгеновского излучения частицей заданной формы.
3.27 межчастичная интерференция: Результат сложения амплитуд рентгеновского излучения, рассеянного на разных частицах.
Примечание - Межчастичная интерференция проявляет себя в виде визуально заметного "провала" при малых углах на кривой рассеяния рентгеновского излучения. Нежелательный вклад в рассеяние межчастичной интерференции нейтрализуют путем уменьшения концентрации наночастиц, то есть приготовлением разбавленной системы наночастиц.
3.28 брегговские пики: Интерференционные максимумы на кривой интенсивности отражения при когерентном рассеянии рентгеновских лучей от межслоевых границ в поперечном сечении пленки.
Примечание - Угловое положение
где
Номера пикам присваивают в порядке возрастания значений
3.29 осцилляции Киссига: Совокупность интерференционных максимумов на кривой интенсивности отражения при когерентном рассеянии рентгеновских лучей от верхней и нижней границ пленки.
Примечание - Осцилляции Киссига представляют собой совокупность эквидистантных максимумов небольшой интенсивности, расположенных между высокоинтенсивными брегговскими пиками.
3.30 функция распределения по расстояниям (внутри однородной наночастицы): Функциональная зависимость
Примечание - При вычислении функции распределения для большого числа (системы) однородных частиц считают, что система монодисперсна.
3.31 функция распределения (наночастиц) по размерам: Такая функциональная зависимость
3.32 генератор псевдослучайных чисел со стандартным нормальным распределением: Компьютерная программа, с помощью определенного алгоритма вычисляющая последовательность действительных чисел, значения элементов которой зависят друг от друга, но проявляют свойства непредсказуемости на длине последовательности не менее 2
Примечание - Стандартное нормальное распределение случайной величины
3.33 погрешность (результата) измерения: Отклонение результата измерения от истинного действительного значения измеряемой величины [1].
3.34 абсолютная погрешность измерения: Погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины [1].
3.35 относительная погрешность измерения: Погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины [1].
3.36 среднеквадратическая погрешность результата измерения: Оценка
где
3.37 доверительные границы погрешности (результата измерений): Наибольшее и наименьшее значения погрешности измерений, ограничивающие интервал, внутри которого с заданной вероятностью находится искомое (истинное) значение погрешности результата измерений [1].
4 Требования к погрешности измерений
4.1 Пределы допускаемой относительной погрешности измерений максимальных размеров наночастиц в монодисперсной системе не должны быть более ±10% при доверительной вероятности
4.2 Пределы допускаемой относительной погрешности измерений электронных радиусов инерции наночастиц в монодисперсной системе не должны быть более ±10% при доверительной вероятности
4.3 Пределы допускаемой относительной погрешности измерений значений функции распределения по размерам наночастиц в полидисперсной системе не должны быть более ±15% при доверительной вероятности
4.4 Пределы допускаемой относительной погрешности измерений межслоевого периода и толщины пленки не должны быть более ±4% при доверительной вероятности
5 Средства измерений и вспомогательные устройства
При проведении измерений применяют следующие средства измерений и вспомогательные устройства.
5.1 Автоматический малоугловой рентгеновский дифрактометр
Автоматический малоугловой рентгеновский дифрактометр (далее - дифрактометр) должен включать в себя следующие устройства:
- источник рентгеновского излучения с длиной волны от 0,07 до 0,25 нм;
- блок монохроматизации пучка рентгеновского излучения;
- блок коллимации рентгеновского пучка (далее - коллиматор), размещенный перед держателем образца;
- сменные держатели образца, конструкция которых обеспечивает закрепление образца в рентгеновском пучке для двух типов измерений:
а) измерение в режиме "на прохождение",
б) измерение в режиме "на отражение от поверхности";
- ловушка первичного пучка, расположенная непосредственно перед детектором, изготовленная из материала, существенно поглощающего рентгеновское излучение (например, вольфрам, тантал и др.), и управляемая по высоте вручную или с помощью программного обеспечения дифрактометра;
- вакуумная камера с входным окном, расположенным непосредственно перед образцом (относительно направления распространения пучка рентгеновского излучения), и выходным окном, расположенным вплотную к плоскости детектора. Входное и выходное окна должны быть герметизированы пленкой из полиэтилентерефталата толщиной (0,03±0,01) мм или бериллиевой пластиной толщиной от 0,5 до 2 мм. Камера должна быть оснащена вакуумным насосом для создания давления не более 100 Па.
Примечание - Вакуумная камера и детектор могут быть выполнены в виде единого блока. В этом случае разделяющее их окно отсутствует. Держатель образца может быть размещен внутри вакуумной камеры, в этом случае коллиматор также должен быть размещен внутри вакуумной камеры перед держателем;
- линейный позиционно-чувствительный детектор (далее - детектор), позволяющий регистрировать число квантов рассеянного излучения за определенный период времени в зависимости от угла рассеяния.
Примечания
1 Входное окно детектора должно быть расположено так, чтобы рассеянное или отраженное рентгеновское излучение регистрировалось в вертикальной плоскости.
2 Допускается использовать также другие типы позиционно-чувствительных детекторов (например, двумерных) с соответствующим программным обеспечением, позволяющим рассчитывать кривые малоуглового рентгеновского рассеяния по результатам измерений;
- система автоматизации счета импульсов, предназначенная для автоматического управления детектором и сбора данных, обеспечивающая возможность проведения экспериментальных измерений в автоматическом режиме;
- электронно-вычислительное устройство, позволяющее с помощью соответствующего программного обеспечения управлять держателем образца и осуществлять обработку и хранение результатов на устройствах долговременного хранения информации.
5.2 Программное обеспечение дифрактометра
Программное обеспечение дифрактометра (далее - программное обеспечение) должно обеспечивать:
- накопление данных измерений в автоматическом режиме;
- хранение результатов на устройстве хранения информации для последующей обработки;
- введение поправки, обусловленной конечным размером сечения первичного пучка, в измеренные в режиме "на прохождение" данные (далее - коллимационная поправка).
Примечание - Конечные размеры профиля поперечного сечения пучка приводят к завышенной регистрируемой интенсивности в области малых углов из-за того, что при каждом значении угла в данную точку детектора вносит вклад интенсивность рассеяния от больших углов тем больше, чем больше размер сечения пучка. В итоге процедура приведения к точечной коллимации должна с учетом этого эффекта, а также с учетом влияния конечного размера регистрирующего элемента детектора установить интенсивность рассеяния, соответствующую нерасходящемуся первичному пучку с размером сечения, стремящимся к нулю;
- управление поворотом образца в режиме "на отражение от поверхности", синхронизированное с началом и концом измерений;
- визуальный контроль интенсивности рассеяния на экране монитора электронно-вычислительного устройства;
- вывод рассчитанных зависимостей в виде графика на экран монитора электронно-вычислительного устройства с возможностью изменения масштаба графика для обеспечения визуального определения координат точек графически построенной зависимости.
5.3 Держатель образца
Держатель образца должен обеспечивать возможность проведения следующих операций.
5.3.1 При измерениях в режиме "на прохождение" держатель должен обеспечивать:
- ручную юстировку положения образца в вертикальном направлении;
- горизонтальное закрепление стеклянных или кварцевых капилляров диаметром от 0,5 до 2 мм, со стенками толщиной не более 0,01 мм для жидких образцов;
- закрепление плоских кювет толщиной не более 2 мм, со стенками из полиэтилентерефталата толщиной не более 0,02 мм для сыпучих сухих образцов.
5.3.2 При измерениях в режиме "на отражение от поверхности" держатель должен обеспечивать:
- автоматический поворот плоскости образца вокруг горизонтальной оси, проходящей перпендикулярно к рентгеновскому пучку параллельно большей стороне его поперечного сечения. Держатель должен обеспечивать поворот образца в диапазоне углов от нуля до половины максимального угла рассеяния, допустимого на данном типе дифрактометра;
- равномерное изменение наклона в указанном диапазоне углов в автоматическом режиме, синхронизированное с моментами начала и окончания измерений;
- ручную юстировку положения образца в вертикальном направлении (далее - положение по высоте).
5.4 Средства для контроля состояния окружающей среды
Для контроля состояния окружающей среды и иных условий проведения измерений должны применяться средства измерения с относительными погрешностями не более 30% значений допусков к параметрам, установленным в разделе 9.
6 Метод измерений
6.1 Метод измерений максимального размера частиц и радиуса инерции в монодисперсных системах и распределения по размерам частиц в полидисперсных системах основан на измерении зависимости рассеянного образцом рентгеновского излучения от угла рассеяния при прохождении излучения через образец с последующей математической обработкой результатов данных измерений.
Картина малоуглового рассеяния, как и дифракционная картина, является результатом интерференции лучей, когерентно рассеянных на образце. При типичных длинах волн излучения в диапазоне от 0,05 до 0,5 нм малоугловое рассеяние позволяет исследовать структуры размерами от нескольких единиц до нескольких сотен нанометров. Интерференционная картина рассеяния формируется путем сложения множества вторичных когерентно рассеянных волн, которые отличаются друг от друга по фазе. Фазовые отличия и амплитуды слагаемых зависят от пространственного распределения электронной плотности, то есть от структуры объекта, и определяют форму экспериментальной кривой рассеяния, анализ которой позволяет определить электронный радиус инерции и максимальный размер наночастиц в монодисперсных системах и их распределение по размерам в полидисперсных образцах.
6.2 Толщину и период повторения слоев в тонких многослойных пленках определяют по положению максимумов на измеренных кривых интенсивности, полученных в режиме "на отражение от поверхности". Необходимым условием для определения периода повторения слоев является наличие на рентгенограмме брегговских рефлексов, возникающих вследствие сложения рентгеновских пучков, отраженных от пар параллельных плоскостей, представляющих собой межслоевые границы в пленке. Для определения толщины пленки необходимо наличие на рефлектограмме осцилляций Киссига, возникающих вследствие сложения рентгеновских пучков, отраженных от пар параллельных плоскостей, представляющих собой верхнюю и нижнюю границы пленки. Толщину периода повторения и толщину пленки вычисляют по результатам измерений угловых расстояний между максимумами брегговских пиков и пиков Киссига соответственно.
7 Требования безопасности
При проведении измерений на дифрактометре необходимо соблюдать правила электробезопасности по [2], [3], требования по обеспечению безопасности на рабочих местах по ГОСТ 12.1.005, ГОСТ 12.1.045, [4], [5] и [6], а также требования, установленные в эксплуатационной документации на используемый дифрактометр.
Рабочие места операторов, проводящих измерения на дифрактометре, должны быть аттестованы по условиям труда в соответствии с требованиями национального трудового законодательства.
8 Требования к квалификации операторов
Измерения должны проводить штатные сотрудники предприятия, имеющие высшее или среднее специальное образование, соответствующую профессиональную подготовку, опыт самостоятельной работы на дифрактометре не менее одного года, прошедшие инструктаж по электро- и радиационной безопасности и изучившие требования настоящего стандарта.
Обработку экспериментальных данных должны проводить штатные сотрудники предприятия, имеющие высшее образование и необходимые знания в области линейной алгебры и математического анализа.
9 Условия измерений
Измерения должны проводиться в следующих условиях:
- температура окружающей среды | (20±5)°С; | |||
- относительная влажность воздуха | (60±15)%; | |||
- атмосферное давление | (101±10) кПа; | |||
- напряжение питания в сети | (220±22) В; | |||
- частота питающей сети | (50±0,4) Гц. | |||
Остальные условия должны соответствовать требованиям, указанным в паспорте (формуляре) на используемый дифрактометр.
10 Подготовка и проведение измерений
10.1 При подготовке к проведению измерений на дифрактометре для определения интегральных структурных параметров наночастиц и кластеров в моно- и полидисперсных системах, толщины и периода повторения групп слоев в тонких пленках должны быть проведены следующие операции.
10.1.1 Проводят измерения параметров окружающей среды, температуры охлаждающей воды и показателей качества питающей электрической сети и проверяют выполнение условий, указанных в разделе 9.
10.1.2 Проводят внешний осмотр дифрактометра, при котором должно быть установлено:
- соответствие комплекта поставки дифрактометра указанным в паспорте (формуляре) на данный дифрактометр;
- отсутствие механических повреждений функциональных элементов дифрактометра;
- отсутствие повреждений соединительных кабелей и разъемов.
10.1.3 Включают дифрактометр в соответствии с инструкцией по его эксплуатации.
10.1.4 Прогревают блок питания рентгеновской трубки согласно инструкции по ее эксплуатации, управляющий компьютер и систему управления детектором в течение 1 ч.
10.1.5 Включают программное обеспечение компьютера.
10.2 Измерения интенсивности малоуглового рассеяния в режиме "на прохождение" для определения интегральных структурных параметров наночастиц и кластеров в моно- и полидисперсных системах проводят следующим образом.
10.2.1 Измерения значений суммарных интенсивностей пучка рентгеновского излучения, необходимых для вычисления коэффициентов поглощения исследуемого образца в кювете и пустой кюветы или кюветы с чистым растворителем, использовавшимся при изготовлении образца (далее - кювета без образца), проводят в следующей последовательности.
10.2.1.1 Откачивают воздух из вакуумной камеры для минимизации "паразитного" рассеяния рентгеновского излучения.
Примечание - Далее в тексте стандарта эта операция не указывается, однако ее необходимо проводить перед каждым измерением интенсивности рентгеновского излучения.
10.2.1.2 Включают рентгеновский пучок и опускают заглушку первичного пучка таким образом, чтобы ее край не касался пучка рентгеновского излучения, обеспечивая его беспрепятственное прохождение к детектору.
Примечание - В случае слишком высокой для используемого детектора интенсивности первичный пучок рентгеновского излучения ослабляют до начала измерений, помещая перед коллиматором соответствующий длине волны исследуемого рентгеновского излучения ослабляющий фильтр, входящий в комплект поставки дифрактометра. Материал ослабляющего фильтра не должен обладать люминесцентным свечением, которое искажает результаты измерений.
10.2.1.3 Измеряют значение суммарной интенсивности
Результаты измерений
10.2.1.4 Устанавливают кювету или капилляр с образцом в держатель в положение, при котором интенсивность прошедшего пучка рентгеновского излучения будет минимальной.
10.2.1.5 Измеряют значение суммарной интенсивности
Результаты измерений
10.2.1.6 Устанавливают кювету без образца в держатель в положение, при котором интенсивность прошедшего пучка рентгеновского излучения будет минимальной.
10.2.1.7 Измеряют значение суммарной интенсивности
Результаты измерений
10.2.2 Измерения кривых рассеяния рентгеновского излучения от кюветы с образцом и от кюветы без образца проводят в следующей последовательности.
10.2.2.1 С помощью ловушки первичного пучка закрывают первичный пучок рентгеновского излучения.
Примечание - Оптимальное положение ловушки соответствует малому показанию интенсивности излучения, регистрируемой детектором при включенном источнике рентгеновского излучения, которое незначительно изменяется при поднятии ловушки и существенно увеличивается при ее опускании из данного положения.
10.2.2.2 С помощью управляющей программы устанавливают время измерения кривой рассеяния во всем угловом диапазоне.
Примечание - Время измерения определяют экспериментально путем оценивания отношения сигнал - шум в пробных измерениях или продолжают накопление сигнала при каждом значении угла рассеяния до момента достижения требуемого отношения. Рекомендуемое значение времени измерений должно быть не менее 1000 с для большинства типов лабораторных дифрактометров с острофокусной рентгеновской трубкой. Установленное время измерения должно обеспечивать отношение сигнал - шум при максимальном угле измерений не менее 20.
10.2.2.3 Устанавливают кювету или капилляр с образцом в держатель в положение, указанное в 10.2.1.4.
10.2.2.4 С помощью управляющей программы измеряют значения интенсивности рассеянного от кюветы с образцом рентгеновского излучения
Результаты измерений интенсивности рентгеновского излучения
10.2.2.5 Устанавливают кювету без образца в держатель в положение, указанное в 10.2.1.6.
10.2.2.6 С помощью программного обеспечения измеряют значения интенсивности рассеянного от кюветы без образца рентгеновского излучения
Результаты измерений интенсивности
10.3 Измерение интенсивности малоуглового рассеяния в режиме "на отражение от поверхности" для определения толщины и периода повторяемости слоев в тонких пленках проводят следующим образом.
10.3.1 Устанавливают образец в поворотный держатель образца дифрактометра в горизонтальном положении.
10.3.2 Проводят юстировку положения образца следующим образом.
10.3.2.1 С помощью юстировочных винтов методом последовательных приближений осуществляют повороты и вертикальные перемещения блока держателя с целью установки образца в такое положение, в котором его поверхность будет параллельна направлению распространения первичного пучка рентгеновского излучения, а сам образец будет перекрывать собой половину пучка.
Примечание - Каждое перемещение образца контролируют по показаниям интенсивности рентгеновского излучения, регистрируемого детектором.
10.3.2.2 Юстировку прекращают тогда, когда регистрируемое детектором значение интенсивности будет равно половине полной интенсивности первичного пучка, а любое изменение положения образца приведет к уменьшению значения интенсивности.
Примечание - В случае слишком высокой для используемого детектора интенсивности первичный пучок рентгеновского излучения ослабляют до начала измерений, помещая перед коллиматором соответствующий длине волны используемого рентгеновского излучения ослабляющий фильтр, входящий в комплект поставки дифрактометра. Материал ослабляющего фильтра не должен обладать люминесцентным свечением, которое искажает результаты измерений.
10.3.3 С помощью ловушки первичного пучка закрывают первичный пучок рентгеновского излучения.
Примечание - Оптимальное положение ловушки соответствует малому показанию интенсивности, регистрируемой детектором при включенном источнике рентгеновского излучения, которое незначительно меняется при поднятии ловушки и существенно увеличивается при ее опускании из данного положения.
10.3.4 С помощью управляющей программы устанавливают требуемые предельные значения угла поворота образца.
Примечание - Минимальный угол должен быть равен значению половины плоского угла, перекрываемого ловушкой первичного пучка. Значение максимального угла должно быть не более половины максимального угла рассеяния рентгеновского излучения, регистрируемого детектором.
10.3.5 С помощью программного обеспечения устанавливают время измерения, равное времени одного полного поворота образца в угловых пределах, установленных в 10.3.4.
Примечания
1 Повторное измерение допускается проводить при повороте образца в направлении от максимального до минимального угла.
2 Время измерения определяют экспериментально путем оценивания отношения сигнал - шум в пробных измерениях или продолжают накопление сигнала при каждом значении угла рассеяния до момента достижения требуемого отношения. Рекомендуемое значение времени измерений должно быть не менее 1000 с для большинства лабораторных дифрактометров, оснащенных острофокусной рентгеновской трубкой. Установленное время измерения должно обеспечивать при максимальном угле измерений отношение сигнал - шум не менее 20.
10.3.6 С помощью управляющей программы включают механизм вращения образца с одновременным проведением измерений значений интенсивности рассеянного от образца рентгеновского излучения
Измерения кривой рассеяния повторяют
Результаты измерений интенсивностей в режиме "на отражение"
11 Обработка результатов измерений
11.1 Обработка результатов измерений в режиме "на прохождение"
11.1.1 Предварительная обработка результатов измерений, полученных в режиме "на прохождение"
11.1.1.1 Коэффициент поглощения рентгеновского излучения кюветой с образцом вычисляют следующим образом:
- вычисляют среднеарифметическое значение суммарной интенсивности первичного пучка рентгеновского излучения
где
- вычисляют среднеарифметическое значение суммарной интенсивности первичного пучка
где
- вычисляют коэффициент поглощения
где
11.1.1.2 Коэффициент поглощения рентгеновского излучения кюветой без образца вычисляют следующим образом:
- вычисляют среднеарифметическое значение суммарной интенсивности первичного пучка
где
- вычисляют коэффициент поглощения
где
11.1.1.3 Среднеарифметические значения
где
11.1.1.4 Среднеквадратические погрешности измерений
где
11.1.1.5 Вычисляют среднеарифметические значения
где
11.1.1.6 Среднеквадратические погрешности измерений
где
11.1.1.7 Исключают из массивов данных, вычисленных по 11.1.1.3-11.1.1.6, значения интенсивностей
- осуществляют поиск, начиная с первого значения угла на кривой рассеяния, значения
- осуществляют поиск, начиная с первого значения угла на кривой рассеяния, значения
- выбирают максимальное из значений
- исключают значения интенсивностей
11.1.1.8 С помощью программного обеспечения в полученные по 11.1.1.7 значения интенсивностей рассеянного от образца в кювете рентгеновского излучения
11.1.1.9 Значение интенсивности рассеянного от кюветы с образцом рентгеновского излучения без поглощения
где
11.1.1.10 С помощью программного обеспечения в значения интенсивностей рассеянного от кюветы без образца рентгеновского излучения
11.1.1.11 Значение интенсивности рассеянного от кюветы без образца рентгеновского излучения без поглощения
где
11.1.1.12 Значение интенсивности рассеянного от образца рентгеновского излучения без поглощения
где
11.1.1.13 Значение интенсивности рассеянного от образца рентгеновского излучения
где
11.1.1.14 Суммарную погрешность
где
11.1.2 Определение максимального размера наночастиц в монодисперсных системах
11.1.2.1 Нулевое приближение максимального расстояния
где
11.1.2.2 Разбивают диапазон изменения расстояний
где
Примечание - Число расстояний дискретного диапазона
11.1.2.3 Значения элементов
где
11.1.2.4 Составляют вспомогательную трехдиагональную матрицу стабилизации
где
Матрица стабилизации должна иметь следующий вид
11.1.2.5 Центральные значения
где
где
Примечание - Верхний индекс "
11.1.2.6 Центральные векторы
11.1.2.7 Суммарный критерий качества
11.1.2.8 Определяют максимальное
Значение оптимального параметра регуляризации
где
Соответствующий вычисленному значению оптимального параметра регуляризации
11.1.2.9 С помощью программного обеспечения строят график зависимости значений оптимальной функции распределения
Примечание - Если график
11.1.2.10 В качестве первого приближения максимального размера наночастиц
11.1.2.11 Используя вместо нулевого
11.1.2.12 Вычисляют третье
Примечания
1 Рекомендуемое число циклически повторяемых вычислений по 11.1.2.12 равно четырем, так как это обеспечивает необходимое приближение максимального размера наночастиц в монодисперсной системе
В случае заниженного значения
2 Если исследуемая система наночастиц является полидисперсной, то график
11.1.2.13 Если значение суммарного критерия качества, вычисленного в соответствии с приложением А для оптимальной функции распределения по расстояниям
11.1.3 Определение электронного радиуса инерции наночастиц в монодисперсных системах
11.1.3.1 С помощью программного обеспечения строят график зависимости значений
где
11.1.3.2 Визуально определяют приближенное максимальное значение
11.1.3.3 Вычисляют экспериментальное значение электронного радиуса инерции
где
11.1.3.4 Вычисляют значение произведения
где
Если значение произведения
- вычисляют уточненное значение
где
- вычисляют уточненное значение экспериментальное значение* радиуса инерции в нанометрах по формуле, приведенной в 11.1.3.3, используя в качестве верхнего индекса суммирования
________________
* Текст документа соответствует оригиналу. - .
11.1.3.5 Вычисляют теоретическое значение
где
Примечание - Значения интегралов в числителе и знаменателе формулы, приведенной в настоящем подпункте, могут быть вычислены по иной формуле численного интегрирования, дающей не менее точный результат, чем используемая формула "трапеции".
11.1.3.6 Вычисляют значение модуля разности
В ином случае система наночастиц не является монодисперсной, поэтому определяют распределение наночастиц по размерам по 11.1.4.
11.1.4 Определение распределения наночастиц по размерам в полидисперсных системах
11.1.4.1 Устанавливают значение минимального радиуса наночастиц
Примечание - Если значение минимального радиуса
11.1.4.2 Вычисляют оценочное значение максимального радиуса инерции
где
11.1.4.3 Вычисляют нулевое приближение максимального радиуса наночастиц
где
11.1.4.4 Разбивают диапазон радиусов
где
Примечание - Число значений расстояний дискретного диапазона
11.1.4.5 Вычисляют значения нормированных форм-факторов
где
Примечание - В настоящем стандарте используют выражения, установленные для форм-факторов сферических однородных по плотности частиц, поэтому вычисляемая по настоящему разделу функция распределения по размерам представляет собой зависимость доли наночастиц от их эффективного радиуса, определенного в разделе 3 как радиус равной по объему сферической частицы. В случае несферических частиц в качестве эффективного радиуса можно принимать любой подходящий по физическому смыслу параметр, отражающий требуемую размерную характеристику частицы.
11.1.4.6 Вычисляют значения коэффициентов
где
11.1.4.7 Составляют вспомогательную трехдиагональную матрицу стабилизации
где
Таким образом, матрица стабилизации имеет следующий вид
11.1.4.8 Вычисляют центральные значения
где
где
Примечание - Индекс "
11.1.4.9 Центральные векторы
11.1.4.10 В соответствии с приложением А вычисляют суммарный критерий качества
11.1.4.11 Находят максимальное
Находят оптимальное значение параметра регуляризации
где
Соответствующий вычисленному значению оптимального параметра регуляризации
11.1.4.12 С помощью программного обеспечения строят график зависимости значений оптимальной функции распределения
11.1.4.13 Первое приближение максимального расстояния
11.1.4.14 Используя вместо нулевого
11.1.4.15 Циклически повторяя операции, указанные в 11.1.4.14, вычисляют третье
Примечания
1 Рекомендуемое число циклических повторений описанного в настоящем пункте алгоритма равно четырем, а соответствующая оптимальная функция распределения по размерам наночастиц
В случае заниженного значения
11.1.4.16 Если значение суммарного критерия качества, вычисленного по приложению А для оптимальной функции распределения по размерам
В этом случае, если на кривой рассеяния, измеренной по 10.2, при малых углах рассеяния присутствует "провал" значений интенсивности, не связанный с перекрыванием заслонкой первичного пучка, то разбавляют, если возможно, систему наночастиц, уменьшая их концентрацию и нейтрализуя вклад в рассеяние межчастичной интерференции, и повторяют операции по 10.2, 11.1.1 и 11.1.4.
Если при этом значение суммарного критерия качества остается менее 0,3, то увеличивают, если возможно, угловой диапазон измерений интенсивности рентгеновского излучения и повторяют операции по 10.2, 11.1.1 и 11.1.4. Если и после этого значение суммарного критерия качества остается менее 0,3, то образец с системой наночастиц признают непригодным для проведения измерений по настоящему стандарту.
11.2 Обработка результатов измерений, полученных в режиме "на отражение от поверхности"
11.2.1 Период повторения слоев
11.2.1.1 На
где
Примечание - Порядковый номер
Типичный вид кривой рассеяния рентгеновского излучения от поверхности многослойной пленки, полученной в режиме "на отражение от поверхности", изображен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Кривая рассеяния рентгеновского излучения от поверхности многослойной пленки, полученная в режиме "на отражение от поверхности"
11.2.1.2 Вычисляют среднеарифметическое значение
где
11.2.1.3 Вычисляют среднеквадратическую погрешность
где
11.2.1.4 Вычисляют период повторения
где
11.2.2 Толщину пленки оценивают одним из следующих способов.
11.2.2.1 При отсутствии осцилляций Киссига на кривых рассеяния, измеренных по 10.3.6, толщину пленки
где
Примечания
1 Отсутствие на кривых рассеяния осцилляций Киссига свидетельствует о невысоком качестве (ступенчатости, шероховатости, дефектности и т.п.) поверхности пленки или о ее предельно большой толщине.
2 Относительно реальной толщины пленки вычисленное значение
11.2.2.2 При наличии на кривых рассеяния осцилляций Киссига толщину пленки вычисляют по положениям на кривой рассеяния максимумов этих осцилляций, выполняя следующие операции:
- для каждой из кривых рассеяния выбирают группу из
- для каждой из
- вычисляют значения толщины пленки
где
- вычисляют толщину пленки
где
_______________
* Текст соответствует оригиналу. - .
12 Контроль погрешности результатов измерений
12.1 Расчет погрешности измерения значений максимального размера наночастиц и их электронного радиуса инерции в монодисперсных системах
12.1.1 С помощью программного обеспечения вычисляют значения для
где
12.1.2 Используя вычисленные по 12.1.1 значения
12.1.3 Суммарную погрешность
где
________________
* Формула и экспликация к ней соответствуют оригиналу. - .
12.1.4 Доверительную границу
где
12.1.5 Относительную погрешность
где
12.1.6 Используя вычисленные по 12.1.1 значения
12.1.7 Суммарную погрешность
где
12.1.8 Доверительные границы
где
12.1.9 Относительную погрешность
где
12.1.10 Суммарную погрешность
где
12.1.11 Доверительные границы
где
12.1.12 Относительную погрешность
где
12.2 Расчет погрешности вычисления распределения наночастиц по размерам
12.2.1 С помощью программного обеспечения вычисляют значения для
где
12.2.2 Используя вычисленные по 12.2.1 значения
12.2.3 Суммарную погрешность
где
12.2.4 Доверительную границу
где
12.2.5 Относительную погрешность
где
12.3 Расчет погрешности измерения периода повторения слоев и толщины пленки
12.3.1 Вычисляют суммарную погрешность
где
12.3.2 Доверительную границу
где
12.3.3 Относительную погрешность
где
12.3.4 При наличии на кривых рассеяния, измеренных по 10.3.6, осцилляций Киссига суммарную погрешность
где
12.3.5 При отсутствии на кривых рассеяния, измеренных по 10.3.6, осцилляций Киссига, можно вычислить только нижнюю границу суммарной погрешности
где
При этом в последующих вычислениях по настоящему разделу вместо величины
12.3.6 Доверительную границу
где
12.3.7 Относительную погрешность
где
13 Оформление результатов измерений
13.1 Результаты измерений оформляют в виде протокола по форме, принятой на предприятии, проводившем измерения.
13.2 В протоколе должны быть приведены следующие сведения:
- полное и сокращенное наименование предприятия, проводившего измерения;
- дата проведения измерений;
- основание и цель проведения измерений;
- тип и номер основных средств измерений и вспомогательных устройств;
- данные об условиях проведения измерений (параметрах окружающей среды, показателях качества питающей электрической сети);
- идентификационные данные образцов, характеристики которых подвергались измерениям.
При измерении малоуглового рассеяния в протоколе должны быть приведены следующие записи:
- для монодисперсных систем - два значения электронного радиуса инерции и максимальный размер наночастиц со значениями их доверительных границ суммарных погрешностей и значениями относительных погрешностей;
- для полидисперсных систем - график функции распределения по размерам со значениями доверительных границ суммарных погрешностей, а также график относительной погрешности значений функции распределения в зависимости от размера наночастиц.
При измерениях интенсивности отражения от поверхности пленок в протоколе должны быть приведены следующие записи:
- таблица положений максимумов Брегга;
- таблица положений максимумов Киссига (в случае их наличия на кривой рассеяния);
- значения периода повторения слоев и общей толщины пленки;
- доверительные границы суммарных погрешностей результатов измерений;
- значения относительных погрешностей.
В конце протокола должны быть указаны должности, фамилии, инициалы, а также должны быть подписи всех сотрудников, проводивших измерения и обработку их результатов.
Приложение А
(обязательное)
Вычисление суммарного критерия качества функции распределения по расстояниям
А.1 Вычисление критерия гладкости функции распределения по расстояниям
А.1.1 С помощью управляющей программы строят график зависимости значений функции распределения
А.1.2 Вычисляют критерий гладкости
где
А.2 Вычисление критерия систематического отклонения теоретической кривой рассеяния от экспериментальной
А.2.1 Вычисляют значения теоретической кривой рассеяния
где
А.2.2 Вычисляют значение критерия систематического отклонения
где
_______________
* Формула соответствует оригиналу. - .
А.3 Вычисление критерия невязки между экспериментальной и теоретической кривыми рассеяния
А.3.1 Вычисляют функционал
где
А.3.2 Вычисляют критерий невязки
где
А.4 Вычисление критерия устойчивости функции распределения по расстояниям
А.4.1 Вычисляют вариацию
где
А.4.2 Вычисляют критерий устойчивости
где
А.5 Вычисление критерия неотрицательности функции распределения по расстояниям
Критерий неотрицательности
где
А.6 Вычисление суммарного критерия качества функции распределения по расстояниям
Суммарный критерий качества
где
Примечание - Суммарный критерий качества функции распределения по расстояниям сформулирован таким образом, чтобы он стремился к единице для оптимальной функции распределения по расстояниям, вычисленной по 11.1.2.12 для идеальной системы однородных сферических наночастиц одного радиуса.
Библиография
[1] РМГ 29-99 | Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения |
[2] Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (утверждены приказом Минэнерго России от 13 января 2003 г. N 6; зарегистрированы Минюстом России 22 января 2003 г., peг. N 4145) | |
[3] ПОТ РМ-016-2001 | Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок |
[4] СанПиН 2.2.4.1191-03 | Электромагнитные поля в производственных условиях |
[5] СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 | Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы |
[6] СП 2.6.1.799-99 | Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности |
УДК 531.711.7.089:006.354 | ОКС 17.040.01 | ||
Ключевые слова: наночастицы, моно- и полидисперсные системы наночастиц, электронный радиус инерции, тонкие многослойные пленки, период повторения, рентгеновский малоугловой дифрактометр, методика выполнения измерений | |||
Электронный текст документа
и сверен по:
, 2019
