DE2456452A1

DE2456452A1 - Vorrichtung zur zerstoerungsfreien untersuchung von stoffen, besonders von heterogenen oberflaechen, mittels bestrahlung

Info

Publication number: DE2456452A1
Application number: DE19742456452
Authority: DE
Inventors: Michel Marcel Prof Delhaye; Paul Andre Cleme Dhamelincourt; Yves Jean-Marie Alex Moschetto
Original assignee: Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Current assignee: Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Priority date: 1973-12-03
Filing date: 1974-11-29
Publication date: 1975-06-05
Also published as: SE407292B; FR2253410A5; US4030827A; GB1492575A; JPS50114285A; SE7414991L

Description

PATENTANWALT DR. HANS ULRICH MAV

8 München 22, Thierschstr .27 2456452 Telefon (089) 22 50 51

I-67IM/1330 München, den 29. November 1974

Dos. i47%W° Dr.M./cs

DB/781 ;

Institut national de la Sant.e et de la Recherche Medical

in Paris/Frankreich

Vorrichtung zur !zerstörungsfreien Untersuchung von Stoffen,, besonders von heterogenen Oberflächen» mittels Bestrahlung.

Kurze Zusammenfassung (Abstract) der Erfindung^ Me erfindungsgernäße Vorrichtung benutzt, zur zerstörungsfreien tersuchung von stoffen, besonders von heterogenen Oberflächen„ die Analyse einer Strahlung„ die vom Stoff bzw« der Oberfläche rückgesandt wird» wenn er mit einer bekannten» besonders monochromatischen Strahlung bestrahlt wird. Zu diesem Zweck weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Einrichtungen auf, welche die Veränderung der Vellen= länge der rückgesandten Strahlung bezüglich der Länge der auftref-= fendeii Strahlung aufzeigen und messen, sowie Vorrichtungen zur Aus= wahl und Verstärkung der rückgesandten Strahlung^ um eine Darstellung der Struktur der Oberfläche zu liefern und jeden ihrer Bestandteile zu identifizieren, indem die erhaltenen Ergebnisse mit den an Vergleic'hproben erhaltenen verglichen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders verwendbar zur Untersuchung von geologi-=

sehen Proben» susainmengesetzten Stoffen,, Kunststoffen, biologischen mikroskopischen Schnitten und dergleichen. .

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Beschreibung der Erfindung*

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von Stoffen, besonders von heterogenen Oberflächen, durch Analyse einer von diesen Stoffen bzw. Oberflächen rückgestrahlten Strahlung.

Dem Physiker oder Techniker stellt sich oft die Aufgabe, heterogene Oberflächen zu untersuchen, um die Art und Struktur bestimmter Körper festzustellen. Es ist bereits bekannt» derartige Untersuchungen mit Hilfe des Mikroskops durchzuführen, besonders durch elektronische Untersuchung mittels Emissionsspektroskopie durch Laser. Der Forscher ist jedoch stets bemüht, weitere Hilfsmittel und Methoden für seine Untersuchungen zur Verfügung zu haben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nun eine neue Möglichkeit der zerstörungsfreien Untersuchung von Stoffen und Oberflächen unter Benutzung bekannter physikalischer Erscheinungen ermöglichen.

Bekannt ist bereits die Mikroskopie» wobei man einen Stoff mit den Photonen einer Strahlung bestrahlt. Diese Strahlung wird dabei ab» ^ sorbiert und transformiert und mit einer größeren Wellenlänge rück-

oder Spektrometer gestrahlt, die man im Mikroskop/analysieren kann und welche auf die Art der untersuchten Oberfläche schließen läßt. Das benutzte Gerät ist empfindlich bei der Wellenlänge des rückgestrahlten Lichts» Die Untersuchung durch ein solches Gerät muß jedoch oft durch eine andere Untersuchung vervollständigt werden.

Bekannt ist auch die oben erwähnte elektronische Mikrosondierung, welche nur einen örtlich sehr begrenzten Anblick des Stoffes ermöglicht.

Bekannt ist auch die Strahlung₀ die von einem Lichtverstärker durch stimulierte Emission elektromagnetischer Strahlung geliefert wird,

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der eine sehr starke Quelle von kohärentem Licht liefert und "Laser" genannt wird. Es ist bekannt, die Laserstrahlung bei einem Verfahren zur Untersuchung von Oberflächen zu benutzen, indem diese Strahlung den Stoff verdampft, dessen Dämpfe man dann durch Spektroskopie analysiert. Der Nachteil.dieses Verfahren»ist, daß es den Stoff mindestens örtlich zerstört.

Bekannt sind auch elektronische Abtastverfahren, die beim Fernsehen in. weitem Umfang benutzt werden. Statt eine feststehende Oberfläche durch einen sich rasch verschiebenden Strahl abzutasten, kann man auch die zu untersuchende Oberfläche vor dem feststehenden Strahl gemäß den Abszissen verschieben und jedesmal geringfügig gemäß den . Ordinaten verschieben, um eine ähnliche Abtastung zu erreichen.

Es sind auch in der Optik Monochromatoren mit Schlitzen bekannt, welche aus der empfangenen Strahlung eine Auswahl treffen und eine monochromatische Strahlung liefern. Bekannt sind ferner Strahlendetektoren, welche vom Typ Photomultiplier sein können, die Signale liefern können, welche nach den bekannten elektronischen Methoden verstärkt werden können, besonders für Kathodenröhren, die unmittel=·" bar wieder ein sichtbares Bild.liefern, oder um Aufzeichnungen her·= zustellen, die man später benutzen kann.

Die Erfindung kombiniert diese verschiedenen bekannten Elemente, um eine neue Vorrichtung zur Untersuchung von Stoffen und Oberflächen zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung.wird erläutert durch die folgende Beschreibung von Ausführungsbe:? spielen j welche sich auf die beigefügten Zeichnungen

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bezieht. Hierin zeigen?

- Pig» 1 eine schematische Darstellung einer mit Abtastung arbeitenden Ausführiu'igsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

- Pig» 2 eine schematische Darstellung einer, ohne Abtastung arbeitenden erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Vorrichtung der Fig. 1 ermöglicht die Untersuchung einer Probe 1 mindestens im Untersuchungsbereich 2_P das als Rechteck gezeigt ist und in Richtung der X-Achse (Abszissen) und der Y-Achse (Ordinaten) abgetastet werden soll. Die Abtastung kann vollelektronisch in beiden Richtungen oder einfach linear parallel zur X-Achse erfolgen. Im letztgenannten Fall weist der Probenhaifcermechanismus 3 eine Verschiebungsvorriclitung auf _s welche eine Verschiebung längs der Y~Achse ermöglicht s damit mehrere „ sur X-Achse parallele Linien un·= tersucht werden können. Der Pr-obenhalterinechanismus 3 weist die üblichen nicht dargestellten Einrichtungen zur Befestigung der Probe 1 i»id die üblichen Vorrichtungen aur Orientierung und Verschiebung längs der X-Achse und der Y-Achse auf.

Die Probe 1 empfängt eine Strahlung„ im allgemeinen einen monochromatischen Laser-Strahl» der durch die Pfeile 4 angedeutet ist und in Richtiing der X-Achse durch die optische Ablenkung 5 abgelenkt und dann durch ein Objektiv 6 im Punkt 0 gebündelt werden kann»

Die am Punkt 0 befindliche Materie strahlt eine andere Strahlung ZUrUCk₉ die durch die Pfeile 7 angedeutet ist und eine andere Wellenlänge als die Wellenlänge des einfallenden Strahls 4 hat« Wie au Beginn der Beschreibung angegeben₈ ist dieser Effekt bereits bekannt bei der Fluoressenz, dem Raman-Effekt» dem Brillouin-Effekt (der Brillouin-Streuung) oder sogar im Fall von inneren Bewegungen der· Materie der Probe i, als Doppler-Fizeai*=EJFPekt. Es sei darauf hinge-

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wiesen, daß die erfindungsg-civiäßa Vorrichtung die Untersuchung von Proben i beliebiger Art, ob fest, flüssig oder gasförmig, ermöglicht. Die Probe 1 kann in einem beliebigen,, vorzugsweise durchsichtigen Behälter enthalten sein,, damit man sie nicht nur an der Luft₉ sondern auch unter kontrollierter Atmosphäre oder im Vakuum untersuchen kann«. Der rückgestrahlte Strahl ? wird durch ein Objektiv 10 von vorzugsweise großer öffnung auf den Schlitz 8 des Mono^chromators 9 gebündelt.

Die rückgestrahlte Strahlung wird dann von einem Photomultiplier 11 empfange.·»₈ der- sie in elektrische Signale umwandelt_P welche durch die Leitung 12 einem Verstärker 13 zugeleitet werden, der seinerseits "»'srstarekte Signale durch die Leitung 14 gleichzeitig oder getrennt sau. bekannten Anzeigevorrichtungen 13 „ Speichervorrichtungen 16 und Aiafseichnungsvorrichtungen 17 weiterleitet. Leitungen 18„19 bsw» 20 empfangen Signale» die über die Leitung 21 vom Abtastsyn.·=· chronisator 22 herkommen, der auch durch die Leitung 23 Signale an den Probenhaltermechanismus 3 liefert „■ ψθώχι die Probe gemäß der Y-Achse leicht verschoben werden soll „ und durch die Leitung 24 an die optische Ablenkeinrichtung 5* um die Abtastung gemäß der X-Achse au bewirken, -

Die Arbeitsweise der beschriebenen und in Fig» 1 gezeigten Vor-rich«=» tung ergibt sich aus der Beschreibung -und ist leicht verständlich. Bs sei jedoch ex'Wähnt, daß der einfallende Strahl 4» der im allgemeinen ein Laser-Strahl ist, so gewählt werden kann_B daß seine Wellenlänge sich besonders gut zur Untersuchung der Probe 1 eignet» Diese Wahl der Wellenlänge des einfallenden Strahls 4 kann durch

abstimmselektive optische Filter, ein /bares Filter oder jede andere

Vorrichtung„- welche das gleiche Ergebnis liefert,, erhalten werden.

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Ebenso untersucht man die rückgestrahlte Strahlung entweder mittels selektiver optischer Filter, die speziell für jede der in der Probe enthaltenen Spezien hergestellt sind₈ oder mittels eines abstimmbaren Filters oder regelbaren Monoehromators _p wobei solche Vorrichtungen einen Teil der in Fig. 1 insgesamt mit 9 bezeichneten Vor«· richtung ("Monochromator⁵⁹} biIden.

Je nachdem benutzt man die Mikrosonde*! entweder mit Erregung bei gleichbleibender Wellenlänge ixaä analysiert in diesem Fall die Strahlung 7 mit den im «Monochromator*⁸ 9 vorgesehenen regelbaren Vorrichtungen oder man benutzt sie mit Erregimg bei veränderlicher Wellenlänge, wobei die Beobachtung der Raman»Streustrahlung in diesem Fall bei konstanter Wellenlänge erfolgt und jede Spezies durch die Wahl der Wellenlänge des vom Laser ausgesandten Strahls gekennzeichnet ist.

Bei der Ausführungsform der Fig» 2 empfängt die von einem nicht gezeigten entsprechenden Mechanismus gehaltene Probe 25 eine Bestrahlung und wird beobachtet in ihrer Gesamtheit» Dazu, benutzt man eine Vorrichtung j die schematisch aus einem Mittel tubus 26 und dajsu konzentrischen Außentubus 27 besteht. Der Außentubus 27 weist off= nungen 28 „ 29 auf, welche den seitlichen Eintritt eines Strahls 30* 31 gestatten, der durch reflektierende Flächen 32₅ 33 parallel zur Achse des Tubus 27 umgelenkt und durch Linsen 34* 35 auf der Probe 25 gebündelt wird» Die Bündelung erfolgt ähnlich wie bei einem optischen Mikroskop „ wo ©in Bereich der au untersuchenden, Probe episkopisch beleuchtet wird.

Gemäß den zu Beginn der Beschreibung angegebenen physikalischen Prinzipien entsteht eine rückgestrahlte Strahlung 36 _t die von einem Objektiv 37 empfangen und in der Achse des Tubus 26 zur Auswahlvor-

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richtung 38 geleitet wird* Teiche ein optisches Filter ist« beispielsweise ein Monochromator. Die aus der Auswahlvorrichtung 38 austretende Strahlung 39 wird durch ein optisches Gerät 40 orientiert„ so daß sie von einer Kamera 41 aufgenommen werden kann. Mit Kamera ist hier, ein, photographischer Apparat-, eine Filmkamera oder Fernsehkamera gemeint;, weiche die Beobachtung von schwachen Strahlen ermög~ liehen, Es ist bequem;, eine Fernsehkamera .für schwache Strahlung zu benutzenρ welche die Signale einer Anzeigevorrichtung 42 und einer Aufzeichnungsvorrichtung 43 zuleitet.

Mit dieser Vorrichtung beobachtet man ein vergrößertes Abbild der Oberfläche durch optische FiIter„ deren Durchlaßbereieh auf charak» teristische-Wellenlängen der Kamanspektren jeder der Bestandteile der Probe zentriert sind. Wenn man keine direkte visuelle Beobachtung durchführen kann, kann man"das Bild registrieren. Die Regi~ striervorrichtungr.erfordert keine-Bündelung des Laser-Strahls und erscheint damit !besser geeignet zur.raikroskopisehen Untersuchung bei starker Vergrößerung und vermeidet eine Schädigung der Probe.

Die beiden beschriebenen Vorrichtungen sind nicht einschränkend zu verstehen und man kann erfindungsgemäß beispielsweise eine gemisch= te Vorrichtung vorsehen,, in der der Laser-Strahl eine 3Sinie der Oberfläche der Probe beleuchtet. Das Abbild dieser Linie wird durch einen Monochromator auf einen photographischen oder photoelektri» sehen Strahlenerapfanger projeziert„ wie eine Bildverstärkerröhre _B gefolgt von einer Kamera mit■Bildspeicherröhre, beispielsweise. Me Abtastung der Probe erfolgt durch Verschiebung der beobachteten Linie, ■ entweder .durch Verschiebung der Probe oder durch optische Ablenkung, wobei die Verschiebung synchron mit der Linienregistriervorrichtung erfolgt» ' ·

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All© diese Vorrichtungen toiaieu in ähnlicher W^ise wie &hen bei der Beschreibung der Arbeitsweise der ersten Ausführungsform angegeben benutzt werden, d*h. mit Erregung mit gleichbleibende!? Wellenlänge oder Erregung mit variabler Wellenlänge«

Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet sahireiche Anwendungen zur Untersuchung won geologischen Proben, zusaramsngesetsten Materialien, Kunststoffen» biologischen Proben oder sogar von Gasen· Verglichen mit elektronischen und ionischen Mücros©nden_e welche die Proben im Vakuum untersuchen und Spuren infolge eier atomaren Eigenschaften nachweisen, ermöglicht die erflnäisagsgesäße Vorrichtung im Betrieb mit dem Laser-Strahl die Untersuchung von Proben an freies Luft oder unter geregelter Atmosphäre i?nä weist die Bestandteile einer heterogenen Oberfläche durch eine Moleküleigenschaft, wie das Raman-Spektrum der Vibration, nach» Die Vorrichtimg ist daher nicht so sehr zum SpureB.nach.weis geeignet sondern vielmehr zut Untersuchung von zusammengesetzten Kristallen, beispielsweise in der Geologie» Mineralogie oder Metallographie_& von Halbleitern» wie integrierten Kreisen₉ organischen Verbindungen_ff wie Kunststoffen» pharmazeutischen oder biologischen Produkten» beispielsweise mikroskopischen Schnitten und Präparaten..

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Claims

.) Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von Stoffen» besonders von heterogenen Oberflächen, durch Analyse einer bei Bestrahlung derselben mit einer bekannten und insbesondere monochromatic . sehen Strahl mg rücfcgestrahl ten Strahl wig „ gekennzeichn e t durch Vorrichtungen sum. Nachweis und zur Messimg der Veränderung der Wellenlänge der rückgestrahlten Strahlung (7,36) beaüglich der Wellenlänge der einfallenden Strahlung (4/30,31)» die von einem Smitter "mit genau wählbarer Wellenlänge ₉ Art und Stärke,, so daß sie sehr intensiv, jedoch unterhalb der Zerstörungsschwelle des zu untersuchenden Stoffs bz^. der au mitersuchenden Oberfläche liegt, geliefert -wird, sowie durch Vorrichtungen aur Auswahl und Verstärkung der rückgestrahlten Strahlimg* welche eine Wiedergabe der Struktur des Stoffes bzw« der Oberfläche liefern und die Identifizierung jedes seiner baw* ihrer Bestandteile durch Vergleich der bei der Untersuchung des unbekannten Stoffs bzw· der unbekannten Oberfläche erhaltenen Ergebnisse mit den an bekannten Stoffen bzw« Oberflächen mit den gleichen Bestandteilen unter den gleichen Bedingungen erhaltenen Ergebnissen ermöglichen.
2, Vorrichtung nach Anspruch 1-, dadurch gekennzeichnet, daß die einfallende Strahlung aus einem Laser-Strahl besteht.
3» Vorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, daß die einfallende. Strahlung (30,31) die Gesamtheit der untersuchten Oberfläche (25) trifft und die rückgestrahlte Strahlung (36) so behandelt wird, daß sie eine Abbildung der gesamten Oberfläche ähnlich der durch Mikroskopie erhaltenen Abbildung liefert. .

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4· Vorrichtung nach. Anspruch, 2_ϋ dadurch gekennzeichnet, daß der Laser-Strahl (4) punktförmig auf die au untersuchende Oberfläche {2} konzentriert und diese systematisch abgetastet wird,, um eine Strahlung (?) rüekzustrahlen» die zur Untersuchung nachgewiesen und verstärkt wird«
5' Vorrichtung aaeh Anspruch 4₈ dadurch gekennzeichnet» daß die Abtastung der feststehenden Probe (1) durch den Strahl (4) erfolgt»
6. Vorrichtung nach Anspruch 4_ff dadurch gekennzeichnet _g daß die Abtastung gemäß einer Linie erfolgt und die Oberfläche (2) senkrecht zu dieser Linie bewegbar ist«,

7· Vorrichtung nach Anspruch 5 odes» 6_d dadurch gekennzeichnet„ daß die rückgestrahlt© Strahlung (?) in einem Monochromator (9) empfangen und dann nachgewiesen raid, verstärkt imcl durch bekannte Methoden der Sichtbarmachung oder Aufzeichnung erkennbar gemacht wird.

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