Способ определения кислорода в твердых веществах Советский патент 1990 года по МПК H01J49/26 G01N27/62 

Изобретение относгггся к физико- химическим методам анализа и может быть использовано для контроля сверхчистых оптических материалов на основе монокристаллов фторидов щелоч- но-земельных металлов (ЦВМ).

Цель изобретения - повышение чувствительности и воспроизводимости способа.

Способ заключается в том, что при определении содержания кислорода во

фторидах щелочно-земельных металлов образец выдерживают в атмосфере гелия при давлении (1,5-2,5j10 Па, температуре 600-700°С в течение 0,5-5 ч, охлаждают со скоростью 90-110°С/мин до комнатной температуры, нагревают до 1000-1ЮО С и регистрируют выделившийся гелий масс-спектрометрическим методом, а по его количеству судят о содержании кислорода в образце. Суъцность способа заключается в том, что при растворении кислорода

в процессе роста монокристаллов фторидов ЩЗМ образуется равное количество ионов О и зарядокомпенсирующих анионных вакансий, поэтому для определения содержания кислорода достаточно определить концентрацию этих вакан- «aift. Растворение гелия в монокристаллах фторидов ЩЗМ в интервале темпера- Тур 600-700 С происходит по кислород- Йым зарядокомпенсирующим анионным вакансиям и описывается уравнением

не

Су Ар 1 + Кр

концентрация растворившегося гелия;

концентрация вакансий; давление гелия; численный параметр

Время насыщения образца гелием можно определить, используя известную формулу

12

(2)

где

1

25 умно перегружают в измерительную камеру, соединенную с масс-спектрометром. Измерительную камеру нагревают до 1000-1100 С и регистрируют на масс-спектрометре общее количество выделившегося гелия, а по его количеству судят о содержании кислорода в образце.

Погрешность измерений определяется типом используемого масс-спектрометра и проводимой на нем калибров30

время насьщения;

1 - характерный минимальный размер образца;

D - коэффициент диффузии гелия.

Как видно из формулы (1) при некоторых значениях давления С у.

Выбор газа-гелия обусловлен сле- дуюш;им. Из-за инертности и небольших

размеров атомов гелия обеспечивается н/ ои гичии па пем кеиширов- высокая скорость и обратимость процес- также теоретической погреш- сов диффузии в исследуемых материа- ностью метода, рассчитанной по фr.nмv- лах. Кроме того, из-за отсутствия пам: аппаратурного фона по гелию достига- f(p)bp + g(T)T + h(1)St-,

ется большая по сравнению с оптическим методом чувствительность по оп-. ределению кислорода в исследуемых материалах. Выбранный температурный диапазон 600-700°С обеспечивает растворение гелия в примесных кислородных накансиях. При меньшей температуре насьш1;ения растворение происходит в дислокахщонных, а при большей - и собственных термических вакансиях,, что снижает достоверность результа- тов. Диапазон давлений (1,5-2,5) 10 Па обеспечивает полное заполнение при- месньсс вакансий. При понижении давления происходит неполное заполнение, а при повышении - дополнительное растворение в структурных вакансиях. Время насыщения 0,5-5 ч определяют по известной формуле (2) из условия обеспечения равновес15я„ Последующее ох40

(р -Р1

45

где f(p) В(1 - е 1, р

g(T) С(1 - е

600°С т 700°С; h() 2gl + S D.

Приме р; Берут монокристалл CaF размером (0,1x0,04x0,04) см и загружают в ячейку из никеля, подсоединенную к вакуумно-распреде- лительной системе. Ячейку откачива- ют до 10 Па и з-аполняют гелием до давления 2,5-10 Па. Нагревают до температзфы 600°С и выдерживают 0,5 ч. Далее ячейку с монокристаллом охлаждают со скоростью 90°с7мин

50

лаждёние проводится со скоростью 90- 110°/мин. При меньших скоростях происходит преждевременная дегазация образцов, что сказывается на результатах измерений, а при больших - разрушение образцов. Нагревание до 1000- 1100 С проводят для полного выделения предварительно растворенного гелия.

Q При нагреве до температур ниже

1100°С происходит неполная дегазация, а при температурах вьше 1100°С - разрушение образца.

Способ осуществляют следуюшлм об5 разом.

Монокристалл фторида ЩЗМ загружают в никелевую ячейку и откачивают воздух до остаточного давления ( 10 ) Па, затем отсекают от вакуумно0 распределительной системы и заполняют гелием до давления (1,5-2,5).10 Па, далее ячейку нагревают до 600-700 с в течение 0,5-0,5 ч, а затем охлаждают со скоростью 90-110°/мин и ваку5 умно перегружают в измерительную камеру, соединенную с масс-спектрометром. Измерительную камеру нагревают до 1000-1100 С и регистрируют на масс-спектрометре общее количество выделившегося гелия, а по его количеству судят о содержании кислорода в образце.

Погрешность измерений определяется типом используемого масс-спектрометра и проводимой на нем калибров0

н/ ои гичии па пем кеиширов- также теоретической погреш- ностью метода, рассчитанной по фr.nмv- пам: f(p)bp + g(T)T +

40

(р -Р1

5

где f(p) В(1 - е 1, р

g(T) С(1 - е

600°С т 700°С; h() 2gl + S D.

Приме р; Берут монокристалл CaF размером (0,1x0,04x0,04) см и загружают в ячейку из никеля, подсоединенную к вакуумно-распреде- лительной системе. Ячейку откачива- ют до 10 Па и з-аполняют гелием до давления 2,5-10 Па. Нагревают до температзфы 600°С и выдерживают 0,5 ч. Далее ячейку с монокристаллом охлаждают со скоростью 90°с7мин

0

до комнатной температуры и вакуумно перегружают в измерительную камеру,, подсоединенную к масс-спектрометру Нагревают до и регистрируют количество выделившегося гелия до полного его удаления из монокристалла. Это количество составляет 3-10 атм/смз, что равно содержанию кислорода в образце. Систематическая /ошибка составляет 12%.

Предлагаемый способ позволяет повысить на три порядка чувствительнос при определении содержания кислорода в монокристаллах фторидов ЩЗМ (10 атм/смз), улучшить воспроизводи- мость результатов в 2-3 раза, устранить необходимость использования сложного и дорогостоящего оборудования, paбoтaюp eгo в области вакуумного ультрафиолета.

Формула изобретения

. Способ определения кислор ода в твердых веществах, по которому образец помещают в .вакуумную ка- .- меру, нагревают и анализируют вьоде- , лившийся газ.масс-спектрометрическим методом, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и воспроизводимости способа при анализе фторидов щелочно-земель- ных металлов, образец вьщерживают в атмосфере гелия при давлении (t,5- 2,5).10 Па, температуре 600-700°С в течение 0,5-5 ч, охлазщают со скоростью ЭО-ИО /мин до комнатной температуры, нагревают до 1000-1 и регистрируют вьщелившийся гелий, а по его количеству судят о содержании кислорода в образце. .

Изобретение относится к физико-химическим методам анализа и может быть использовано для контроля сверхчистых оптических материалов на основе монокристаллов фторидов щелочно-земельных металлов (ЩЗМ). Целью изобретения является повышение чувствительности и воспроизводимости способа определения кислорода в ЩЗМ. При растворении кислорода в процессе роста кристаллов фторидов ЩЗМ образуется равное количество ионов 0^2- и зарядокомпенсирующих анионных вакансий. Растворение гелия в монокристаллах фторидов ЩЗМ в интервале температур 600-700°С происходит по этим вакансиям. Таким образом, насыщение образца гелия, последующее нагревание образца в камере масс-спектрометра и определение выделившегося гелия позволяет определить содержание кислорода в кристаллах фторидов ЩЗМ. Способ позволяет повысить на три порядка чувствительность при определении кислорода и улучшить в 2-3 раза воспроизводимость результатов анализа.