Способ измерения толщины слоев двухслойного материала Советский патент 1992 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к измерительной технике в частности к измерению толщи ны двухслойных материалов и предназначено для измерения толщины двух слоев двухслойного материала при его производстве и эксплуатации

Известен радиоизотопный способ, заключающийся в направлении двух потоков ионизирующего излучения (ИИ) на поверхность двухслойного материала и регистрации двух потоков излучения, одного из них - провзаимодействующего с материалом первою слоя (основы) второго - с манерна лом первого и нанесенного на него второго слоя (покрытия).

Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает возможности измерения при одностороннем подходе к материалу т к способ основан на поглощении излучения измеряемым материалом

Кроме того, способ пригоден для измерения двух слоев двухслойного материала

лишь в процессе его изготовления т к вначале измеряется толщина основы, а затем - после нанесения покрытия - суммарная толщина слоев При этом устройство реати- зующее этот способ, по сути представляет два толщиномера поскольку включает две пары (источник-детектор) разнесенное в разные участки технологического процесса изготовления двухслойного материала

К недостаткам способа следует также с 1 нести невозможность локального измерения толщины т к измерение основы происходит в одн,лх точках а материала нанесенным покрытием - уже в других т е способ осуществляет измерение средней толщины основания и покрытия

Известен радиоизотопный способ измерения толщины двухслойного материа заключающийся в направлении потока 1111 на поверхность материала и сегистралип потока обратно рассеянного изл, еиич (ОРИ)

Г

х О

со

Недостатком способа является то, что он предназначен для измерения только толщины покрытия при неизвестных толщине и материале основы.

Наиболее близким из известных являет- ся способ определения толщины двухслойного материала, заключающийся в направлении потока N0 ионизирующего излучения на поверхность материала и регист- рации потока обратно рассеянного материалом излучения, при этом измеряют как рассеянное, так и возбужденное в материале покрытия характеристическое флуоресцентное излучение спектрометрическим детектором и разделяют потоки им- пульсов по энергии квантов

Недостатком способа является то, что он измеряет толщину только одного слова, слоя покрытия, и предназначен для измерения лишь одного из определенных элемен- тов, характеристическое излучение которого по энергии достаточно удалено от энергии квантов первичного и рассеянного излучений, а концентрация этого элемента в измеряемом материале не должна изме- няться.

Кроме того, этим способом практически невозможно измерить толщину основы hi и покрытия h2 порядка единиц и десятков миллиметров для материалов средней атомный номер которых не превышает .4, т е. кремний-органический материалов, дерев;: пластмассы л г д

Целью изобре енич является расширение диапазона измеряемых толщин в стс- рону больших от единиц до десятков миллиметров и ассортимента измеряемы/ материалов в сторону бопРс легких, со средним атомным номером не более 1-J при возможности лишь однос ороннего подхо- да к изготовленному двухслойному материалу

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения толщины слоев двухслойного материала с максимальной толщи- ной hi max покрытия и толщиной ha max основы на измеряемый материал со сюро- ны покрытия направляют поток Ы0 ионизирующего излучения под углом а к поверхности измеряемого материапа и ре- гистрируют поток m обры г. о рассеянного излучения, дополнительно peiистрируют второй поток П2 обратно рассеянного излучения материалом основы, для этого экранируют на поверхности -покрытая область шириной d-2hi max/tea , а толщины hi и ГУ/ вычисляют из зависимостей:

hi 7J-ln/i1 No-Ni ехр (Ь2//Р

, J ,Мои

№ Non +N1-N2

(2)

где , Цч - коэффициенты, учитывающие конкретную геометрию (в частности угол а и способность отраженимя ИИ материалом покрытия и основы соответственно.

Ј12 коэффициент, учитывающий угол а и конкретную геометрию и способность поглощения покрытием обратно рассеянного излучения материала основы и направляемого первичного потока ИИ,

Мои - интенсивность обратно рассеянного излучения материалом покрытия при толщине его, превышающей толщину насыщения.

Суть способа заключается в том. что регистрируются два потока обратг о рассеянного излучения. Первый из них представляет собой сумму двух потоков: потока, рассеянно о материалом покрытия и потока, образованного путем поглощения покрытием первичного ИИ, отражения материале основы и вторичного поглощения покрытием; второй поток образуется аналогично переему, за исключением первого слагаемого т.е. составляющей, образованной отражением от материала покрытия Исключение обратно рассеянного излучения от материала покрытия достигается экранированием нз поверхности материала со стороны покрытия области шириной d-2himax/tg« , что может быть реализ л; а но установкой непрозрачного по смирению к перзичнсму излучению экрана между источником и де ,е кто ром либо соответству ющим размете jne-i игл.,маюров детекторов или источ1.

Способ можег бьп реализ н ными ул ойс -зами, схе.ы несколь, ix /з ни приведены нч фиг.1,2 и 3

Устройство изображенное на фиг.1. содержит источник , и дь; детектора 2 и 3, перед детектором 3 установлен экран 4, непрозрачный к первичному излучению Ширина d экрана должна бить не менее чем 2hi max/tg 7 , что лег; о рассчитывается из геометрии.

Ус ройС1во, иллюстрируемое фиг 2, со- дерхиг д а толщиномера, работающих на obpjTHO отгаженног.. излучении. Содержит источник 1, Eiopofi источник 2, разделенные экраном 3, первый детектор 4 и второй детектор 5.

На фиг.З изображено устройство содержа, ее один источник 1 и один детектор 2 ь процессе .койн з изменяет CLOK положение 1/1:змсрен е осуществляется поспеясшзтетьно во времени, т з. вначале измеряется перзый I.OIOK пр поднятом

экране 3, а затем экран устанавливается на измеряемый двухслойный материал и измеряется второй поток.

Замена источников и детекторов местами не изменяет геометрии потоков и полученных выражений, но дает еще три устройства, реализующие данный способ.

Вывод выражений (1), (2) проиллюстрируем на примере фиг.1 для определения потока N2 ОРИ, поступающего в детекторе 2 при направлении потока ИИ на измеряемый двухслойный материал с неизвестными hi и h2. учитываются следующие процессы:

-отражение падающего излучения слоем толщиной hi покрытия (первое слагаемое (3),

-поглощение падающего излучения слоем толщиной hi покрытия,

-отражение падающего излучения слоем толщиной h2 основы,

-поглощение слоем толщиной hi покрытия ОРИ ОТ СЛОЯ ТОЛЩИНЫ Г12 ОСНОВЫ

(последние три процесса составляют второе слагаемое (3)

(1 -е-. h2HN0e- h2 0 е М)

(3)

Для вычисления потока ОРИ, поступающего в детектор 3 при направлении излучения на измеряемый двухслойный материал, учитываются следующие процессы:

поглощение падающего излучения слоем покрытия толщиной hi;

-отражение излучения слоем основы

ТОЛЩИНОЙ Г12.

-поглощение слоем покрытия ОРИ от

СЛОЯ ТОЛЩИНОЙ П2.

Выходной сигнал NI первого детектора равен

N1-N0e- Ml-e / 1h1)(4)

Выразив из (3) с учетом (4) толщину h2 покрытия, получим формулу (2), а подставив полученное выражение (2) в (3) и решив последнее относительно hi, будем иметь выражение (1),

Коэффициенты, входящие в выражения (1), (2), определяются следующим образом.

Вначале направляют поток ИИ интенсивности NO на образец из материала покрытия толщиной, превышающей толщину насыщения, и, измеряя интенсивность ОРИ вторым детектором, получают величину М0п, затем то же повторяют при направлении потока на образец из материала основы толщиной, превышающей толщину насыщения, и получают NOM.

Затем направляют поток ИИ на образец с известной толщиной hM из материала основы и регистрируют первым детектором величину

(1- e hM NOM-NoM Ьм) где /ui - коэффициент, учитывающий геометрию и способность к отражению материала основы, при известных М0м, NM и Нм вычисляем

1 ,. NOM

0

5

hM NOM - NM

(5)

При подобном измерении потока Мп, отраженного от образца покрытия известной толщиной hn, вторым детектором аналогично получаем U2 - коэффициент, учитывающий геометрию и способность к отражению материала покрытия.

„ 1 ,„ Non

(6)

Коэффициент U2, учитывающий геомет- рию и способность к поглощению излучения материалом покрытия, определяют, направляя поток ИИ на образец из материала основы толщиной, превышающей толщину насыщения, на которой наложен образец материала покрытия известной толщины hn, и, регистрируя первым детектором интенсивность расеянного потока NMn, равную

NMn NOMe- hn, откуда

NQM

2 ТГ |п КГ- Пп NMn

(7)

Угол а находится в диапазоне («min . «max). Минимальное значение угла

определяется энергией источника ИИ, т.е. толщиной hCH слоя насыщения для вещества измеряемого материала при данной энергии источника ИИ, и максимальной толщиной himax покрытия и вычисляется по

формуле

. . 2 hi max «min arcsm-г

Пен

Обоснование полученной формулы понятно из фиг.1 и следующих рассуждений:

чтобы частица (квант) ИИ могла зарегистрироваться детектором 3, она должна дважды (туда и обратно) пройти толщину покрытия под углом а и это расстояние должно быть не больше толщины насыщения для выоранного источника ИИ.

Максимальное значение угла a max определяется в конечном итоге геометрией прибора, реализующего данный способ, а именно, размерами источника, детектора, их коллиматорами и взаимным расположением. Для имеющих в настоящее время про- мышленных источников и детекторов максимальное значение угла а составляет порядка 85°.

Формула изобретения Способ измерения толщины слоев двухслойного материала с максимальной толщиной гимакс покрытия и толщиной h макс основы, заключающийся в том, что на измеряемый материал направляют поток No ионизирующего излучения под углом а к поверхности измеряемого материала и регистрируют поток NI обратно рассеянного излучения и определяют толщину слоев, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых толщин от единиц до десятков миллиметров и ассортимента измеряемых материалов в сторону более легких, со средним атомным номером менее 14, перед определением толщины слоев на поверхности покрытия экранируют область шириной d 2hiMaKC/tg# , расположенную между источником и детектором, регистрируют поток N2 обратно рассеянного излучения, а тол0

5

0

щины hi покрытия и ha основы определяют по формулам

hl-1 тN° , , ;

1 No-Ni exp()

h,J inNon

2 № Non +N1-N21

где ,2 - коэффициенты, учитывающие конкретную геометрию и способность отражения ионизирующего излучения материалом покрытия и основы, соответственно;

/W2 2 -коэффициенты, учитывающие конкретную геометрию и способность поглощения покрытием обратно рассеянного излучения материала основы и направляемого потока ионизирующего излучения;

Non - интенсивность обратно рассеянного излучения материалом покрытия при толщине его, превышающая толщину насыщения.

Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано для измерения толщины обоих слоев двухслой ного материала. Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых толщин от единиц до десятков миллиметров и обеспечение возможности измерения материалов атомный номер которых не превышает 14 Сущность изобретения: на поверхности измеряемого материала зкозь р ст ирино c-2himx tg / и njMt якл ...гг, i поток обратно рассеянного излучения с- тектором, работающим в счетном режиме и защищенном от попадания в чего излучения, рассеянного покрытием. 3 ил

(pve. /

. 2

згс/тт

h

j/niyx.

Ј /П&К.

Фаг. 3

rrf