專(zhuān)利名稱(chēng)：充氣容器、原子探針裝置及材料中氫位置分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及充氣容器、原子探針裝置及材料中氫位置分析方法。本發(fā)明尤其是關(guān) 于提高原子探針裝置的功能的技術(shù)，該原子探針裝置通過(guò)一個(gè)一個(gè)地直接測(cè)定試料的原 子，能夠調(diào)查非常細(xì)微的區(qū)域的原子結(jié)構(gòu)。根據(jù)該技術(shù)，能夠進(jìn)行以往難以觀察的、材料中 的氫的存在位置的直接觀察，因此能夠?qū)δ蜌浯嗷匦詢(xún)?yōu)良的材料開(kāi)發(fā)具有較大貢獻(xiàn)。本申請(qǐng)基于2008年6月24日在日本提出的日本特愿2008-164619號(hào)、2009年5 月12日在日本提出的日本特愿2009-1154 號(hào)主張其優(yōu)先權(quán)，并將它們的內(nèi)容引用于此。
背景技術(shù)：
如在非專(zhuān)利文獻(xiàn)1中介紹的那樣，原子探針裝置能夠以納米以下的高空間分辨率 來(lái)測(cè)定試料的構(gòu)成原子的空間位置及元素種類(lèi)，例如利用于導(dǎo)電性材料的原子級(jí)別的組織 解析。原子探針裝置的原理為，對(duì)于加工成針狀的導(dǎo)電性試料，施加較高的DC電壓和脈沖 電壓，通過(guò)形成在針表面上的高電場(chǎng)，使試料表面原子依次場(chǎng)蒸發(fā)，通過(guò)檢測(cè)器捕捉產(chǎn)生的 離子并進(jìn)行分析。也能夠代替脈沖電壓，而通過(guò)照射激光來(lái)輔助場(chǎng)蒸發(fā)并分析非傳導(dǎo)材料。 蒸發(fā)的離子到達(dá)檢測(cè)器為止的飛行時(shí)間由離子的質(zhì)量來(lái)決定，因此根據(jù)該計(jì)測(cè)能夠推斷出 元素種類(lèi)。到目前為止，開(kāi)發(fā)了多種原子探針裝置。其中實(shí)用性最高的三維原子探針裝置為， 通過(guò)由坐標(biāo)檢測(cè)器測(cè)定離子的到達(dá)坐標(biāo)，由此不僅能夠計(jì)測(cè)深度方向上的離子的排列，還 能夠計(jì)測(cè)試料中的實(shí)際的三維空間位置。通常，對(duì)于收集了 10萬(wàn)個(gè)原子以上的測(cè)定原子數(shù) 據(jù)集，通過(guò)考慮針尖的電場(chǎng)分布而計(jì)算離子的飛行方向，由此能夠以晶面間距級(jí)別的空間 分辨率將試料中的三維元素位置分布可視化。然而，鋼鐵材料中的氫成為氫裂(滯后破壞)的原因，一直以來(lái)尋求其對(duì)策。進(jìn)入 到鋼中的氫在鋼中擴(kuò)散，移動(dòng)及集積到特定部位，減弱原子間的內(nèi)聚力等而成為破壞的起 點(diǎn)(產(chǎn)生裂縫)。氫裂不僅是在鋼鐵中，在多種金屬材料中成為問(wèn)題。鋼鐵材料中的氫雖然 是在決定鋼鐵材料的可靠性方面非常重要的元素，但還未能夠直接觀察地將其捕捉。其原 因?yàn)?，氫的擴(kuò)散速度非?？?，并且固溶量也極少。因此，一直以來(lái)為了觀察鋼中的氧，開(kāi)發(fā)了 各種方法及裝置。當(dāng)前，作為調(diào)查鋼中存在(陷阱、固溶等)的氫量的方法，利用最多的方法是升溫 脫離法。在該升溫脫離法中，主要使用氬氣中加熱提取-氣相色譜法(Thermal Desorption Analysis :TDA)禾口真空中力口熱提取一質(zhì)量分析法(Thermal Desorption Spectrometry TDS)兩種。但是，每個(gè)方法雖然都能估計(jì)氫的陷阱能和存在量，但都不能直接地調(diào)查氫的存 在位置。在非專(zhuān)利文獻(xiàn)2中報(bào)告了如下情況，通過(guò)二次離子質(zhì)量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry =SIMS)觀察到鋼鐵材料中的氫或重氫。但是，其空間分辨率停留在 2 μ m左右，在含有被稱(chēng)為氫陷阱能力高的0. 1 μ m以下的細(xì)微析出物的鋼材中，不能夠調(diào)查 在哪個(gè)部分存在氫。
在專(zhuān)利文獻(xiàn)3所記載的氚自射線(xiàn)照相法中，利用從氚發(fā)出的放射線(xiàn)，在涂布到鋼 鐵材料表面上的乳劑或干板上使銀析出等，而能夠得到有關(guān)氫的存在位置的信息。此外，在非專(zhuān)利文獻(xiàn)4所記載的氫微印法中，將從鋼鐵材料的表面放出的氫，通過(guò) 與溴化銀的氧化還原反應(yīng)，而能夠作為銀粒子間接地捕捉。但是，在這些方法中都使用乳劑，所以沒(méi)有0. ιμπι以下的空間分辨率。因此，不能 夠進(jìn)行在鋼鐵材料的哪個(gè)部分存在氫的判斷。相對(duì)于這樣的現(xiàn)有技術(shù)，三維原子探針(3DAP)法具有較高的空間分辨率，原理上 能夠進(jìn)行氫檢測(cè)，存在檢測(cè)出氫的存在位置的可能性。由于氫的擴(kuò)散速度非?？?，因此充氣 到試料中的氫在充氣后僅在室溫下保持短時(shí)間，就從陷阱部分脫出，并產(chǎn)生從試料的表面 脫出的現(xiàn)象。在3DAP中，將試料冷卻至100Κ以下進(jìn)行測(cè)定，因此在防止捕獲了的氫的脫離 的方面有利。但是，即使事前加工針狀材料、并將氫充氣到該針狀材料，在導(dǎo)入3DAP裝置中 之前的短時(shí)間內(nèi)，充氣的氫也會(huì)擴(kuò)散，并在非常短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生從針狀材料的表面脫出的現(xiàn) 象。因此難以進(jìn)行分析。在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了以亞納米( 0. 2nm)來(lái)檢測(cè)材料缺陷的裝置及測(cè)定方法。 在該方法中，向使用3DAP法的分析容器(分析室)內(nèi)導(dǎo)入重氫氣，向加熱了的針狀材料(試 料)中充氣重氫，并通過(guò)原子探針對(duì)其進(jìn)行分析。使用重氫氣的理由為，在高真空排氣后的 容器(室)內(nèi)也會(huì)存在殘留氫氣，其進(jìn)行后離子化而被檢測(cè)出，無(wú)法與試料內(nèi)存在的氫進(jìn)行 區(qū)別。但是，即使使用重氫氣，由于也在分析前將重氫氣放入容器內(nèi)，因此即使進(jìn)行真空排 氣也會(huì)殘留重氫，并產(chǎn)生與氫完全相同的現(xiàn)象，即殘留重氫由于后離子化而被檢測(cè)出，無(wú)法 與充氣到試料內(nèi)的重氫進(jìn)行區(qū)別。并且，在原子探針測(cè)定中通常需要100K以下的低溫，但 在通常的裝置中，將試料冷卻至該溫度為止需要20分鐘以上的較長(zhǎng)時(shí)間。因此，在進(jìn)行冷 卻的期間，充氣的重氫有時(shí)也會(huì)從試料脫離，難以進(jìn)行作為目的的氫存在位置的觀察。鑒于這樣的狀況，要求能夠以原子級(jí)別測(cè)定材料中的氫存在位置的新的裝置及方 法。專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)平9-15M10號(hào)公報(bào)非專(zhuān)利文獻(xiàn)1 :日本鋼鐵協(xié)會(huì)，第53、54回白石紀(jì)念講座“支持鋼鐵材料的進(jìn)步的 納米技術(shù)”文本非專(zhuān)利文獻(xiàn)2 日本金屬學(xué)會(huì)志，第58卷，第12號(hào)(1994) 1380-1385非專(zhuān)利文獻(xiàn)3 :CAMP-ISIJ, V01. 14(2001)645非專(zhuān)利文獻(xiàn)4 :CAMP-ISIJ, V01. 13(2000) 1379-1381為了不使充氣的重氫脫離至試料外、并且防止試料的污染而進(jìn)行原子探針測(cè)定， 需要在裝置內(nèi)充氣重氫氣，并極力抑制充氣重氫從充氣后的試料脫離。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的為提高原子探針裝置的功能，該原子探針裝置由于以原子級(jí) 別測(cè)定材料中的氫的存在位置，并將其活用于材料設(shè)計(jì)中。即，本發(fā)明的目的在于提供對(duì) 測(cè)定材料中的氫的存在位置具有貢獻(xiàn)的充氣容器、原子探針裝置以及材料中氫位置分析方 法。本發(fā)明者認(rèn)真研究了用于以原子級(jí)別的位置分辨率測(cè)定充氣到材料中的氫的裝置及方法。結(jié)果，認(rèn)為為了避免由于溶液中的電解電荷而發(fā)生的針狀材料的腐蝕或變質(zhì)，優(yōu) 選充氣。作為氣體的種類(lèi)，認(rèn)為優(yōu)選氫的同位素，使用重氫氣。因此，提出了在原子探針裝 置內(nèi)充氣重氫氣的裝置及方法。并且，為了防止向針狀材料充氣的重氫氣的脫離，提出了將 被充氣后的針狀材料急速冷卻的裝置及方法。進(jìn)而，提出了將含有充氣的重氫的針狀材料 在低溫狀態(tài)下、在短時(shí)間內(nèi)不污染試料地移動(dòng)至分析容器的裝置及方法。通過(guò)這些裝置和 最佳的使用方法的組合，能夠以原子級(jí)別的空間分辨率觀察針狀材料中的氫的存在位置。考慮以上情況，在本發(fā)明中采用了以下方式。(1)本發(fā)明的充氣容器，具有試料保持器，保持針狀材料；重氫氣供給機(jī)構(gòu)，將重 氫氣向該試料保持器所保持的上述針狀材料進(jìn)行充氣；以及加熱機(jī)構(gòu)，對(duì)上述試料保持器 所保持的上述針狀材料進(jìn)行加熱；在通過(guò)上述加熱機(jī)構(gòu)對(duì)上述針狀材料進(jìn)行了加熱之后，通過(guò)遮斷基于該加熱機(jī)構(gòu) 的加熱，由此對(duì)上述針狀材料進(jìn)行冷卻。(2)在上述(1)所述的充氣容器中，也可以采用如下結(jié)構(gòu)在通過(guò)上述加熱機(jī)構(gòu)對(duì) 上述針狀材料進(jìn)行了加熱之后，通過(guò)使該加熱機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離上述試料保持器，由此對(duì)上述針狀 材料進(jìn)行冷卻。(3)在上述(1)所述的充氣容器中，也可以采用如下結(jié)構(gòu)上述加熱機(jī)構(gòu)為光學(xué)加 熱機(jī)構(gòu)，在通過(guò)該光學(xué)加熱機(jī)構(gòu)對(duì)上述針狀材料進(jìn)行了加熱之后，通過(guò)使該光學(xué)加熱機(jī)構(gòu) 停止，由此對(duì)上述針狀材料進(jìn)行冷卻。(4)在上述(1)所述的充氣容器中，也可以采用如下結(jié)構(gòu)將上述試料保持器所保 持的上述針狀材料，在10秒以?xún)?nèi)從基于上述加熱機(jī)構(gòu)的加熱后的溫度冷卻至-50°C以下。(5)此外，本發(fā)明的原子探針裝置具有上述(1)所述的充氣容器；分析容器，對(duì)上 述試料保持器所保持的上述針狀材料進(jìn)行原子探針測(cè)定；以及搬送機(jī)構(gòu)，將上述試料保持 器從上述充氣容器搬送至上述分析容器內(nèi)的分析位置。(6)此外，本發(fā)明的原子探針裝置具有上述(1)所述的充氣容器；分析容器，對(duì)上 述試料保持器所保持的上述針狀材料進(jìn)行原子探針測(cè)定；以及閥，對(duì)該充氣容器及分析容 器之間進(jìn)行連結(jié)。(7)此外，本發(fā)明是使用原子探針裝置對(duì)材料中的氫位置進(jìn)行分析的方法，具有 在上述(1)所述的充氣容器內(nèi)，在含有從上述重氫氣供給機(jī)構(gòu)供給的上述重氫氣的氣體環(huán) 境中，將保持了作為上述材料的上述針狀材料的上述試料保持器冷卻至-100°C以下的工 序；通過(guò)上述加熱機(jī)構(gòu)使上述針狀材料的溫度上升至100°c以上并保持的工序；通過(guò)上述 冷卻機(jī)構(gòu)將上述針狀材料在10秒以?xún)?nèi)冷卻至-50°c以下的工序；在對(duì)上述充氣容器內(nèi)進(jìn)行 真空排氣之后，在將上述針狀材料保持在-50°C以下的狀態(tài)下，使用上述搬送機(jī)構(gòu)將上述試 料保持器在真空氣體環(huán)境中從上述充氣容器內(nèi)搬運(yùn)至上述分析容器，并將上述試料保持器 設(shè)置到上述分析容器內(nèi)的分析位置上的工序；以及進(jìn)行上述針狀材料中的重氫的原子探針 測(cè)定的工序。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，能夠簡(jiǎn)單且可靠地向材料充氣重氫，能夠在抑制材料中的重氫的擴(kuò) 散的同時(shí)迅速地進(jìn)行原子探針測(cè)定。因此，實(shí)現(xiàn)能夠根據(jù)元素構(gòu)成來(lái)調(diào)查材料的原子探針 裝置的功能提高，能夠明確以鋼材為代表的材料中的氫存在位置。因此，能夠提供對(duì)確保了可靠性的材料開(kāi)發(fā)做出較大貢獻(xiàn)的裝置及方法。


圖1是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的三維原子探針裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖2是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的一維原子探針裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖3是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的其他的三維原子探針裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖4是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的充氣容器內(nèi)的結(jié)構(gòu)的圖。圖5是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的充氣容器內(nèi)的結(jié)構(gòu)的圖。圖6是表示針狀材料的溫度曲線(xiàn)的圖表。圖7是表示在實(shí)施例2中測(cè)定的冷拉珠光體鋼中的重氫的3DAP圖像(圖中，小圓 點(diǎn)表示碳原子位置，大圓點(diǎn)表示重氫原子位置)。圖8是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的較優(yōu)選的原子探針裝置的結(jié)構(gòu)圖的一個(gè)例子。圖9是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的充氣容器的結(jié)構(gòu)圖的一個(gè)例子。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。另外，在本說(shuō)明書(shū)及附圖中，對(duì) 于具有實(shí)質(zhì)上相同的功能結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)要素賦予相同符號(hào)，由此省略它們的重復(fù)說(shuō)明。本發(fā)明的一個(gè)基本實(shí)施方式由充氣容器構(gòu)成，該充氣容器至少具有保持針狀材料 的試料保持器、重氫氣供給機(jī)構(gòu)、用于加熱上述針狀材料的加熱機(jī)構(gòu)、以及用于冷卻上述試 料保持器的冷卻機(jī)構(gòu)。此外，本發(fā)明的另一個(gè)基本實(shí)施方式由原子探針裝置構(gòu)成，該原子探針至少具有 進(jìn)行原子探針測(cè)定的分析容器、上述充氣容器、以及將試料保持器從上述充氣容器搬送至 上述分析容器內(nèi)的分析位置的機(jī)構(gòu)。進(jìn)而，本發(fā)明的再另一個(gè)基本實(shí)施方式是使用了上述原子探針裝置的氫位置的分 析方法。在該氫位置的分析方法中，在充氣容器內(nèi)，在含有從重氫氣供給機(jī)構(gòu)供給的重氫氣 的氣體環(huán)境中，在通過(guò)冷卻機(jī)構(gòu)將保持了針狀材料的試料保持器冷卻至-100°c以下的狀態(tài) 下，通過(guò)加熱機(jī)構(gòu)使針狀材料溫度上升至100°c以上并保持。然后，在10秒以?xún)?nèi)將針狀材料 急速冷卻至-50°c以下，并在將充氣容器內(nèi)進(jìn)行真空排氣之后，在將針狀材料保持為-50°c 以下的狀態(tài)下，在真空環(huán)境中使用搬送機(jī)構(gòu)將試料保持器從充氣容器內(nèi)搬送至分析容器。 接著，在將試料保持器設(shè)置到分析容器內(nèi)的規(guī)定的分析位置上之后，進(jìn)行材料中的重氫的 原子探針測(cè)定。圖1 圖3中表示本發(fā)明的對(duì)材料中的氫存在位置進(jìn)行決定的原子探針裝置的例 子。此外，圖4、圖5中表示充氣容器的結(jié)構(gòu)的例子。本實(shí)施方式的原子探針裝置，至少具有 在與分析容器分體的充氣容器內(nèi)導(dǎo)入重氫氣的機(jī)構(gòu)、加熱針狀材料的機(jī)構(gòu)、急速冷卻針狀 材料的機(jī)構(gòu)、以及將冷卻后的狀態(tài)的針狀材料從充氣容器向分析容器搬送的機(jī)構(gòu)。圖1是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的三維原子探針裝置的結(jié)構(gòu)的圖。該三維原子 探針裝置至少具有分析容器101 ；充氣容器103，至少具有重氫氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)、針狀材料加熱 機(jī)構(gòu)以及將針狀材料109急速冷卻的機(jī)構(gòu)；以及搬送機(jī)構(gòu)111，將針狀材料109搬送至分析 容器101。另外，圖1中的符號(hào)108表示FIM屏幕。
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此外，圖2是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的一維原子探針裝置的結(jié)構(gòu)的圖。該一 維原子探針裝置至少具有分析容器101 ；充氣容器103，至少具有重氫氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)、針狀材 料加熱機(jī)構(gòu)以及將針狀材料109急速冷卻的機(jī)構(gòu)；以及搬送機(jī)構(gòu)111，將針狀材料109搬送 至分析容器101。另外，圖2中的符號(hào)112表示帶探針孔的FIM屏幕。此外，圖3是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的其他三維原子探針裝置的結(jié)構(gòu)的圖。 該三維原子探針裝置至少具有分析容器101 ；充氣容器103，至少具有重氫氣導(dǎo)入機(jī)構(gòu)、針 狀材料加熱機(jī)構(gòu)以及將針狀材料109急速冷卻的機(jī)構(gòu)；以及搬送機(jī)構(gòu)111，將針狀材料109 搬送至分析容器101。該圖3所示的三維原子探針裝置與圖1所示的三維原子探針裝置的 不同點(diǎn)為，不附帶進(jìn)行質(zhì)量修正的反射器(reflectron) 106。針狀材料109通過(guò)電解研磨等在裝置外制作，并在安裝到試料保持器118上的狀 態(tài)下導(dǎo)入試料導(dǎo)入容器104內(nèi)。然后，在將試料導(dǎo)入容器104內(nèi)以及試料保管容器102內(nèi) 進(jìn)行了真空排氣之后，通過(guò)傳輸桿111使其向試料保管容器102內(nèi)移動(dòng)并進(jìn)行保管。并且，通過(guò)傳輸桿111能夠從試料保管容器102進(jìn)一步移動(dòng)至充氣容器103內(nèi)，在 此能夠以規(guī)定的條件進(jìn)行充氣、冷卻。進(jìn)而，能夠經(jīng)由試料保管容器102移動(dòng)至分析容器 101內(nèi)的規(guī)定位置。在各容器之間分別設(shè)置有閥105，能夠個(gè)別地將各容器內(nèi)進(jìn)行真空排 氣。在分析容器101內(nèi)的規(guī)定位置上配置針狀材料109以及試料保持器118，冷卻針 狀材料109，將分析容器101內(nèi)保持為高真空，對(duì)針狀材料109施加高電壓。結(jié)果，能夠使 針狀材料109的表面結(jié)構(gòu)原子逐個(gè)地場(chǎng)蒸發(fā)離子化。通常，通過(guò)在正的DC電壓上疊加正的 脈沖電壓，由此能夠控制性良好地進(jìn)行離子化。此外，通過(guò)對(duì)針狀材料施加正的DC電壓， 并對(duì)在針狀試料的前端設(shè)置的環(huán)狀電極施加負(fù)的脈沖，由此也能夠控制性良好地進(jìn)行離子 化。在三維原子探針中，能夠測(cè)定飛行的離子的飛行時(shí)間和檢測(cè)器面的位置。此外，在一維 原子探針中，能夠測(cè)定飛行時(shí)間。在圖1 圖3中表示離子的飛行軌跡110。在圖1及圖2 的原子探針中，為了提高質(zhì)量分辨率，經(jīng)由反射器106通過(guò)檢測(cè)器來(lái)捕捉飛行離子，相對(duì)于 此，在圖3的原子探針中直接進(jìn)行捕捉。進(jìn)而，圖8表示用于測(cè)定針狀材料109中的氫存在位置的更優(yōu)選的原子探針裝置。 該原子探針裝置也是在與分析容器101不同的充氣容器103內(nèi)至少具有導(dǎo)入重氫氣的機(jī) 構(gòu)、加熱針狀材料109的機(jī)構(gòu)、將針狀材料109急速冷卻的機(jī)構(gòu)、以及保持冷卻后的狀態(tài)地 將針狀材料109從充氣容器103向分析容器101搬送的機(jī)構(gòu)。另外，在圖8中，符號(hào)107表 示位置坐標(biāo)檢測(cè)器，符號(hào)108表示FIM屏幕。該圖8所示的原子探針裝置與圖1 圖3所示的不同，充氣容器103經(jīng)由閥105 配置在分析容器101的旁邊。因此，在充氣容器103內(nèi)對(duì)針狀材料109充氣重氫之后，通過(guò) 與充氣容器103連接的傳輸桿111，能夠盡快將針狀材料109向分析容器101搬送，并進(jìn)行 冷卻。在圖1 圖3所示的原子探針裝置中，在使針狀材料109從充氣容器103 —度移動(dòng) 至試料保管容器102之后，導(dǎo)入到分析容器101。另一方面，在圖8的原子探針裝置中，針狀 材料109的移動(dòng)所花費(fèi)的時(shí)間縮短與省略該路徑相當(dāng)?shù)牧浚軌蛞种瞥錃獾闹貧鋸尼槧畈?料109脫離。另外，通常，原子探針裝置不僅用于氫分析，但在如圖8那樣的結(jié)構(gòu)的情況下， 不適合氫分析以外的分析。因此，通常不會(huì)想到使原子探針裝置結(jié)構(gòu)成為圖8那樣的結(jié)構(gòu)。圖4及圖5是表示圖1 圖3所示的充氣容器103內(nèi)的詳細(xì)情況的圖。此外，圖9是表示圖8所示的充氣容器103內(nèi)的詳細(xì)情況的圖。另外，這里所述的原子探針裝置包括一維原子探針裝置、三維原子探針裝置以及 掃描式原子探針裝置，并且是具有原子間隔級(jí)別的空間分辨率的元素位置分析裝置。以下，對(duì)各結(jié)構(gòu)的詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。為了將重氫充氣到測(cè)定對(duì)象的針狀材料109，需要向收容了測(cè)定對(duì)象的針狀材料 109的充氣容器103內(nèi)導(dǎo)入重氫氣，提高氣體壓力，使針狀材料109的溫度上升。針狀材料 109的形狀，為了能夠進(jìn)行原子探針?lè)治龆蔀獒槧睢＿M(jìn)行重氫氣充氣的充氣容器103需要 與實(shí)際進(jìn)行原子探針?lè)治龅姆治鋈萜?01分體。其原因?yàn)?，在將重氫的充氣和測(cè)定在同一 容器內(nèi)進(jìn)行的以往的原子探針裝置中，在原子探針測(cè)定時(shí)，難以區(qū)別被充氣后的試料(針 狀材料109)內(nèi)的重氫、和容器內(nèi)的殘留重氫氣(化學(xué))吸附在試料表面而離子化(后離子 化)并被檢測(cè)出的重氫。在重氫充氣中使用氣體的理由為，容易進(jìn)行導(dǎo)入排氣等處理、以及 能夠抑制充氣中的試料表面的腐蝕或變質(zhì)。施加氣體壓力的原因?yàn)?，使與試料(針狀材料109)碰撞的重氫分子的頻度(試 行次數(shù))變高而提高向試料內(nèi)的進(jìn)入概率。此外，使試料的溫度上升的原因?yàn)?，通過(guò)增大 進(jìn)行碰撞的重氫分子的能量來(lái)提高越過(guò)表面障壁的概率。充氣容器103內(nèi)的重氫分壓優(yōu) 選為10Torr(l. 33X IO3Pa)以上，更優(yōu)選為200Torr (2. 67X IO4Pa)以上。充氣容器103 內(nèi)的重氫分壓的上限不特別指定，但在通常的真空容器的情況下，從壓力強(qiáng)度方面考慮， 1500Torr(2. OOXlO5Pa)為限度。當(dāng)然，也可以使用特殊壓力容器而使用更高的壓力。試料溫度優(yōu)選為100°C以上，更優(yōu)選為200°C以上。另一方面，在試料溫度過(guò)高的 情況下，試料的組織可能變化。為了避免該情況的上限溫度根據(jù)試料的素材而不同，但通常 為400°C左右。此外，保持時(shí)間是用于將重氫向針狀材料109充分充氣的時(shí)間，根據(jù)溫度、壓 力、材料而不同，但優(yōu)選1分鐘 20分鐘之間的范圍。在1分鐘以?xún)?nèi)，不能充氣足夠量的重 氫，若超過(guò)20分鐘，則由于重氫的浸蝕等效果，存在試料的表面形狀變化的可能性。優(yōu)選在將充氣容器103真空排氣為lX10-7Torr(l. 3 X I(T5Pa)以下之后導(dǎo)入重氫 氣。此時(shí)的重氫氣的導(dǎo)入壓力，例如能夠通過(guò)充氣容器103中安裝的壓力計(jì)等來(lái)測(cè)定。使 用氫的同位素(這里為重氫)的目的是為了能夠與存在于分析容器101內(nèi)的殘留氫氣的離 子進(jìn)行區(qū)別。因此，尤其需要使充氣容器103的環(huán)境氣體壓力中的氫的分壓為5%以下、更 優(yōu)選為1 %以下。關(guān)于其他氣體種類(lèi)，只要不妨礙對(duì)重氫氣進(jìn)行充氣，則也可以存在一些，但 為了防止對(duì)試料表面的影響以及提高對(duì)重氫氣進(jìn)行充氣的效率，優(yōu)選使環(huán)境氣體壓力中的 重氫的分壓為90%以上、更優(yōu)選為98%以上。作為將針狀材料109加熱保持在規(guī)定溫度的針狀材料加熱機(jī)構(gòu)，是能夠加熱針狀 材料109的機(jī)構(gòu)即可，例如優(yōu)選為如下的電加熱器具有覆蓋設(shè)置在充氣容器103內(nèi)的針狀 材料109的形狀，并能夠改變與針狀材料109之間的距離。優(yōu)選為覆蓋針狀材料109的形 狀的理由是為了能夠僅對(duì)針狀材料109的前端部進(jìn)行有效加熱。此外，作為其他加熱機(jī)構(gòu)， 例如通過(guò)使設(shè)置在充氣容器103外的激光器或燈透過(guò)帶玻璃窗的凸緣而照射充氣容器103 內(nèi)的針狀材料109，由此也能夠進(jìn)行針狀材料109的加熱。重氫充氣中或冷卻中的針狀材料109的溫度難以直接測(cè)定。因此，例如制作模仿 了實(shí)際的針狀材料109的熱電偶，安裝于試料保持器118，預(yù)先計(jì)測(cè)溫度變化。并且，調(diào)查加 熱器的輸出、經(jīng)過(guò)時(shí)間或環(huán)境氣體壓力與溫度之間的關(guān)系，能夠預(yù)測(cè)實(shí)際的溫度。此外，將熱電偶設(shè)置在從針狀材料109稍微離開(kāi)的位置上，在充氣中或冷卻中計(jì)測(cè)其溫度，由此還 能夠提高實(shí)際的溫度的預(yù)測(cè)精度。在將針狀材料109加熱后進(jìn)行急速冷卻的功能極其重要。在重氫氣環(huán)境下提高針 狀材料109的溫度會(huì)使重氫充氣(吸收)到針狀材料109內(nèi)，但在其后的冷卻時(shí)的冷卻速度 較慢的情況下，處于欠缺等陷阱部分中的重氫從陷阱部分脫出而從針狀材料109脫離。進(jìn) 而，固溶的重氫也會(huì)由于固溶限的下降而從針狀材料109脫離。因此，需要將在高溫下充氣 了重氫的針狀材料109在短時(shí)間內(nèi)冷卻至較低的溫度。但是，在維持高真空度的裝置內(nèi)，不 容易附加該功能。作為對(duì)針狀材料109進(jìn)行急速冷卻的冷卻機(jī)構(gòu)，例如優(yōu)選從安裝在充氣容器103 外的液氮容器導(dǎo)入液氮、或冷凍機(jī)(低溫恒溫器)121等。通過(guò)使其經(jīng)由指形冷凍器與針狀 材料109熱接觸，由此能夠冷卻針狀材料109。但是，在通常的使用中，由于難以在短時(shí)間內(nèi) 降低試料溫度，因此例如優(yōu)選以下方法。即，事先使針狀材料109的試料保持器118與上述液氮杜瓦瓶或冷凍機(jī)121熱 接觸，在含有重氫氣的氣體環(huán)境中，通過(guò)冷卻機(jī)構(gòu)優(yōu)選將試料保持器118冷卻至-100°C以 下、更優(yōu)選為-150°C以下。然后，在該狀態(tài)下，通過(guò)上述加熱機(jī)構(gòu)僅對(duì)針狀材料109的前端 部進(jìn)行加熱而使其上升至規(guī)定的溫度并保持。之后，通過(guò)使加熱器離開(kāi)針狀材料109或停 止激光，由此能夠通過(guò)從試料保持器118的熱傳導(dǎo)將針狀材料109在10秒以?xún)?nèi)急速冷卻 至-50°C以下、優(yōu)選為-100°C以下。冷卻所花費(fèi)的時(shí)間越短越好，在實(shí)際的裝置內(nèi)，不容易將加熱后的針狀材料109 瞬間地冷卻，實(shí)際上只要在10秒以?xún)?nèi)，則能夠進(jìn)行充氣的重氫的觀察。此外，為了使充氣的 重氫難以從針狀材料109中脫離，此時(shí)的冷卻到達(dá)溫度越低越好，但當(dāng)冷卻所花費(fèi)的時(shí)間 變長(zhǎng)時(shí)，脫離的頻度增加，因此冷卻所需要的時(shí)間優(yōu)選為1分鐘以?xún)?nèi)。對(duì)冷卻后的針狀材料109進(jìn)行搬送的搬送機(jī)構(gòu)，用于使充氣了重氫的針狀材料 109與試料保持器118 —起從充氣容器103移動(dòng)至分析容器101。該搬送機(jī)構(gòu)的搬送，為了 使充氣的重氫不從針狀材料109的表面脫離，需要在冷卻后的針狀材料109的溫度不上升 的時(shí)間內(nèi)、且以在針狀材料109的表面不附著污垢的方式進(jìn)行。例如，通過(guò)在試料保持器 118上設(shè)置外螺紋，并在移動(dòng)用的夾具上設(shè)置相同尺寸的內(nèi)螺紋而螺入其中，由此能夠在短 時(shí)間內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)。在試料保持器118的冷卻后、移動(dòng)至分析容器101所花費(fèi)的時(shí)間，從試料 溫度的上升和試料表面的污垢的觀點(diǎn)來(lái)看，優(yōu)選為3分鐘以?xún)?nèi)、更優(yōu)選為1分鐘以?xún)?nèi)。此外， 例如作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)存在傳輸桿。為了使移動(dòng)中的針狀材料109的表面上不附著污垢，在移動(dòng)前的狀態(tài)下， 優(yōu)選使充氣容器103內(nèi)的真空度為lX10_7Torr(1.3X10_5Pa)以下，使試料保管容 器102內(nèi)的真空度為IX IO-8Torr (1.3 X I(T6Pa)以下，使分析容器101內(nèi)的真空度為 2X IO-10Torr (2. 6X IO-8Pa)以下。當(dāng)這些真空度較差時(shí)，會(huì)在針狀材料109的表面上附著污 物，產(chǎn)生在原子探針測(cè)定時(shí)將該污物除去的必要，成為針狀材料109的破壞或噪聲的原因， 捕捉充氣重氫變難。原子探針裝置在成為真空的氣體分析容器101內(nèi)，將針狀材料109冷卻至 100K(-173°C)以下、更優(yōu)選為60K(-213°C)以下，對(duì)針狀材料109施加高電壓，通過(guò)在其針 前端部形成的高電場(chǎng)，將針狀材料109表面的原子進(jìn)行電場(chǎng)離子化，通過(guò)檢測(cè)器測(cè)定通過(guò)表面電場(chǎng)加速的離子。在一維原子探針中，僅計(jì)測(cè)飛行時(shí)間，在三維原子探針及掃描式原子 探針中，將飛行時(shí)間和離子到達(dá)位置作為坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)測(cè)。飛行時(shí)間由離子的質(zhì)量電荷比決定，因此能夠決定材料中含有的所有的元素種 類(lèi)。按照原子的到達(dá)順序來(lái)決定深度位置，根據(jù)檢測(cè)器上的到達(dá)坐標(biāo)，能夠決定針狀材料 109的蒸發(fā)位置。通過(guò)計(jì)測(cè)10萬(wàn)個(gè)原子以上的多個(gè)離子，例如使用POSAP或IVAS等三維構(gòu) 筑軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，由此能夠得到作為目標(biāo)的三維元素分布。關(guān)于該方法，例 如在文獻(xiàn)“么ι hti O^errum)4(1999)474-481”中詳細(xì)記載。圖9是表示圖8的原子探針裝置的充氣容器103的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖。該充氣容 器103為，將其內(nèi)部進(jìn)行高真空排氣，使向液氮容器120中填充液氮而冷卻了的指形冷凍器 119與試料保持器118接觸，由此能夠冷卻針狀材料109。在該狀態(tài)下，向充氣容器103導(dǎo)入 重氫氣，使加熱器115接近針狀材料109，對(duì)針狀材料109的前端進(jìn)行局部加熱。由此，能夠 將重氫高效率地充氣到針狀材料109中。通過(guò)使加熱器115遠(yuǎn)離，能夠冷卻針狀材料109。 進(jìn)而，在將充氣容器103內(nèi)真空排氣后，立即打開(kāi)氣體分析容器(分析室)101的閥105，使 針狀材料109移動(dòng)至事先冷卻了的氣體分析容器101內(nèi)的針狀材料109的固定位置(參照 圖8)。由于氣體分析容器101內(nèi)的氣體環(huán)境的熱容量較大，因此針狀材料109立即被冷 卻。另外，充氣容器103內(nèi)的針狀材料109的加熱方法不特別限定，無(wú)論是加熱器方式還是 激光方式都可以。此外，關(guān)于氣體分析容器101內(nèi)的針狀材料109的冷卻方法，也不特別限
定方法。在本發(fā)明中，作為充氣氣體使用氫的同位素之一即重氫氣。其原因?yàn)?，即使進(jìn)行高 真空排氣也會(huì)存在氫氣，由于存在于分析容器101內(nèi)的殘留氫氣的離子化，而變得難以區(qū) 別。自然界的重氫的同位素比為氫的1/6600、較少，因此容易進(jìn)行與充氣到材料中的重氫的 區(qū)別。重氫具有氫的2倍的質(zhì)量，但在化學(xué)特性、物理特性上沒(méi)有較大不同，呈現(xiàn)與氫幾乎 相同的性質(zhì)，因此作為氫存在位置的代用是有效的。因此，在向充氣容器103導(dǎo)入的氣體環(huán) 境中，重氫在該氣體環(huán)境中所占的比率越高越優(yōu)選。但是，如果是對(duì)針狀材料109不產(chǎn)生不 良影響的氣體種類(lèi)，混有一些也沒(méi)有關(guān)系。另一方面，作為氫的另一個(gè)同位素的超重氫(氚)，由于是放射性元素，因此難以 處理，但如果在管理區(qū)域內(nèi)則能夠使用，因此也包含于本發(fā)明。即，本發(fā)明中的“重氫”中也 包括超重氫。作為固定針狀材料109的試料保持器118的素材，優(yōu)選具有導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性的不 銹鋼或銅等。此外，在試料保持器118上，也可以在其周?chē)坛鲇糜趯⑵浒惭b到移動(dòng)用夾具 上的螺紋。用于原子探針測(cè)定的針狀材料109的長(zhǎng)度為5mm 12mm左右、直徑為Imm以下， 因此例如通過(guò)放入直徑為1 2mm的銅或鎳等金屬性管中、進(jìn)而對(duì)該金屬制管進(jìn)行壓接，由 此能夠進(jìn)行固定。然后，通過(guò)將該金屬制管插入試料保持器118中，能夠?qū)⑨槧畈牧?09固 定在試料保持器118上。此外，在本發(fā)明中作為分析對(duì)象的材料是鋼鐵或鋁等、氫脆化成為問(wèn)題的金屬材 料。針狀材料109通常使用電解研磨法來(lái)制作。例如，能夠?qū)⒆鳛榉治鰧?duì)象的材料加 工為0. 3X0. 3 X IOmm的棒形狀，并使用與材料相配合的電解液、通過(guò)電解研磨加工，將其
10加工為針前端的曲率半徑為IOnm以下的針狀材料109。例如，在分析對(duì)象為鋼鐵材料的情 況下，能夠使用高氯酸和醋酸的混合液、或高氯酸和酒精的混合液，對(duì)材料側(cè)施加5V 20V 的電壓來(lái)進(jìn)行加工。此外，在加工時(shí)也可以使用聚焦離子束(FIB)。在將通過(guò)這種方法制作的針狀材料109用酒精等清洗之后，通過(guò)上述的方法固定 在試料保持器118上，并導(dǎo)入本發(fā)明的裝置中。通常，在使試料導(dǎo)入容器104內(nèi)充分真空排 氣之后，通過(guò)傳輸桿111等將其移動(dòng)到充氣容器103。通過(guò)向充氣容器103內(nèi)導(dǎo)入重氫氣， 并使針狀材料109的前端部的溫度上升，由此向針狀材料109內(nèi)充氣重氫。之后，通過(guò)對(duì)針 狀材料109進(jìn)行急速冷卻，由此將重氫封入。接著，使該針狀材料109在保持冷卻后的狀態(tài) 下移動(dòng)至分析容器101，在規(guī)定的溫度下進(jìn)行原子探針?lè)治觥Ｍㄟ^(guò)用專(zhuān)用軟件將分析結(jié)果進(jìn) 行三維圖像化，由此能夠以原子間隔的空間分辨率將重氫位置可視化。實(shí)施例 以下，對(duì)使用了本發(fā)明的裝置和以往的裝置的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。(實(shí)施例1)為了調(diào)查重氫充氣中的針狀材料109的溫度，使用圖4所示的充氣容器103， 與實(shí)際的針狀材料109及試料保持器118相配合，以使熱電偶的前端位于從試料保持器 118離開(kāi)IOmm的位置上的方式，準(zhǔn)備模擬了針狀材料109的計(jì)測(cè)用的試料保持器118，進(jìn) 行了溫度計(jì)測(cè)。通過(guò)泵從真空排氣管路117將圖4所示的充氣容器103內(nèi)真空排氣至 2 X KT8iTorr (2. 6 X I(T6Pa)。在該狀態(tài)下，將液氮注入液氮容器120中，對(duì)指形冷凍器119和與其接觸的試料保 持器118及針狀材料109進(jìn)行冷卻。在從冷卻開(kāi)始起大約40分鐘后，針狀材料109的針前 端的溫度成為_(kāi)115°C。從重氫氣導(dǎo)入管路116以成為300Torr(3. 99 X IO4Pa)的方式導(dǎo)入 重氫氣，并使針狀材料加熱器115接近為覆蓋針狀材料109。使針狀材料加熱器115進(jìn)行加 熱、而在3分鐘內(nèi)使針狀材料109的針前端的溫度上升到大約230°C，并使該溫度保持10分 鐘。在將針狀材料加熱器115關(guān)閉的同時(shí)使針狀材料加熱器115從針狀材料109離開(kāi)，并 調(diào)查了溫度變化。其結(jié)果用黑圓圈表示在圖6中。針狀材料109的針前端的溫度在10秒 內(nèi)從230°C急速下降到-70°C。這是因?yàn)?，由于在試料保持?18及指形冷凍器119充分冷 凍的狀態(tài)下僅針狀材料109的前端被加熱，因此通過(guò)向熱容量較大的試料保持器118的熱 傳遞而上述針前端急速冷凍。通過(guò)該方法，能夠進(jìn)行充氣容器103內(nèi)的急速冷卻。由于被 加熱的部分僅是針狀材料109的針前端，因此環(huán)境氣體壓力幾乎沒(méi)有變化。此外，作為該計(jì) 測(cè)用而使用了試料保持器118，并還調(diào)查了移動(dòng)中的上述針前端的溫度變化，但由于經(jīng)過(guò)的 試料保管容器102維持為1Χ10_8Τοπ·(1. 3X IO-6Pa)的高真空度，并且在一分鐘以?xún)?nèi)進(jìn)行移 動(dòng)，因此溫度的上升小于+20°C?；谶@樣的實(shí)驗(yàn)，能夠根據(jù)針狀材料加熱器115的輸出、時(shí) 間等，推測(cè)實(shí)際的上述針前端的溫度。另外，充氣容器103內(nèi)的壓力通過(guò)壓力計(jì)1 測(cè)定， 并通過(guò)閥105調(diào)整。該情況在以下的實(shí)施例及比較例中也相同。(比較例1)與實(shí)施例1同樣，為了調(diào)查重氫充氣中的針狀材料109的溫度，使用圖4所示的充 氣容器103，與實(shí)際的針狀材料109及試料保持器118相配合，準(zhǔn)備熱電偶的前端配置在從 試料保持器118離開(kāi)IOmm的位置上的、模擬了針狀材料109的計(jì)測(cè)用的試料保持器118，進(jìn) 行了溫度計(jì)測(cè)。
通過(guò)泵從真空排氣管路117將圖4所示的充氣容器103內(nèi)進(jìn)行了真空排氣。不冷 卻試料保持器118，而從重氫氣導(dǎo)入管路116以成為^OTorr (3. 86 X IO4Pa)的壓力的方式 導(dǎo)入重氫氣，并使針狀加熱器115接近為覆蓋針狀材料109。使針狀材料加熱器115進(jìn)行加 熱，在3分鐘內(nèi)使針狀材料109的針前端的溫度上升到大約220°C，并保持在該溫度。在關(guān) 閉針狀材料加熱器115的同時(shí)使針狀材料加熱器115從針狀材料109離開(kāi)。進(jìn)而，將液氮 注入液氮容器120中，對(duì)指形冷凍器119和與其接觸的試料保持器118及針狀材料109進(jìn) 行冷卻，而調(diào)查了上述針前端的溫度變化。圖6的白圓圈表示結(jié)果。上述針前端的溫度從 230°C急速下降到150°C，但之后的溫度下降非常慢，即使經(jīng)過(guò)一分鐘也還是為50°C左右。(實(shí)施例2)將上述針前端的曲率半徑加工成50nm的由冷拉珠光體鋼構(gòu)成的針狀材料109安 裝在圖4所示的試料保持器118上，導(dǎo)入到在上述實(shí)施例1中使用的試料導(dǎo)入容器104內(nèi)。 然后，使用傳輸桿111使試料保持器118與針狀材料109 —起移動(dòng)至圖4所示的充氣容器 103內(nèi)，并將針狀材料加熱器115配置在針狀材料109附近。通過(guò)真空排氣管路117將充氣容器103內(nèi)排氣為2X 10_8TOrH2. 6X I(T6Pa)的高 真空。之后，使導(dǎo)入了液氮的液氮容器120的指形冷凍器119與試料保持器118接觸，將 試料保持器118冷卻至-180°C。在該狀態(tài)下，從重氫氣導(dǎo)入管路116導(dǎo)入重氫氣直到達(dá)到 200Torr(2. 66 X IO4Pa)的壓力，并通過(guò)覆蓋針狀材料109的形狀的針狀材料加熱器115，使 針狀材料109的針前端的溫度上升至210°C，并保持5分鐘，由此向針狀材料109充氣重氫。 在經(jīng)過(guò)5分鐘后，使針狀材料加熱器115在停止的同時(shí)從針狀材料109的位置離開(kāi)，在10 秒內(nèi)將針狀材料109的針前端的溫度急速冷卻至-100°C。在該低溫狀態(tài)下，將重氫氣真空排氣至2X 10_8TorH2. 6X I(T6Pa)。接著，通過(guò)傳 輸桿111，使針狀材料109從充氣容器103經(jīng)由高真空排氣至5 X IO-9Torr (6. 5 X I(T7Pa)以 下的試料保管容器102移動(dòng)至氣體分析容器101內(nèi)。移動(dòng)時(shí)的針狀材料109的溫度保持 在-70°C以下。由于將分析容器101內(nèi)的分析實(shí)施位置預(yù)先通過(guò)冷凍機(jī)121保持在-220°C， 因此針狀材料109的溫度在3分鐘內(nèi)達(dá)到-220°C。對(duì)針狀材料109施加高電壓，在針狀材 料109的針前端表面上產(chǎn)生場(chǎng)蒸發(fā)，使用圖1所示的裝置進(jìn)行了原子探針測(cè)定。測(cè)定條件為，脈沖比為20 %、施加電壓為DClOkV 12kV、脈沖電壓為2kV 2.4kV。通過(guò)POSAP軟件解析測(cè)定數(shù)據(jù)，求出質(zhì)量電荷比譜。分析容器101內(nèi)的殘留氫基于 離子化而產(chǎn)生的氫離子(H+)，呈現(xiàn)為質(zhì)量電荷比為1的峰值，相對(duì)于此，在質(zhì)量電荷比為2 時(shí)出現(xiàn)了重氫離子(D+)的充氣重氫的峰值?；诖?，將描繪了三位元素圖像的結(jié)果表示在 圖7中。在滲碳體層的界面位置附近觀察到在進(jìn)行了冷拉加工的珠光體鋼中充氣的重氫原 子(圖7中，小圓點(diǎn)表示碳原子位置，大圓點(diǎn)表示重氫原子位置)，能夠?qū)⑨槧畈牧?09中的 氫存在位置以原子級(jí)別的空間分辨率進(jìn)行可視化并觀察。(實(shí)施例3)將上述針前端的曲率半徑加工成60nm的由析出物分散鋼構(gòu)成的針狀材料109安 裝在試料保持器118上，導(dǎo)入到本發(fā)明的裝置的試料導(dǎo)入容器104內(nèi)。然后，使用傳輸桿 111使試料保持器118與針狀材料109 —起移動(dòng)至圖5所示的充氣容器103內(nèi)，并將針狀材 料109配置在針狀材料109的加熱位置。在通過(guò)真空排氣管路117將充氣容器103內(nèi)排氣為高真空之后，將試料保持器118螺入使冷凍機(jī)121運(yùn)轉(zhuǎn)而冷卻后的指形冷凍器119中，將試料保持器118冷卻至-200°C。在該狀態(tài)下，從重氫氣導(dǎo)入管路116導(dǎo)入重氫氣直到成為600Torr (7. 98 X IO4Pa)， 使置于充氣容器103外的連續(xù)振蕩型的YAG激光器122啟動(dòng)，經(jīng)由鏡113、透鏡123以及帶 玻璃窗的凸緣124，將激光L取入充氣容器103內(nèi)，并照射針狀材料109的針前端而使該針 前端的溫度上升至180°C，并保持20分鐘，由此向針狀材料109充氣重氫。關(guān)于到達(dá)溫度， 如在實(shí)施例1中敘述的那樣，使用計(jì)測(cè)用的帶熱電偶的上述試料保持器事先調(diào)查，并根據(jù) 激光輸出和時(shí)間之間的關(guān)系來(lái)推斷。在經(jīng)過(guò)20分鐘后，停止YAG激光器，使針狀材料109 的溫度在10秒鐘內(nèi)急速冷卻至_150°C。在該低溫狀態(tài)下，對(duì)充氣容器103內(nèi)的重氫氣進(jìn)行真空排氣，通過(guò)傳輸桿111，使 針狀材料109從充氣容器103經(jīng)由試料保管容器102移動(dòng)至氣體分析容器101。移動(dòng)時(shí)的 針狀材料109的溫度保持在-100°C以下。由于分析容器101內(nèi)的分析位置預(yù)先通過(guò)冷凍機(jī) 121保持在-220°C，因此針狀材料109的溫度在3分鐘內(nèi)達(dá)到_220°C。對(duì)針狀材料109施 加高電壓，在針狀材料109的針前端的表面產(chǎn)生場(chǎng)蒸發(fā)，進(jìn)行了原子探針測(cè)定。測(cè)定條件為，脈沖比為20%、施加電壓為DC12kV 14kV、脈沖電壓為2. 4kV 2.8kV。通過(guò)POSAP軟件解析測(cè)定數(shù)據(jù)，求出質(zhì)量電荷比譜。在質(zhì)量電荷比為2時(shí)明確出現(xiàn) 了 D+的充氣重氫的峰值。通過(guò)調(diào)查該分布位置，由此重氫在析出物的界面附近變濃的情況 被可視化。(比較例2)將上述針前端的曲率半徑加工成46nm的由冷拉珠光體鋼構(gòu)成的針狀材料109安 裝在試料保持器118上，并安裝到模擬了上述專(zhuān)利文獻(xiàn)1中記載的裝置的原子探針裝置的 氣體分析容器內(nèi)的測(cè)定位置上。在通過(guò)真空排氣管路將氣體分析容器內(nèi)排氣為高真空后，用加熱器使針 狀材料109的溫度上升至200°C。在該狀態(tài)下，從氣體管路導(dǎo)入重氫氣直到達(dá)到 300Torr(3. 99X IO4Pa)的壓力，并保持10分鐘，由此向針狀材料109充氣重氫。在該狀態(tài)下使加熱器停止，使冷凍機(jī)121運(yùn)轉(zhuǎn)而冷卻針狀材料109，與此同時(shí)將氣 體分析容器內(nèi)的重氫氣進(jìn)行了真空排氣。針狀材料109的溫度在40分鐘內(nèi)達(dá)到-220°C。 此外，此時(shí)的氣體分析容器內(nèi)的殘留氣體壓力為3 X IO-10Torr (3. 99 X I(T8Pa)。在該狀態(tài)下，對(duì)針狀材料109施加高電壓，在針狀材料109的針前端的表面產(chǎn)生場(chǎng) 蒸發(fā)，進(jìn)行了原子探針測(cè)定。測(cè)定條件為，脈沖比為20%、施加電壓為DC9kV 12kV、脈沖 電壓為1.8kV 2.4kV。通過(guò)POSAP軟件解析測(cè)定數(shù)據(jù)，求出質(zhì)量電荷比譜。測(cè)定了對(duì)應(yīng) 于重氫離子的質(zhì)量電荷比為2的峰值，但由于在針狀材料109中無(wú)偏倚地檢測(cè)出，因此推測(cè) 為其較多是測(cè)定了存在于殘留氣體中的重氫吸附在針狀材料109的表面上的重氫離子。結(jié) 果，在該比較例2的裝置中難以調(diào)查作為目標(biāo)的材料中的重氫位置。(實(shí)施例4)將上述針前端的曲率半徑加工成50nm的由析出物分散鋼構(gòu)成的針狀材料109安 裝在圖8的試料保持器118上，導(dǎo)入試料導(dǎo)入容器104。然后，使用傳輸桿111使試料保持 器118與針狀材料109 —起移動(dòng)至圖8及圖9所示的充氣容器103，并將針狀材料加熱器 115配置在針狀材料109的附近。經(jīng)由真空排氣管路117將充氣容器103內(nèi)排氣為2 X KT8Torr (2. 6 X I(T6Pa)的高真空。之后，使導(dǎo)入了液氮的液氮容器120的指形冷凍器119與試料保持器118接觸，將試 料保持器118冷卻至_180°C。在該狀態(tài)下，從重氫氣導(dǎo)入管路116向充氣容器103內(nèi)導(dǎo)入重氫氣直到達(dá)到 300Τοπ· (4. OX IO4Pa)，用覆蓋針狀材料109的形狀的針狀材料加熱器115使針狀材料109 的溫度上升至180°C，并保持10分鐘，由此向針狀材料109充氣重氫。在經(jīng)過(guò)10分鐘之后， 使針狀材料加熱器115停止并從針狀材料109離開(kāi)，通過(guò)與液氮容器120連接的指形冷凍 器119在10秒鐘內(nèi)使針狀材料109的溫度急速冷卻到-120°C。在該低溫狀態(tài)下，將充氣容器103內(nèi)的重氫氣真空排氣至 1 X IO-7Torr (1. 3 X I(T5Pa)，并將分析容器101和充氣容器103之間的閥105打開(kāi)，通過(guò)傳輸 桿111使針狀材料109移動(dòng)至氣體分析容器101內(nèi)。充氣結(jié)束后移動(dòng)所需要的時(shí)間為1分 鐘以?xún)?nèi)。移動(dòng)時(shí)的針狀材料溫度保持在-ioo°c以下。分析容器101內(nèi)的分析位置預(yù)先通過(guò) 冷凍機(jī)121保持在-220°C，因此針狀材料109的溫度在3分鐘內(nèi)達(dá)到_220°C。對(duì)針狀材料 109施加高電壓，在針狀材料109的前端表面產(chǎn)生場(chǎng)蒸發(fā)，使用與圖1所示的測(cè)定裝置相同 的測(cè)定裝置進(jìn)行了原子探針測(cè)定。測(cè)定條件為，脈沖比為20%、施加電壓為DC7kV 10kV、脈沖電壓為1. 4kV 2.0kV。通過(guò)POSAP軟件解析測(cè)定數(shù)據(jù)，求出質(zhì)量電荷比譜。分析容器101內(nèi)的殘留氫的基 于離子化而產(chǎn)生的氫離子(H+)呈現(xiàn)為質(zhì)量電荷比為1的峰值，相對(duì)于此，在質(zhì)量電荷比為2 時(shí)呈現(xiàn)了重氫離子(D+)的充氣重氫的峰值?；诖嗣枥L了三位元素圖像的結(jié)果，在細(xì)微的 析出物界面附近所充氣的重氫變濃，該重氫濃度比實(shí)施例3提高。這表示由于針狀材料109 的移動(dòng)時(shí)間比實(shí)施例3短，因此重氫的脫離進(jìn)一步被抑制。因此，通過(guò)本發(fā)明，能夠?qū)⑾蜥?狀材料中充氣的重氫的氫存在位置以原子級(jí)別的空間分辨率可視化并觀察。以上，參照

了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明當(dāng)然不僅限定于所述 例子。本領(lǐng)域技術(shù)人員在專(zhuān)利請(qǐng)求范圍所記載的范圍內(nèi)能夠想到各種變更例或修正例，這 是顯而易見(jiàn)的，理解為這些也當(dāng)然屬于本發(fā)明的技術(shù)范圍。工業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明，能夠簡(jiǎn)單且確實(shí)地向材料充氣重氫，并能夠在抑制材料中的重氫的 擴(kuò)散的同時(shí)迅速地進(jìn)行原子探針測(cè)定。因此，實(shí)現(xiàn)能夠根據(jù)元素的結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)查材料的原子 探針裝置的功能提高，能夠明確以鋼材為代表的材料中的氫存在位置。因此，能夠提供確保 了可靠性的對(duì)材料開(kāi)發(fā)具有較大貢獻(xiàn)的裝置及方法。符號(hào)的說(shuō)明101分析容器(分析室)102試料保管容器(試料保管室)103充氣容器104試料導(dǎo)入容器105 閥106反射器(能量補(bǔ)償器)107位置坐標(biāo)檢測(cè)器108FIM 屏幕109針狀材料
110離子飛行軌跡111傳輸桿112帶探針孔的FIM屏幕113 鏡114離子檢測(cè)器115針狀材料加熱器116重氫氣導(dǎo)入管路117真空排氣管路118試料保持器119指形冷凍器120液氮容器121冷凍機(jī)(低溫恒溫器)122YAG激光器(激光振蕩器)123 透鏡IM帶玻璃窗的凸緣125激光光路1 壓力計(jì)
權(quán)利要求
1.一種充氣容器，其特征在于，具有 試料保持器，保持針狀材料；重氫氣供給機(jī)構(gòu)，將重氫氣向該試料保持器所保持的上述針狀材料進(jìn)行充氣；以及 加熱機(jī)構(gòu)，對(duì)上述試料保持器所保持的上述針狀材料進(jìn)行加熱， 在通過(guò)上述加熱機(jī)構(gòu)對(duì)上述針狀材料進(jìn)行了加熱之后，通過(guò)遮斷基于該加熱機(jī)構(gòu)的加 熱，由此對(duì)上述針狀材料進(jìn)行冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的充氣容器，其特征在于，在通過(guò)上述加熱機(jī)構(gòu)對(duì)上述針狀材料進(jìn)行了加熱之后，通過(guò)使該加熱機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離上述試 料保持器，由此對(duì)上述針狀材料進(jìn)行冷卻。
3.如權(quán)利要求1所述的充氣容器，其特征在于， 上述加熱機(jī)構(gòu)為光學(xué)加熱機(jī)構(gòu)，在通過(guò)該光學(xué)加熱機(jī)構(gòu)對(duì)上述針狀材料進(jìn)行了加熱之后，通過(guò)使該光學(xué)加熱機(jī)構(gòu)停 止，由此對(duì)上述針狀材料進(jìn)行冷卻。
4.如權(quán)利要求1所述的充氣容器，其特征在于，將上述試料保持器所保持的上述針狀材料，在10秒以?xún)?nèi)從基于上述加熱機(jī)構(gòu)的加熱 后的溫度冷卻至_50°C以下。
5.一種原子探針裝置，其特征在于，具有 權(quán)利要求1所述的充氣容器；分析容器，對(duì)上述試料保持器所保持的上述針狀材料進(jìn)行原子探針測(cè)定；以及 搬送機(jī)構(gòu)，將上述試料保持器從上述充氣容器搬送至上述分析容器內(nèi)的分析位置。
6.一種原子探針裝置，其特征在于，具有 權(quán)利要求1所述的充氣容器；分析容器，對(duì)上述試料保持器所保持的上述針狀材料進(jìn)行原子探針測(cè)定；以及 閥，對(duì)該充氣容器及分析容器之間進(jìn)行連結(jié)。
7.—種材料中氫位置分析方法，使用原子探針裝置對(duì)材料中的氫位置進(jìn)行分析，其特 征在于，包括在權(quán)利要求1所述的充氣容器內(nèi)，在含有從上述重氫氣供給機(jī)構(gòu)供給的上述重氫氣的 氣體環(huán)境中，將保持了作為上述材料的上述針狀材料的上述試料保持器冷卻至-100°C以下 的工序；通過(guò)上述加熱機(jī)構(gòu)使上述針狀材料的溫度上升至100°C以上并保持的工序； 通過(guò)上述冷卻機(jī)構(gòu)將上述針狀材料在10秒以?xún)?nèi)冷卻至-50°C以下的工序； 在對(duì)上述充氣容器內(nèi)進(jìn)行了真空排氣之后，在將上述針狀材料保持在-50°C以下的狀 態(tài)下，使用上述搬送機(jī)構(gòu)將上述試料保持器在真空氣體環(huán)境中從上述充氣容器內(nèi)搬運(yùn)至上 述分析容器，并將上述試料保持器設(shè)置在上述分析容器內(nèi)的分析位置上的工序；以及 進(jìn)行上述針狀材料中的重氫的原子探針測(cè)定的工序。
全文摘要
充氣容器、原子探針裝置及材料中氫位置分析方法。該充氣容器具有試料保持器，保持針狀材料；重氫氣供給機(jī)構(gòu)，將重氫氣向該試料保持器所保持的上述針狀材料進(jìn)行充氣；以及加熱機(jī)構(gòu)，對(duì)上述試料保持器所保持的上述針狀材料進(jìn)行加熱，在通過(guò)上述加熱機(jī)構(gòu)對(duì)上述針狀材料進(jìn)行了加熱之后，通過(guò)遮斷基于該加熱機(jī)構(gòu)的加熱，由此對(duì)上述針狀材料進(jìn)行冷卻。
文檔編號(hào)G01N1/28GK102066898SQ20098012237
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者大森治男, 川上和人, 高橋淳 申請(qǐng)人:新日本制鐵株式會(huì)社