Skip to main content
Erschienen in: Metallurgical and Materials Transactions B 2/2015

01.04.2015

Electron-Beam Atomic Spectroscopy for In Situ Measurements of Melt Composition for Refractory Metals: Analysis of Fundamental Physics and Plasma Models

verfasst von: Paul Joseph Gasper, Diran Apelian

Erschienen in: Metallurgical and Materials Transactions B | Ausgabe 2/2015

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

Electron-beam (EB) melting is used for the processing of refractory metals, such as Ta, Nb, Mo, and W. These metals have high value and are critical to many industries, including the semiconductor, aerospace, and nuclear industries. EB melting can also purify secondary feedstock, enabling the recovery and recycling of these materials. Currently, there is no method for measuring melt composition in situ during EB melting. Optical emission spectroscopy of the plasma generated by EB impact with vapor above the melt, a technique here termed electron-beam atomic spectroscopy, can be used to measure melt composition in situ, allowing for analysis of melt dynamics, facilitating improvement of EB melting processes and aiding recycling and recovery of these critical and high-value metals. This paper reviews the physics of the plasma generation by EB impact by characterizing the densities and energies of electrons, ions, and neutrals, and describing the interactions between them. Then several plasma models are introduced and their suitability to this application analyzed. Lastly, a potential method for calibration-free composition measurement is described and the challenges for implementation addressed.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
5.
Zurück zum Zitat T. Graedel, J. Allwood, J.P. Birat, B.K. Reck, S.F. Sibley, G. Sonnemann, M. Buchert, C. Hageluken: “Recycling Rates of Metals—A Status Report, A Report of the Working Group on the Global Metal Flows to the International Resource Panel,” United Nations Environment Programme, 2011. T. Graedel, J. Allwood, J.P. Birat, B.K. Reck, S.F. Sibley, G. Sonnemann, M. Buchert, C. Hageluken: “Recycling Rates of Metals—A Status Report, A Report of the Working Group on the Global Metal Flows to the International Resource Panel,” United Nations Environment Programme, 2011.
6.
Zurück zum Zitat A. Majumder, G.K. Sahu, K.B. Thakur, and V.K. Mago: J. Phys. D: Appl. Phys., 2010, vol. 43 (7), pp. 075204.CrossRef A. Majumder, G.K. Sahu, K.B. Thakur, and V.K. Mago: J. Phys. D: Appl. Phys., 2010, vol. 43 (7), pp. 075204.CrossRef
7.
Zurück zum Zitat B. Dikshit, G.R. Zende, M.S. Bhatia, and B. Suri: IEEE Trans. Plasma Sci., 2009, vol. 27 (7), pp. 1196-202.CrossRef B. Dikshit, G.R. Zende, M.S. Bhatia, and B. Suri: IEEE Trans. Plasma Sci., 2009, vol. 27 (7), pp. 1196-202.CrossRef
8.
Zurück zum Zitat D. Levko, Y.E. Krasik, W. An, and G. Mueller: J. Appl. Phys., 2013, vol. 113 (12), pp. 123302.CrossRef D. Levko, Y.E. Krasik, W. An, and G. Mueller: J. Appl. Phys., 2013, vol. 113 (12), pp. 123302.CrossRef
9.
Zurück zum Zitat E. Besuelle and J. Nicolai: J. Appl. Phys., 1998, vol. 84 (8), pp. 4114-21.CrossRef E. Besuelle and J. Nicolai: J. Appl. Phys., 1998, vol. 84 (8), pp. 4114-21.CrossRef
10.
Zurück zum Zitat R. Nishio, K. Tuchida, M. Tooma, and K. Suzuki: J. Appl. Phys., 1992, vol. 72 (10), pp. 4548-55.CrossRef R. Nishio, K. Tuchida, M. Tooma, and K. Suzuki: J. Appl. Phys., 1992, vol. 72 (10), pp. 4548-55.CrossRef
11.
Zurück zum Zitat R. Nishio and K. Suzuki: J. Nucl. Sci. Technol., 1994, vol. 31 (6), pp. 572-81.CrossRef R. Nishio and K. Suzuki: J. Nucl. Sci. Technol., 1994, vol. 31 (6), pp. 572-81.CrossRef
12.
Zurück zum Zitat W. An, Y.E. Krasik, R. Fetzer, B. Bazylev, G. Mueller, A. Weisenburger, and V. Bernshtam: J. Appl. Phys., 2011, vol. 110(9), p. 093304.CrossRef W. An, Y.E. Krasik, R. Fetzer, B. Bazylev, G. Mueller, A. Weisenburger, and V. Bernshtam: J. Appl. Phys., 2011, vol. 110(9), p. 093304.CrossRef
13.
Zurück zum Zitat V. Kumar, T. Barnwal, J. Mukherjee, and L. Gantayet: J. Phys.: Conf. Ser., 2010, vol. 208(1), p. 012133. V. Kumar, T. Barnwal, J. Mukherjee, and L. Gantayet: J. Phys.: Conf. Ser., 2010, vol. 208(1), p. 012133.
14.
Zurück zum Zitat J. Goldstein, D. Newbury, D. Joy, C. Lyman, P. Echlin, E. Lifshin, L. Sawyer, and J. Michael: Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Springer Science, New York, NY, 2003, pp. 75-88.CrossRef J. Goldstein, D. Newbury, D. Joy, C. Lyman, P. Echlin, E. Lifshin, L. Sawyer, and J. Michael: Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Springer Science, New York, NY, 2003, pp. 75-88.CrossRef
15.
Zurück zum Zitat M. Hakala, C. Corbel, and R.M. Nieminem: J. Phys. D: Appl. Phys., 2005, vol. 38 (5), pp. 711-21.CrossRef M. Hakala, C. Corbel, and R.M. Nieminem: J. Phys. D: Appl. Phys., 2005, vol. 38 (5), pp. 711-21.CrossRef
16.
Zurück zum Zitat E. Reinhold and J. Faber: Surf. Coat. Technol., 2011, vol. 206 (7), pp. 1653-59.CrossRef E. Reinhold and J. Faber: Surf. Coat. Technol., 2011, vol. 206 (7), pp. 1653-59.CrossRef
17.
Zurück zum Zitat H. Sugai, I. Ghanashev, M. Hosokawa, K. Mizuno, K. Nakamura, H. Toyoda, K. Yamauchi: Plasma Sources Sci. Technol., 2001, vol. 10 (2), pp. 378-85.CrossRef H. Sugai, I. Ghanashev, M. Hosokawa, K. Mizuno, K. Nakamura, H. Toyoda, K. Yamauchi: Plasma Sources Sci. Technol., 2001, vol. 10 (2), pp. 378-85.CrossRef
18.
Zurück zum Zitat A Grill: Cold Plasma Materials Fabrication: From Fundamentals to Applications, Wiley, New York, NY, 1994. A Grill: Cold Plasma Materials Fabrication: From Fundamentals to Applications, Wiley, New York, NY, 1994.
20.
Zurück zum Zitat T. Asano, N. Uetake, and K. Suzuki: J. Nucl. Sci. Technol., 1992, vol. 29 (12), pp. 1194-200.CrossRef T. Asano, N. Uetake, and K. Suzuki: J. Nucl. Sci. Technol., 1992, vol. 29 (12), pp. 1194-200.CrossRef
22.
Zurück zum Zitat P. Bartlett and A. Stelbovics: At. Data Nucl. Data Tables, 2004, vol. 86, pp. 235-365.CrossRef P. Bartlett and A. Stelbovics: At. Data Nucl. Data Tables, 2004, vol. 86, pp. 235-365.CrossRef
23.
Zurück zum Zitat K. Bartschat, A. Dasgupta, and J. Giuliani: J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 2002, vol. 35, pp. 2899-909.CrossRef K. Bartschat, A. Dasgupta, and J. Giuliani: J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 2002, vol. 35, pp. 2899-909.CrossRef
24.
Zurück zum Zitat H. Chung, R. Lee, M. Chen, and Y. Ralchenko: “The How To For FLYCHK @ NIST”, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2008. H. Chung, R. Lee, M. Chen, and Y. Ralchenko: “The How To For FLYCHK @ NIST”, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2008.
25.
Zurück zum Zitat V. Engelko and G. Mueller: J. Appl. Phys., 2005, vol. 98 (1), pp. 013303.CrossRef V. Engelko and G. Mueller: J. Appl. Phys., 2005, vol. 98 (1), pp. 013303.CrossRef
26.
27.
Zurück zum Zitat A. Majumder, B. Dikshit, M. Bhatia, and V. Mago: Rev. Sci. Instrum., 2008, vol. 79 (9), pp. 093305.CrossRef A. Majumder, B. Dikshit, M. Bhatia, and V. Mago: Rev. Sci. Instrum., 2008, vol. 79 (9), pp. 093305.CrossRef
28.
Zurück zum Zitat M. Guerra, F. Parente, P. Indelicato, and J. Santos: Int. J. Mass. Spectrom., 2012, vol. 313, pp. 1-7.CrossRef M. Guerra, F. Parente, P. Indelicato, and J. Santos: Int. J. Mass. Spectrom., 2012, vol. 313, pp. 1-7.CrossRef
29.
Zurück zum Zitat A. Ciucci, M. Corsi, V. Pallaeschi, S. Rastelli, A. Salvetti, E. Tognoni: Appl. Spectrosc., 1999, vol. 53 (8), pp. 960-64.CrossRef A. Ciucci, M. Corsi, V. Pallaeschi, S. Rastelli, A. Salvetti, E. Tognoni: Appl. Spectrosc., 1999, vol. 53 (8), pp. 960-64.CrossRef
30.
Zurück zum Zitat T. Fujimoto and R.W.P McWhirter: Phys. Rev. A, 1990, vol. 42 (11), pp. 6588-601.CrossRef T. Fujimoto and R.W.P McWhirter: Phys. Rev. A, 1990, vol. 42 (11), pp. 6588-601.CrossRef
31.
Zurück zum Zitat X.-M. Zhu and Y.-K. Pu: J. Phys. D: Appl. Phys., 2010, vol. 43, pp. 015204.CrossRef X.-M. Zhu and Y.-K. Pu: J. Phys. D: Appl. Phys., 2010, vol. 43, pp. 015204.CrossRef
32.
Zurück zum Zitat D. Mihailova, J. van Dijk, M. Grozeva, G. Degrez, J.J.A.M. van der Mullen: J. Phys. D: Appl. Phys., 2011, vol. 44, pp. 194001.CrossRef D. Mihailova, J. van Dijk, M. Grozeva, G. Degrez, J.J.A.M. van der Mullen: J. Phys. D: Appl. Phys., 2011, vol. 44, pp. 194001.CrossRef
33.
Zurück zum Zitat G. Petrov, D. Boris, Tz. Petrova, E. Lock, R. Fernsler, S. Walton: Plasma Sourc. Sci. Technol., 2013, vol. 22, pp. 065005.CrossRef G. Petrov, D. Boris, Tz. Petrova, E. Lock, R. Fernsler, S. Walton: Plasma Sourc. Sci. Technol., 2013, vol. 22, pp. 065005.CrossRef
34.
Zurück zum Zitat J.B. Boffard, C.C. Lin, and C.A. DeJoseph Jr: J. Phys. D: Appl. Phys., 2004, vol. 37, pp. R143-R161.CrossRef J.B. Boffard, C.C. Lin, and C.A. DeJoseph Jr: J. Phys. D: Appl. Phys., 2004, vol. 37, pp. R143-R161.CrossRef
38.
Zurück zum Zitat J.B. Boffard, C.C. Lin, C. Culver, S. Wang, A. Wendt, S. Radovanov, and H. Persing: J. Vac. Sci. Technol., 2014, vol. 32 (2), pp. 021304.CrossRef J.B. Boffard, C.C. Lin, C. Culver, S. Wang, A. Wendt, S. Radovanov, and H. Persing: J. Vac. Sci. Technol., 2014, vol. 32 (2), pp. 021304.CrossRef
39.
Zurück zum Zitat J.B. Boffard, R.O. Jung, C.C. Lin, L. Aneskavich, and A. Wendt: J. Phys. D: Appl. Phys., 2012, vol. 45 (4), pp. 045201.CrossRef J.B. Boffard, R.O. Jung, C.C. Lin, L. Aneskavich, and A. Wendt: J. Phys. D: Appl. Phys., 2012, vol. 45 (4), pp. 045201.CrossRef
41.
Zurück zum Zitat J.B. Boffard, R.O. Jung, C.C. Lin, L. Aneskavich, A. Wendt: Plasma Sourc Sci. Technol., 2011, vol. 20 (5), pp. 55006.CrossRef J.B. Boffard, R.O. Jung, C.C. Lin, L. Aneskavich, A. Wendt: Plasma Sourc Sci. Technol., 2011, vol. 20 (5), pp. 55006.CrossRef
42.
Zurück zum Zitat J. Rudolph and V. Helbig: J. Phys. B: At. Mol. Phys., 1982, vol. 15 (17), pp. L599.CrossRef J. Rudolph and V. Helbig: J. Phys. B: At. Mol. Phys., 1982, vol. 15 (17), pp. L599.CrossRef
Metadaten
Titel
Electron-Beam Atomic Spectroscopy for In Situ Measurements of Melt Composition for Refractory Metals: Analysis of Fundamental Physics and Plasma Models
verfasst von
Paul Joseph Gasper
Diran Apelian
Publikationsdatum
01.04.2015
Verlag
Springer US
Erschienen in
Metallurgical and Materials Transactions B / Ausgabe 2/2015
Print ISSN: 1073-5615
Elektronische ISSN: 1543-1916
DOI
https://doi.org/10.1007/s11663-014-0229-2

Weitere Artikel der Ausgabe 2/2015

Metallurgical and Materials Transactions B 2/2015 Zur Ausgabe

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.