電子探針顯微分析

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1、 一般的化學(xué)分析方法僅能得到分析試樣的平均成分，而在電子顯微鏡上卻可實現(xiàn)與微區(qū)形貌相對應(yīng)的微區(qū)分析，因而是研究材料組織結(jié)構(gòu)和元素分布狀態(tài)的極為有用的分析方法。 電子探針的功能主要是進行微區(qū)成分分析。它是在電子光學(xué)和x射線光譜學(xué)原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效率分析儀器。原理： 用細(xì)聚焦電子束入射樣品表面，激發(fā)出樣品元素的特征x射線。 分析特征x射線的波長(或特征能量)即可知道樣品中所含元素的種類(定性分析)。 分析x射線的強度，則可知道樣品中對應(yīng)元素含量的多少(定量分析)。 電子探針儀鏡筒部分的構(gòu)造大體上和掃描電子顯微鏡相同，只是在檢測器部分使用的是x射線譜儀，專門用來檢測x射線的特征波長或特征

2、能量，以此來對微區(qū)的化學(xué)成分進行分析。 因此除專門的電子探針儀外，有相當(dāng)一部分電子探針儀是作為附件安裝在掃描電鏡或透射電鏡鏡簡上，以滿足微區(qū)組織形貌、晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分三位一體同位分析的需要。 第一節(jié)：電子探針儀的結(jié)構(gòu)與工作原理 電子探針的鏡筒及樣品室和掃描電鏡并無本質(zhì)上的差別，因此要使一臺儀器兼有形貌分析和成分分析兩個方面的功能，往往把掃描電子顯微鏡和電子探針組合在一起。 電子探針的信號檢測系統(tǒng)是x射線譜儀，用來測定特征波長的譜儀叫做波長分散譜儀(WDS)或波譜儀。 用來測定x射線特征能量的譜儀叫做能量分散譜儀(EDS)或能譜儀 一、波長分散譜儀（波譜儀，WDS）1.工作原理 在電子探針中x

3、射線是由樣品表面以下一個微米乃至納米數(shù)量級的作用體積內(nèi)激發(fā)出來的，如果這個體積中含有多種元素，則可以激發(fā)出各個相應(yīng)元素的特征波長x射線。 特征x射線的波長(或頻率)，并不隨入射電子的能量(加速電壓)不同而不同，而是由構(gòu)成物質(zhì)的元素種類(原子序數(shù))所決定的。 在各種特征x射線中，K系列是主要的，雖然K系列的x射線有好多條，但其強度最高的只有三條 若在樣品上方水平放置一塊具有適當(dāng)晶面間距d的晶體，入射x射線的波長、入射角和晶面間距三者符合布拉格方程時，這個特征波長的x射線就會發(fā)生強烈衍射。 對一個特征波長的X射線來說只有從某些特定的入射方向進入晶體時，才能得到較強的衍射束。 若面向衍射束安置一個接

4、收器便可記錄下不同波長的x射線。它可以使樣品作用體積內(nèi)不同波長的x射線分散并展示出來。 2dsin=n 2.分光晶體 不同元素的特征x射線波長變化卻很大，為使可分析的元素盡可能復(fù)蓋同期表中所有元素，需要配備面間距不同的數(shù)塊分光晶體。 在波譜儀中，x射線信號來自樣品表層的一個極小的體積，可將其看作點光源，由此點光源發(fā)射的x射線是發(fā)散的，放能夠到達分光晶體表面的，只是其中極小的一部分，信號很微弱增強信號采取措施： -聚焦圓（1）晶面彎曲 把分光晶體的衍射晶面彎成曲率半徑等于2R(R為羅蘭圓半徑)的曲面-晶體內(nèi)表面任意點A、B、C上接收到的X射線相對于點光源來說,入射角都相等（2）表面磨制: 并將晶

5、體表面磨成曲率半徑等于R的曲面-這樣的布置可以便A、B、C三點的衍射束正好聚焦在D點 X射線源，分光晶體和探測器處在同一圓上，此圓稱為羅蘭圓 3.波譜儀的形式 回轉(zhuǎn)式譜儀：羅蘭圓的中心固定不變，晶體和探測器在圓周 上以1：2的角速度運動來滿足布拉格方程直進式全聚焦譜儀：晶體從光源S向外沿著一直線移動并通 過自轉(zhuǎn)來改變角。羅蘭圓的中心O在以 S為中心，R為半徑的圓周上運動。 當(dāng)晶體位于角時，晶體與光源之間的距離l總是等于2Rsin ，將代布拉格方程(2dsin =n)得回轉(zhuǎn)式和直進式 4. 波譜儀的特點 波長分辨率是很高的 x射線利用率很低 波譜儀不適于束流低、x射線弱的情況下使用 二：能譜分散

6、儀（能譜儀，EDS ） 能量色散譜儀簡稱能譜儀，是利用特征X射線能量不同來展譜而進行成分分析的儀器。 1.工作原理 x射線光子由鋰漂移硅Si(Li)檢測器收集，當(dāng)光子進入檢測器后，在Si(Li)晶體內(nèi)激發(fā)出一定數(shù)目的電子空穴對。產(chǎn)生一個空穴對的最低平均能量是一定的，因此由一個x射線光子造成的電子空穴對的數(shù)目N EDAX能譜儀 JEM能譜儀 Si（Li）晶體厚35mm，直徑310mm，它是一個P-N結(jié)型二極管。它的前方有一個78m的鈹窗，整個探頭裝在與存有液氮的杜瓦瓶相連的冷阱內(nèi)。每產(chǎn)生一對電子一空穴對，要消耗掉 X光子3.8eV能量，因此每一個能量 為 E的入射光子產(chǎn)生的電子一空穴對數(shù)目N=

7、E3.8。 入射x射線光子的能量越高， N就越大。利用加在晶體兩端的偏壓收集電子空穴對經(jīng)前置放大器轉(zhuǎn)換成電流脈沖，電流脈沖的高度取決于N的大小。 電流脈沖經(jīng)主放大器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖進入多道脈沖高度分析器。脈沖高度分析器技高度把脈沖分類并進行計數(shù)，這樣就可以描出一張?zhí)卣鱴射線技能量大小分布的圖譜。 多道脈沖分析器 多道分析器有一個由許多存儲單 元（稱為通道）組成的存儲器。與X光子能量成正比 的時鐘脈沖數(shù)按大小分別進入不同存儲單元、每進入一個時鐘脈沖數(shù)，存儲單元記一個光子數(shù)，因此通道地址和X光子能量成正比，而通道的計數(shù)為X光子數(shù)。最終得到以通道（能量）為橫坐標(biāo)、通道計數(shù)（強度）為縱坐標(biāo)的X射線能量色

8、散譜（圖295b），并顯示于顯像管熒光屏上。 能譜儀的主要性能指標(biāo)1、 分析元素范圍 能譜儀分析的元素范圍為：l有Be窗口的范圍為11Na92U。l無窗或超薄窗口的為4Be92U。 2、 分辨率 能譜儀的分辨率是指分開或識別相鄰兩個譜峰的能力，可用能量色散譜的譜峰半高寬來衡量，也可用E/E的百分?jǐn)?shù)來表示。半高寬越小，表示能譜儀的分辨率越高。 目前能譜儀的分辨率達到130eV左右。 3、探測極限 能譜儀能測出的元素最小百分濃度稱為探測極限，與分析的元素種類、樣品的成分等有關(guān)，能譜儀的探測極限約為0.10.5%。 第二節(jié)：電子探針儀的分析方法及應(yīng)用 四種基本方法：定點定性分析、線掃描分析、面掃描分

9、析和定點定量分析。 1.定點定性分析 對試樣某一選定點（區(qū)域）進行定性成分分析，以確定該點區(qū)域內(nèi)存在的元素。 其原理如下： 關(guān)閉掃描線圈，使電子束定在需要分析的某一點上，激發(fā)試樣元素的特征X射線。用譜儀探測并顯示X射線譜，根據(jù)譜線峰值位置的波長或能量確定分析點區(qū)域的試樣中存在的元素。 下圖給出ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相與基體定點成分分析結(jié)果，可見析出相(t相) Y2O3 含量低，而基體(c相) Y2O3含量高，這和相圖是相符合的。 1 2 3 4Energy (keV)0100020003000Counts C O Al Si AuS Cl Ca Ca Ba上圖為含Ba硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)

10、物照片，下側(cè)的是照片中1、2點的能譜成分分析圖譜1 2 3 4Energy (keV)01000200030004000Counts C O Al Si AuS Cl Ca Ca Ba 2線掃描分析 使某聚焦電子束在試樣觀察區(qū)內(nèi)沿一選定直線（穿越粒子或界面）進行慢掃描。 在所要測量的某一元素特征X射線信號的位置上，使電子束沿著指定的路徑作直線軌跡掃描，使可得到這 元素沿該直線的濃度分布曲線。 3、面掃描分析 電子束在樣品表面作光柵掃描時，把X射線譜儀(波譜儀或能譜儀)固定在接收某一元素特征X射線信號的位置上，此時在熒光屏上便對得到該元素的面分布圖像。 圖中亮區(qū)表示這種元素的含量較高 0 5 10 15 20Energy (keV)020406080100cps COMgAlSiAu KCaCa Fe Au硅酸鹽水泥水化28天的SEM圖譜及線掃描、面掃描分析 4、（定點）定量分析 能譜儀在穩(wěn)定的電子束照射下得到的X射線譜，在扣除背景計數(shù)率后，各元素的同類特征譜線的強度值與它們的濃度相對應(yīng)。