《電子探針EPMA》PPT課件

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1、 電 子 探 針 X射 線 顯 微 分 析 儀（ X-Ray Electron Probe Microanalyzer， EPMA） 1.1 概 述 1.2 EPMA基 本 原 理 1.3 儀 器 基 本 結(jié) 構(gòu) 1.4 定 性 定 量 分 析 方 法 1.5 樣 品 制 備 1.6 定 量 分 析 的 步 驟 及 注 意 事 項(xiàng) 1.1 EPMA 概 述 電 子 探 針 X射 線 顯 微 分 析 儀 (Electron probe X-ray microanalyser , EPMA )的 簡 稱 為 電 子 探 針 。 電 子 探 針 利 用 0.5m 1m的 高 能 電 子 束 激 發(fā)

2、分 析試 樣 ， 通 過 電 子 束 與 試 樣 相 互 作 用 產(chǎn) 生 的 特 征 X射線 、 二 次 電 子 、 吸 收 電 子 、 背 散 射 電 子 及 陰 極 熒光 等 信 息 來 分 析 試 樣 的 微 區(qū) 內(nèi) (m范 圍 內(nèi) )成 份 、形 貌 和 化 學(xué) 結(jié) 合 狀 態(tài) 等 特 征 。 1.1.1 電 子 探 針 的 發(fā) 展 歷 史 及 發(fā) 展 趨 勢 1932年 在 柏 林 由 Knoll和 Ruska研 制 出 第 一 臺(tái) 電 子 顯 微 鏡 1939年 西 門 子 （ Siemens） 第 一 臺(tái) 透 射 電 鏡 （ TEM） 商 品 1949年 castaing用 TE

3、M改 裝 成 一 臺(tái) 電 子 探 針 樣 機(jī) 1951年 6 月 ， Castaing 在 其 博 士 論 文 中 ， 提 出 了 EPMA定 量 分 析 的 基 本 原理 。 1956 年 由 法 國 CAMECA公 司 制 成 商 品 EPMA。 1960 年 掃 描 型 電 子 探 針 商 品 問 世 。 且 改 善 分 光 晶 體 ， 使 元 素 探 測 范 圍 由Mg 12擴(kuò) 展 至 Be4。 二 十 世 紀(jì) 70 年 代 開 始 ， 電 子 探 針 和 掃 描 電 鏡 的 功 能 組 合 為 一 體 ， 同 時(shí) 應(yīng) 用計(jì) 算 機(jī) 控 制 分 析 過 程 和 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 處 理

4、。 二 十 世 紀(jì) 80年 代 后 期 ， 電 子 探 針 具 有 彩 色 圖 像 處 理 和 圖 像 分 析 功 能 ， 計(jì) 算機(jī) 容 量 擴(kuò) 大 ， 使 分 析 速 度 和 數(shù) 據(jù) 處 理 時(shí) 間 縮 短 。 二 十 世 紀(jì) 90年 代 中 期 ， 電 子 探 針 的 結(jié) 構(gòu) ， 特 別 是 波 譜 和 樣 品 臺(tái) 的 移 動(dòng) 有 新的 改 進(jìn) ， 編 碼 定 位 ， 通 過 鼠 標(biāo) 可 以 準(zhǔn) 確 定 波 譜 和 樣 品 臺(tái) 位 置 。 現(xiàn) 有 EPMA主 要 生 產(chǎn) 廠 家 和 產(chǎn) 品 ：1、 日 本 島 津 公 司 EPMA1720 2、 日 本 電 子 公 司 JXA-8200 3

5、、 法 國 CAMECA公 司 SXFiveFE EPMA發(fā) 展 趨 勢 向 更 自 動(dòng) 化 、 操 作 更 方 便 、 更 微 區(qū) 、 更 微量 、 功 能 更 多 的 方 向 發(fā) 展 。 彩 色 圖 像 處 理 和 圖 像 分 析 功 能 會(huì) 更 完 善 ，定 量 分 析 結(jié) 果 的 準(zhǔn) 確 度 會(huì) 提 高 ， 特 別 是 對(duì)超 輕 元 素 (Z10)的 定 量 分 析 方 法 將 會(huì) 逐 步完 善 。 1.1.2 電 子 探 針 儀 器 的 分 析 特 點(diǎn) 1.微 區(qū) 性 、 微 量 性 ： 幾 個(gè) 立 方 m范 圍 能 將 微 區(qū) 化 學(xué) 成 分與 顯 微 結(jié) 構(gòu) 對(duì) 應(yīng) 起 來 。

6、而 一 般 化 學(xué) 分 析 、 X射 線 熒 光 分 析及 光 譜 分 析 等 ， 是 分 析 樣 品 較 大 范 圍 內(nèi) 的 平 均 化 學(xué) 組 成 ，也 無 法 與 顯 微 結(jié) 構(gòu) 相 對(duì) 應(yīng) ,不 能 對(duì) 材 料 顯 微 結(jié) 構(gòu) 與 材 料 性能 關(guān) 系 進(jìn) 行 研 究 。 2.方 便 快 捷 ： 制 樣 簡 單 ， 分 析 速 度 快 。 3.分 析 方 式 多 樣 化 ： 可 以 連 續(xù) 自 動(dòng) 進(jìn) 行 多 種 方 法 分 析 ， 如進(jìn) 行 樣 品 X射 線 的 點(diǎn) 、 線 、 面 分 析 等 。 自 動(dòng) 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 處 理和 數(shù) 據(jù) 分 析 。 4.應(yīng) 用 范 圍 廣 ： 可

7、用 于 各 種 固 態(tài) 物 質(zhì) 、 材 料 等 。 4. 元 素 分 析 范 圍 廣 ： 一 般 從 鈹 (Be4)鈾 ( 92)。 因 為 H和 He原 子 只 有 K 層 電 子 ， 不 能 產(chǎn) 生 特 征 X 射 線 ， 所 以 無 法 進(jìn) 行 電子 探 針 成 分 分 析 。 鋰 (Li) 雖 然 能 產(chǎn) 生 X 射 線 ， 但 產(chǎn) 生 的 特 征X 射 線 波 長 太 長 ， 通 常 無 法 進(jìn) 行 檢 測 ， 電 子 探 針 用 大 面 間 距的 皂 化 膜 作 為 衍 射 晶 體 已 經(jīng) 可 以 檢 測 Be元 素 。5. 不 損 壞 樣 品 ： 樣 品 分 析 后 ， 可 以

8、完 好 保 存 或 繼 續(xù) 進(jìn) 行 其 它 方面 的 分 析 測 試 ， 這 對(duì) 于 文 物 、 古 陶 瓷 、 古 硬 幣 及 犯 罪 證 據(jù) 等稀 有 樣 品 分 析 尤 為 重 要 。 6. 定 量 分 析 靈 敏 度 高 ： 相 對(duì) 靈 敏 度 一 般 為 （ 0.01 0.05）wt%， 檢 測 絕 對(duì) 靈 敏 度 約 為 10-14g， 定 量 分 析 的 相 對(duì) 誤 差為 (13)%。 7. 一 邊 觀 察 一 邊 分 析 ： 對(duì) 于 顯 微 鏡 下 觀 察 的 現(xiàn) 象 ， 均 可 進(jìn)行 分 析 。 電 子 探 針 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 ： 廣 泛 應(yīng) 用 于 材 料 科 學(xué) 、 礦

9、物 學(xué) 、 冶 金學(xué) 、 犯 罪 學(xué) 、 生 物 化 學(xué) 、 物 理 學(xué) 、 電 子 學(xué) 和 考 古 學(xué) 等 領(lǐng) 域 。對(duì) 任 何 一 種 在 真 空 中 穩(wěn) 定 的 固 體 ， 均 可 以 用 電 子 探 針 進(jìn) 行成 份 分 析 和 形 貌 觀 察 。 1.2 電 子 探 針 的 基 本 原 理 1.2.1 電 子 與 物 質(zhì) 的 相 互 作 用 1.2.2 電 子 探 針 定 性 分 析 原 理 1.2.3 電 子 探 針 定 量 分 析 原 理 1.2.1 電 子 與 物 質(zhì) 的 相 互 作 用 一 束 細(xì) 聚 焦 的 電 子 束 轟 擊 試 樣 表 面 時(shí) ， 入 射 電 子 與 試

10、 樣的 原 子 核 和 核 外 電 子 將 產(chǎn) 生 彈 性 或 非 彈 性 散 射 作 用 ， 并 激 發(fā)出 反 映 試 樣 形 貌 、 結(jié) 構(gòu) 和 組 成 的 各 種 信 息 ， 有 ： 二 次 電 子 、背 散 射 電 子 、 陰 極 發(fā) 光 、 特 征 X射 線 、 俄 歇 過 程 和 俄 歇 電 子 、吸 收 電 子 、 透 射 電 子 等 。 圖 1 電 子 與 物 質(zhì) 交 互 作 用 產(chǎn) 生 的 主 要 信 息 入 射 電 子 與 樣 品 相 互 作 用 后 ， 使 樣 品 原 子 較 外 層 電子 （ 價(jià) 帶 或 導(dǎo) 帶 電 子 ） 電 離 產(chǎn) 生 的 電 子 ， 稱 二 次 電

11、 子 。二 次 電 子 能 量 比 較 低 ， 習(xí) 慣 上 把 能 量 小 于 50eV電 子 統(tǒng) 稱為 二 次 電 子 ， 僅 在 樣 品 表 面 5nm 10nm的 深 度 內(nèi) 才 能 逸出 表 面 ， 這 是 二 次 電 子 分 辨 率 高 的 重 要 原 因 之 一 。 二 次 電 子 及 二 次 電 子 像 當(dāng) 入 射 電 子 與 樣 品 相 互 作 用 時(shí) ， 入 射 電 子 與 核 外 電 子 發(fā) 生 能 量 傳遞 ， 一 般 幾 至 幾 十 個(gè) 電 子 伏 特 。 如 果 核 外 電 子 所 獲 得 的 能 量 大 于 其 臨界 電 離 能 ， 則 該 電 子 可 脫 離 原

12、子 成 為 自 由 電 子 ， 如 果 這 些 自 由 電 子 離樣 品 表 面 很 近 ， 而 且 其 能 量 大 于 相 應(yīng) 的 逸 出 能 ， 則 可 能 從 樣 品 表 面 逸出 而 成 為 二 次 電 子 。 。 因 為 二次 電 子 信 號(hào) 主 要 來 處 樣 品 表 層 5 10nm的 深 度 范 圍 ， 它 的 強(qiáng) 度 與 原 子序 數(shù) 沒 有 明 確 的 關(guān) 系 ， 而 對(duì) 微 區(qū) 表 面 相 對(duì) 于 入 射 電 子 束 的 方 向 卻 十 分敏 感 ， 二 次 電 子 像 分 辨 率 比 較 高 ， 所 以 適 用 于 顯 示 形 貌 襯 度 。 二 次 電 子 像 2.

13、背 散 射 電 子 及 背 散 射 電 子 像 背 散 射 電 子 是 指 入 射 電 子 與 樣 品 相 互 作 用 (彈 性 和 非彈 性 散 射 )之 后 ， 再 次 逸 出 樣 品 表 面 的 高 能 電 子 ， 其 能 量接 近 于 入 射 電 子 能 量 ( E。 )。 背 散 射 電 子 能 量 大 于 50eV,小 于 等 于 入 射 電 子 能 量 。 背 射 電 子 的 產(chǎn) 額 隨 樣 品 的 原 子序 數(shù) 增 大 而 增 加 ， 所 以 背 散 射 電 子 信 號(hào) 的 強(qiáng) 度 與 樣 品 的化 學(xué) 組 成 有 關(guān) ， 即 與 組 成 樣 品 的 各 元 素 平 均 原 子

14、 序 數(shù) 有關(guān) 。 樣 品 平 均 原 子 序 數(shù) 越 大 ， 產(chǎn) 生 的 背 散 射 電 子 數(shù) 目 越多 ， 圖 像 的 亮 度 越 大 ， 反 之 亦 然 。 背 散 射 電 子 也 反 映 樣品 形 貌 信 息 。 背 散 射 電 子 像 (Backscatter electron image,BSE ) 3. 陰 極 發(fā) 光 陰 極 發(fā) 光 是 指 晶 體 物 質(zhì) 在 高 能 電 子 的 照 射 下 ， 發(fā) 射 出 可 見 光 紅 外或 紫 外 光 的 現(xiàn) 像 。 陰 極 發(fā) 光 現(xiàn) 象 和 發(fā) 光 能 力 、 波 長 等 均 與 材 料 基 體 物 質(zhì) 種 類 和 含 量有 關(guān) 。

15、 陰 極 發(fā) 光 效 應(yīng) 對(duì) 樣 品 中 少 量 元 素 分 布 非 常 敏 感 ， 可 以 作 為 電 子探 針 微 區(qū) 分 析 的 一 個(gè) 補(bǔ) 充 ， 根 據(jù) 發(fā) 光 顏 色 或 分 光 后 檢 測 波 長 即 可 進(jìn) 行元 素 分 析 。 從 陰 極 發(fā) 光 的 強(qiáng) 度 差 異 還 可 以 判 斷 一 些 礦 物 及 半 導(dǎo) 體 中 雜質(zhì) 原 子 分 布 的 不 均 勻 性 。 例 如 半 導(dǎo) 體 和 一 些 氧 化 物 、 礦 物 等 ， 用EPMA的 同 軸 光 學(xué) 顯 微 鏡 可 以 直 接 觀 察 可 見 光 ， 還 可 以 用 分 光 光 度 計(jì)進(jìn) 行 分 光 和 檢 測 其

16、強(qiáng) 度 來 進(jìn) 行 元 素 分 析 。 陰 極 發(fā) 光 現(xiàn) 象 是 了 解 物 質(zhì) 結(jié)合 狀 態(tài) 與 結(jié) 晶 狀 態(tài) ， 是 否 含 有 雜 質(zhì) 元 素 等 最 有 效 的 手 段 。 4. 特 征 X 射 線 高 能 電 子 入 射 到 樣 品 時(shí) ， 樣 品 中 元 素 的 原 子 內(nèi) 殼 層 (如 K、 L 殼 層 ) 處 于 激 發(fā) 態(tài) ，原 子 較 外 層 電 子 將 迅 速 躍 遷 到 有 空 位 的 內(nèi) 殼 層 ， 以 填 補(bǔ) 空 位 降 低 原 子 系 統(tǒng) 的 總 能 量 ，并 以 特 征 X射 線 釋 放 出 多 余 的 能 量 。 各譜線成因及電子在各殼層間的相互 躍遷情況

17、 5. 吸 收 電 子 入 射 電 子 與 樣 品 相 互 作 用 后 ， 能 量 耗 盡 的 電 子 稱吸 收 電 子 。 吸 收 電 子 的 信 號(hào) 強(qiáng) 度 與 背 散 射 電 子 的 信 號(hào)強(qiáng) 度 相 反 ， 即 背 散 射 電 子 的 信 號(hào) 強(qiáng) 度 弱 ， 則 吸 收 電 子的 強(qiáng) 度 就 強(qiáng) ， 反 之 亦 然 ， 所 以 吸 收 電 子 像 的 襯 度 與 背散 射 電 子 像 的 襯 度 相 反 。 通 常 吸 收 電 子 像 分 辨 率 不 如背 散 射 電 子 像 ， 一 般 很 少 用 。 6. 透 射 電 子 當(dāng) 電 子 束 入 射 到 薄 的 樣 品 上 ， 如 果

18、樣 品 厚 度 比 入 射 電 子 的有 效 穿 透 深 度 小 得 多 ， 會(huì) 有 一 定 的 入 射 電 子 穿 透 樣 品 ， 這 部 分電 子 稱 為 透 射 電 子 。 電 子 的 穿 透 能 力 與 加 速 電 壓 有 關(guān) ， 加 速 電壓 高 則 入 射 電 子 能 量 大 ， 穿 透 能 力 強(qiáng) 。 透 射 電 子 數(shù) 目 與 樣 品 厚度 成 反 比 ， 與 原 子 序 數(shù) 成 正 比 。 用 途 ： 可 通 過 電 子 能 量 損 失 的 方 法 ， 測 定 樣 品 成 分 ； 可 觀察 樣 品 形 貌 ； 可 進(jìn) 行 電 子 衍 射 晶 體 結(jié) 構(gòu) 分 析 。 7. 俄

19、歇 電 子 入 射 電 子 與 樣 品 相 互 作 用 后 ， 元 素 原 子 內(nèi) 層 軌 道 的 電 子 轟擊 出 來 成 為 自 由 電 子 或 二 次 電 子 ， 而 留 下 空 位 ， 從 而 原 子 不 穩(wěn)定 。 則 外 層 高 能 電 子 填 充 空 位 ， 釋 放 出 能 量 ， 釋 放 的 能 量 一 方面 以 輻 射 特 征 X射 線 的 方 式 釋 放 ， 另 一 方 面 釋 放 的 能 量 被 該 原子 吸 收 ， 從 而 從 另 一 軌 道 上 轟 擊 出 電 子 ， 該 電 子 為 俄 歇 電 子 。俄 歇 電 子 發(fā) 生 的 幾 率 隨 原 子 序 數(shù) 的 減 少

20、而 增 加 ， 能 量 較 低 ， 逸出 深 度 10。 俄 歇 電 子 的 能 量 對(duì) 于 各 元 素 是 特 征 的 。 可 用 來 分析 樣 品 表 面 的 成 分 ， 適 合 輕 元 素 和 超 輕 元 素 分 析 。 1.2.2 EPMA定 性 分 析 原 理 1.Moseley 定 律 ： （ 1-1） 為 產(chǎn) 生 特 性 X射 線 的 頻 率 ， Z為 產(chǎn) 生 特 性 X射 線 元 素 的 原 子 序數(shù) ， K、 為 常 數(shù) 。 由 （ 1-1） 可 知 組 成 樣 品 元 素 的 原 子 序 數(shù) Z與 它 產(chǎn) 生 的 特 征 X 射 線 頻 率 ()有 對(duì) 映 關(guān) 系 ， 即

21、每 一 種 元 素 都 有 一 個(gè) 特 定 頻 率 或波 長 的 特 征 X射 線 與 之 相 對(duì) 應(yīng) ， 它 不 隨 入 射 電 子 的 能 量 而 變化 。 2.Bragg晶 體 衍 射 的 原 理 ： （ 1-2）d 為 晶 體 面 間 距 ， 為 X射 線 入 射 角 ， 產(chǎn) 生 的 特 征 X射 線 波 長 。 注 意 ： 對(duì) 同 一 衍 射 晶 體 ， 其 每 一 個(gè) 不 同 的 角 對(duì) 應(yīng) 不 同 波 長 的衍 射 線 。 分 光 晶 體 能 將 樣 品 中 各 元 素 與 電 子 相 互 作 用 產(chǎn) 生 的一 系 列 不 同 波 長 的 特 征 X射 線 區(qū) 分 離 開 來 。

22、2 sinn d 2( )K Z 1,2,3n 晶 體 衍 射 原 理 圖 特 征 X射 線 譜 線 圖 1.2.3 EPMA定 量 分 析 原 理 樣 品 中 A元 素 的 相 對(duì) 含 量 CA與 該 元 素 產(chǎn) 生 的 特 征 X射 線 的 強(qiáng) 度 IA (X射 線 計(jì) 數(shù) )成 正 比 : CA IA， 如 果 在 相 同 的 電 子 探 針 分 析 條 件 下 ， 同 時(shí) 測 量 樣 品 和已 知 成 份 的 標(biāo) 樣 中 A 元 素 的 同 名 X射 線 (如 K線 )強(qiáng) 度 ， 經(jīng) 過 修正 計(jì) 算 ， 就 可 以 得 出 樣 品 中 A元 素 的 相 對(duì) 百 分 含 量 CA: （

23、 1-3） 式 中 C A為 某 A元 素 的 百 分 含 量 ， K為 常 數(shù) ， 根 據(jù) 不 同 的 修 正 方法 K可 用 不 同 的 表 達(dá) 式 表 示 ， IA 和 I(A)分 別 為 樣 品 中 和 標(biāo) 樣 中 A元 素 的 特 征 X射 線 強(qiáng) 度 ， 同 樣 方 法 可 求 出 樣 品 中 其 它 元 素 的百 分 含 量 。 ( )AA AIC K I 1.2.3 EPMA定 量 分 析 原 理 定 量 分 析 的 校 正 及 計(jì) 算 要 分 兩 部 分 ： 1.分 析 數(shù) 據(jù) 預(yù) 處 理 ： 對(duì) 實(shí) 際 測 量 的 X射 線 強(qiáng) 度 要 進(jìn) 行死 時(shí) 間 校 正 、 背 景

24、 校 正 、 譜 線 干 擾 校 正 以 期 獲 得 真 實(shí)的 X射 線 強(qiáng) 度 比 。 2.修 正 計(jì) 算 ： 將 元 素 的 特 征 X射 線 強(qiáng) 度 比 轉(zhuǎn) 換 為 元 素的 真 實(shí) 質(zhì) 量 濃 度 。 由 于 標(biāo) 樣 和 待 測 樣 的 組 成 不 同 ， 入射 電 子 和 樣 品 原 子 作 用 的 效 果 不 同 ， 故 X射 線 強(qiáng) 度 比不 能 等 于 元 素 的 質(zhì) 量 濃 度 。 現(xiàn) 有 的 修 正 方 法 有 ZAF法 、因 子 法 、 B/A法 及 校 正 曲 線 法 。 1.2.3 定 量 修 正 背 景 修 正 背 景 來 源 ： 電 子 束 與 樣 品 相 互 作

25、 用 產(chǎn) 生 的 軔 致 輻 射 構(gòu) 成 X射 線 連續(xù) 譜 ， 是 X射 線 測 量 中 的 不 可 避 免 和 不 可 忽 視 的 主 要 背 景 來 源 。其 次 是 作 用 過 程 中 產(chǎn) 生 的 散 射 和 儀 器 的 電 子 噪 聲 。 扣 除 方 法 ： 1. 背 景 是 X射 線 波 長 的 線 性 函 數(shù) ： 在 譜 峰 兩 側(cè) 偏 離 0.1埃 或 布 拉格 角 2 的 位 置 分 別 測 量 取 平 均 值 ， 即 為 譜 峰 中 心 背 景 。 2. 背 景 強(qiáng) 度 不 是 波 長 的 線 性 函 數(shù) ： 在 譜 線 兩 側(cè) 各 測 兩 個(gè) 以 上 背景 值 ， 然 后

26、 繪 出 背 景 軌 跡 ， 直 接 讀 取 峰 值 處 背 景 。 1.2.3 定 量 修 正 死 時(shí) 間 校 正 死 時(shí) 間 ： 一 個(gè) 脈 沖 計(jì) 數(shù) 到 達(dá) 后 ， 計(jì) 數(shù) 系 統(tǒng) 對(duì) 其 他脈 沖 不 予 響 應(yīng) 的 那 段 時(shí) 間 。 計(jì) 數(shù) 率 越 高 產(chǎn) 生 的 死時(shí) 間 計(jì) 數(shù) 損 失 越 大 。 標(biāo) 樣 和 待 測 樣 計(jì) 數(shù) 率 不 同 ，死 時(shí) 間 計(jì) 數(shù) 損 失 則 不 同 ， 要 進(jìn) 行 校 正 。 實(shí) 際 記 錄 的 X射 線 強(qiáng) 度 為 ： I=I/(1-I) (1-4) 1.3 電 子 探 針 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 1.3.1 電 子 光 學(xué) 系 統(tǒng) 1.3.2

27、 晶 體 分 光 譜 儀 1.3.3 X 射 線 測 量 記 錄 裝 置 1.3.4 光 學(xué) 顯 微 鏡 及 透 射 光 源 1.3.5 樣 品 室 1.3.6 自 動(dòng) 化 分 析 系 統(tǒng) 1.3.7 真 空 及 輔 助 系 統(tǒng) 1.3.8 掃 描 顯 示 系 統(tǒng) 電子探針儀器結(jié)構(gòu)圖 1.3.1 電 子 光 學(xué) 系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 具 有 一 定 能 量 、 強(qiáng) 度 和 盡 可 能 小 直 徑 的 電 子 束 ， 即 產(chǎn) 生一 個(gè) 穩(wěn) 定 的 X射 線 激 發(fā) 源 。 主 要 由 以 下 幾 部 分 組 成 ： 1. 電 子 槍 ： 產(chǎn) 生 足 夠 亮 度 和 速 度 的 電 子 束 燈 絲 ：

28、產(chǎn) 生 熱 電 子 柵 極 ： 靜 電 聚 焦 作 用 形 成 一 個(gè) 10m100m交 叉 點(diǎn) 陽 極 ： 加 速 電 子 作 用 2. 電 磁 透 鏡 ： 聚 光 鏡 ： 兩 或 三 級(jí) ， 控 制 束 流 縮 小 電 子 束 直 徑 幾 十 分 之 一到 一 百 幾 十 分 之 一 ； 物 鏡 ： 調(diào) 節(jié) 電 子 束 焦 距 ， 縮 小 電 子 束 直 徑 為 了 擋 掉 大 散 射 角 的 雜 散 電 子 ， 使 入 射 到 樣 品 的 電 子 束 直徑 盡 可 能 小 ， 會(huì) 聚 透 鏡 和 物 鏡 下 方 都 有 光 闌 。 3. 掃 描 線 圈 ： 受 掃 描 發(fā) 生 器 控 制

29、 ， 電 子 束 在 樣 品 表 面掃 描 ， 同 時(shí) 顯 像 管 作 同 步 掃 描 。 使 顯 象 管 所 觀 察 到 的 圖像 ， 與 電 子 束 在 樣 品 表 面 掃 描 區(qū) 域 相 對(duì) 應(yīng) 。 4. 消 像 散 器 ： 當(dāng) 電 子 光 學(xué) 系 統(tǒng) 中 磁 場 或 靜 電 場 不 稱 軸對(duì) 稱 時(shí) ， 會(huì) 產(chǎn) 生 像 散 ， 使 原 來 應(yīng) 該 呈 圓 形 交 叉 點(diǎn) 變 為 橢圓 。 消 像 散 器 產(chǎn) 生 一 個(gè) 與 引 起 像 散 方 向 相 反 、 大 小 相 同的 磁 場 來 消 除 像 散 。 1.3.2 X射 線 分 光 晶 體 譜 儀 主 要 由 分 光 晶 體 、

30、X射 線 探 測 器 、 譜 儀 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 等 組 成 。 1.分 光 晶 體 ： 具 有 相 同 陣 列 的 原 子 組 成 的 光 柵 或 薄 膜 材 料 。 由 于 譜 儀設(shè) 計(jì) 的 限 制 ， 角 只 能 在 有 限 的 范 圍 內(nèi) 改 變 ， 所 以 ， 給 定 的 晶 體 只 能檢 測 一 定 波 長 范 圍 內(nèi) 的 X射 線 。 為 了 使 EPMA能 分 析 Be-U的 元 素 ， 必 須配 備 幾 組 網(wǎng) 面 間 距 不 同 的 分 光 晶 體 。 通 常 有 3-5道 譜 儀 ， 每 個(gè) 譜 儀 上有 2塊 網(wǎng) 面 間 距 不 同 的 可 轉(zhuǎn) 換 的 分 光 晶 體

31、。 分 光 晶 體 的 性 能 要 求 ： 衍 射 效 率 高 、 分 辨 率 高 、 峰 背 比 大 、 易 于 加 工 、適 合 長 期 使 用 。 常 用 的 晶 體 有 ： PET(C 5H12O4) 異 戊 四 醇 、 RAP TAP(C8H5O4Ti) 鄰 苯 二甲 酸 氫 鉈 ， LiF氟 化 鋰 晶 體 、 STEPb(C18H35O2)2硬 脂 酸 鉛 等 。 分 光 晶 體 的 分 辨 本 領(lǐng) 決 定 EPMA的 分 辨 率 ， 故 尋 找 新 型 的 高 分 辨 本 領(lǐng) 的晶 體 是 提 高 電 子 探 針 分 辨 率 和 靈 敏 度 的 重 要 途 徑 。 不 同 晶

32、體 的 檢 測 范 圍 2. X射 線 探 測 器 常 用 正 比 計(jì) 數(shù) 器 和 閃 爍 計(jì) 數(shù) 器 。 其 電 脈 沖 和 X射 線 的 能 量成 正 比 。 正 比 計(jì) 數(shù) 器 特 點(diǎn) ： 輸 出 脈 沖 高 度 正 比 于 輸 入 X射 線 的 光 子 能 量 ， 具 有靈 敏 度 高 、 死 時(shí) 間 短 、 輸 出 脈 沖 響 應(yīng) 時(shí) 間 小 等 特 點(diǎn) 。 閃 爍 計(jì) 數(shù) 器 由 閃 爍 體 、 光 導(dǎo) 管 、 光 電 倍 增 管 組 成 電 子 打 到 閃 爍 體 上 發(fā) 出 的 光 由 有 機(jī) 玻 璃 棒 制 成的 光 導(dǎo) 管 傳 遞 到 真 空 室 外 通 過 耦 合 界 面

33、 由 光 電倍 增 管 接 受 轉(zhuǎn) 變 成 電 信 號(hào) 。 3.分 光 晶 體 譜 儀 的 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) RL nd 譜 儀 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖圖 中 以 R 為 半 徑 的 圓 稱 為 Rowlend 圓 ， 電 子 束 入 射 到 樣 品 表 面 時(shí) ， 會(huì) 產(chǎn) 生 反 應(yīng) 樣 品 成 分的 特 征 X射 線 ， 特 征 X射 線 經(jīng) 晶 體 分 光 聚 焦 后 ， 被 X射 線 計(jì) 數(shù) 管 接 收 ， 如 果 樣 品 照 射 點(diǎn) 到晶 體 的 距 離 為 L， 則 L=2Rsin,再 由 Bragg 公 式 2dsin=n則 得 波 譜 儀 分 光 的 原 理 晶 體 沿 L

34、直 線 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) (L 改 變 )就 可 以 測 出 不 同 元 素 所 產(chǎn) 生 的 特 征 X射 線 波 長 ,稱 這 種 譜 儀 為 直 進(jìn) 式 波 譜 儀 。 電 子 探 針 波 譜 儀 的 分 光 原 理 圖 1.3.3 X射 線 測 量 記 錄 裝 置 要 求 ： 準(zhǔn) 確 顯 示 和 記 錄 X射 線 探 測 器 所 測 定 的 X射 線 脈 沖 信 號(hào) 。具 備 噪 音 低 、 頻 帶 寬 、 分 辨 率 高 等 特 點(diǎn) 。 組 成 如 下 ： 1. 前 置 放 大 器 ： 盡 可 能 靠 近 計(jì) 數(shù) 管 并 采 用 場 效 應(yīng) 管 做 輸 入 極 ，以 提 高 信 噪 比 和

35、減 少 脈 沖 信 號(hào) 損 失 。 2. 主 放 大 器 ： 把 計(jì) 數(shù) 管 脈 沖 幅 度 增 加 到 適 于 脈 沖 高 度 分 析 處理 的 電 壓 ， 其 放 大 倍 數(shù) 一 般 為 幾 百 倍 。 3. 脈 沖 高 度 分 析 器 ： 通 過 基 線 、 道 寬 的 選 擇 ， 阻 止 無 用 的 低能 脈 沖 ， 并 將 實(shí) 際 信 號(hào) 脈 沖 轉(zhuǎn) 換 成 標(biāo) 準(zhǔn) 形 式 。 4. 計(jì) 數(shù) 率 計(jì) ： 用 來 產(chǎn) 生 與 輸 入 計(jì) 數(shù) 率 成 正 比 的 電 壓 。 分 直 線型 和 對(duì) 數(shù) 型 。 5. 定 標(biāo) 器 和 定 時(shí) 器 6. 顯 示 單 元 1.3.3 X射 線 測

36、 量 記 錄 裝 置 工 作 過 程 ： 由 分 光 晶 體 產(chǎn) 生 的 X射 線 進(jìn) 入 正 比 計(jì) 數(shù) 管 ， 正 比 計(jì) 數(shù) 管 出 來 的信 號(hào) 進(jìn) 入 前 置 放 大 器 和 主 放 大 器 （ AMP） ， 并 在 單 道 分 析 器 （ SCA） 中 進(jìn)行 脈 沖 高 度 分 析 ， 單 道 分 析 器 的 輸 出 脈 沖 送 雙 道 計(jì) 數(shù) 器 計(jì) 數(shù) ， 單 道 分 析 器及 速 率 表 的 輸 出 信 號(hào) 經(jīng) 過 圖 像 選 擇 器 在 CRT 上 顯 示 出 一 維 (線 輪 廓 )或 二 維(X 射 線 像 )的 X射 線 強(qiáng) 度 分 布 。 X射 線 測 定 系 統(tǒng)

37、方 塊 圖 1.3.4 光 學(xué) 顯 微 鏡 及 透 射 照 明 光 源 光 學(xué) 顯 微 鏡 用 于 被 分 析 點(diǎn) 的精 確 定 位 和 準(zhǔn) 焦 。 類 型 : 多 為 反 射 式 。 指 標(biāo) ： 分 辨 率和 焦 距 。 透 射 照 明 光 源 ： 用 于 地 質(zhì) 樣品 的 偏 光 觀 察 ， 地 學(xué) 研 究 非常 有 用 。 要 求 ： 高 亮 度 、 大視 野 。 類 型 ： 透 光 /偏 光 ，可 抽 式 。 JXA8200型 電 子 探 針 光 學(xué) 顯 微 鏡 1.3.5 樣 品 室用 于 安 裝 、 交 換 和 移 動(dòng) 樣 品 。 樣 品 可 以 沿 X、 Y、 Z 軸 方 向移

38、動(dòng) ， 有 的 樣 品 臺(tái) 可 以 傾 斜 、 旋 轉(zhuǎn) 。 常 規(guī) 樣 品 臺(tái) 大 樣 品 臺(tái) 1.3.6 自 動(dòng) 化 分 析 系 統(tǒng) 隨 計(jì) 算 機(jī) 發(fā) 展 七 十 年 代 后 期 的 EPMA均 是 自 動(dòng) 控制 的 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 電 子 探 針 的 樣 品 臺(tái) 、 譜 儀 、電 子 光 學(xué) 系 統(tǒng) 、 分 析 功 能 以 及 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 采 集 和數(shù) 據(jù) 處 理 。 分 析 數(shù) 據(jù) 和 圖 像 可 以 在 計(jì) 算 機(jī) 上 處理 和 儲(chǔ) 存 。 1.3.7 真 空 系 統(tǒng) 作 用 ： 減 少 陰 極 電 子 與 氣 體 分 子 的 碰 撞 幾 率 ， 得 到 符 合 要 求的

39、 電 子 束 ； 防 止 燈 絲 氧 化 降 低 壽 命 ； 提 高 陽 極 陰 極 之 間 的 絕 緣 性 ， 使 之 承 受 高 電 位 差 ， 而不 至 于 高 壓 擊 穿 ； 減 少 空 氣 雜 質(zhì) 對(duì) 鏡 筒 、 陽 極 板 和 樣 品 的 污 染 ； 減 少 氣 體 對(duì) 軟 X射 線 的 吸 收 ， 以 提 高 分 析 的 靈 敏 度 和 擴(kuò)大 分 析 范 圍 。 真 空 度 一 般 為 0.01Pa 0.001Pa， 通 常 用 機(jī) 械 泵 油 擴(kuò) 散 泵 抽 真 空 。 要 求 泵 抽 速 快 、 震 動(dòng) 小 。 1.3.8 掃 描 顯 示 系 統(tǒng) 將 電 子 束 在 樣 品

40、表 面 和 觀 察 圖 像 的 熒 光（ CRT） 進(jìn) 行 同 步 光 柵 掃 描 ， 把 產(chǎn) 生 的 二 次 電子 、 背 散 射 電 子 及 X 射 線 等 信 號(hào) ， 經(jīng) 過 探 測 器及 信 號(hào) 處 理 后 ， 送 到 CRT 顯 示 圖 像 或 記 錄 圖像 。 現(xiàn) 儀 器 顯 示 的 都 是 數(shù) 字 圖 像 ， 并 可 進(jìn) 行 圖像 處 理 。 1.4 樣 品 要 求 及 制 備 樣 品 大 小 合 適 薄 片 和 砂 薄 片 不 能 加 蓋 玻 璃 樣 品 表 面 良 好 的 導(dǎo) 電 性 和 導(dǎo) 熱 性 樣 品 表 面 盡 量 磨 得 很 平 鏡 面 ， 表 面 干 凈 無 污

41、染 分 析 區(qū) 域 的 選 擇 確 定 分 析 內(nèi) 容 ： 分 析 位 置 、 分 析 元 素 、 分 析 方 式 樣 品 制 備 1.粉 末 樣 品 ： 直 接 撒 在 樣 品 座 的 雙 面 碳 導(dǎo) 電 膠 上 ， 用 平 的表 面 物 體 壓 緊 ， 再 用 洗 耳 球 吹 去 粘 結(jié) 不 牢 固 的 顆 粒 。 也 可采 用 環(huán) 氧 樹 脂 等 鑲 嵌 材 料 將 樣 品 包 埋 后 ， 進(jìn) 行 粗 磨 、 細(xì) 磨及 拋 光 方 法 制 備 。 2. 塊 狀 樣 品 ： 可 用 環(huán) 氧 樹 脂 等 鑲 嵌 后 ， 進(jìn) 行 研 磨 和 拋 光 。較 大 的 塊 狀 樣 品 也 可 以 直

42、 接 研 磨 和 拋 光 。 3. 鍍 膜 ： 樣 品 加 工 后 ， 蒸 鍍 金 或 者 碳 等 導(dǎo) 電 膜 ， 再 分 析 。形 貌 觀 察 時(shí) ， 可 蒸 鍍 金 導(dǎo) 電 膜 ； 成 分 定 性 、 定 量 分 析 ， 必須 蒸 鍍 碳 導(dǎo) 電 膜 。 鍍 膜 要 均 勻 ， 厚 度 控 制 在 20nm左 右 。標(biāo) 樣 和 樣 品 應(yīng) 該 同 時(shí) 蒸 鍍 。 1.5 分 析 方 式 定 性 分 析 指 定 元 素 分 析 全 譜 分 析 定 量 分 析 定 量 分 析 數(shù) 據(jù) 的 預(yù) 處 理 ： 背 景 修 正 、 死 時(shí) 間 修 正 、譜 線 干 擾 修 正 氧 化 物 定 量 分

43、析 ： B-A修 正 法 金 屬 及 硫 化 物 定 量 分 析 ： ZAF修 正 法 （ 原 子 序 數(shù) 修正 、 吸 收 修 正 、 熒 光 修 正 ） 超 輕 元 素 的 定 量 分 析 ： 超 輕 元 素 的 深 度 分 布 函 數(shù) 、質(zhì) 量 吸 收 系 數(shù) 還 缺 少 數(shù) 據(jù) ， 需 改 進(jìn) 儀 器 性 能 提 高 測 量 準(zhǔn) 確 度 ， 測 出 準(zhǔn) 確 的 深 度 分 布 函 數(shù) ， 完 善 定 量 修正 公 式 等 。 1.5 分 析 方 式 點(diǎn) 分 析 ： 將 電 子 束 固 定 在 樣 品 感 興 趣 的 點(diǎn) 上 ， 進(jìn) 行 定 性 或定 量 分 析 線 分 析 ： 電 子

44、束 沿 一 條 分 析 線 進(jìn) 行 掃 描 (或 樣 品 掃 描 )時(shí) ，能 獲 得 元 素 及 其 含 量 變 化 的 線 分 布 曲 線 。 1.5 分 析 方 式 面 分 析 ： 將 電 子 束 沿 樣 品 表 面 掃 描 時(shí) ， 元 素 在 樣 品 表 面 的 分 布 能 在 CRT 上 以亮 度 分 布 顯 示 出 來 （ 定 性 分 析 ） 。 樣 品 面 分 布 圖 1.6 定 量 分 析 的 步 驟 確 定 分 析 區(qū) 域 和 分 析 的 主 次 元 素 選 擇 標(biāo) 樣 ： 原 則 盡 量 與 待 測 樣 品 取 得 一 致 在 最 佳 實(shí) 驗(yàn) 條 件 下 測 標(biāo) 樣 和 待

45、測 樣 的 每 個(gè) 元 素 的峰 值 和 背 景 值 處 的 計(jì) 數(shù) 強(qiáng) 度 求 峰 值 和 背 景 的 平 均 計(jì) 數(shù) 強(qiáng) 度 值 進(jìn) 行 背 景 修 正 進(jìn) 行 死 時(shí) 間 的 修 正 求 X射 線 的 相 對(duì) 強(qiáng) 度 定 量 分 析 的 修 正 計(jì) 算 定 量 分 析 的 注 意 事 項(xiàng) 樣 品 分 析 區(qū) 域 的 選 擇 樣 品 表 面 要 有 鏡 面 、 表 面 無 污 染 制 作 等 厚 度 的 鍍 膜 分 析 時(shí) 間 的 選 擇 加 速 電 壓 的 選 擇 ： 過 壓 比 =激 發(fā) 電 壓 /臨 界 激 發(fā) 電壓 束 流 強(qiáng) 度 的 選 擇 、 束 流 束 斑 大 小 的 選 擇 元 素 分 析 X射 線 的 選 擇 分 光 晶 體 的 選 擇 、 根 據(jù) 晶 體 和 測 量 的 元 素 X射 線 分配 譜 儀 標(biāo) 樣 的 選 擇 背 景 的 測 量