电子探针显微分析

第四章电子显微镜研究法

一电子探针显微分析

1概述所谓电子探针是指用聚焦很细的电子束照射要检测的样品表面，用X射线分光谱仪测量其产生的特征X射线的波长和强度。由于电子束照射面积很小，因而相应的X射线特征谱线将反映出该微小区域内的元素种类及其含量。电子探针是继莫塞来定律（1913）和1943年成功获得了小于1μm聚焦电子束后，于1949年由R.Castaing首次制成。电子探针的功能主要是进行微区（1～5μm3）成分分析。其原理是用细聚焦电子束人射样品表面，激发出样品元素的特征X-射线，分析特征X-射线的波长(或特征能量)即可知道样品中所含元素的种类(定性分析)，分析X-射线的强度，则可知道样品中对应元素含量的多少(定量分析)。显然，如果将电子放大成像与X射线衍射分析结合起来，就能将所测微区的形状和物相分析对应起来(微区成分分析)，这是电子探针的最大优点。

电子探针仪镜筒部分的构造大体上和扫描电子显微镜相同，只是在检测器部分使用的是X-射线谱仪，专门用来检测X-射线的特征波长或特征能量，以此来对微区的化学成分进行分析。因此，除专门的电子探针仪外，有相当一部分电子探针仪是作为附件安装在扫描电镜或透射电镜镜简上，以满足微区组织形貌、晶体结构及化学成分三位一体同位分析的需要。电子探针仪的结构与工作原理图为电子探针仪的结构示意图。电子探针的镜筒及样品室和扫描电镜并无本质上的差别。电子探针的信号检测系统是X-射线谱仪，用来测定特征波长的谱仪叫做波长分散谱仪(WDS)或波谱仪。用来测定X-射线特征能量的谱仪叫做能量分散谱仪(EDS)或能谱仪。岛津EPMA-1600型电子探针日本岛津公司生产的型号为EPMA-1600的电子探针仪，价值人民币295万，可进行物质的定量成分分析、图象分析超微颗粒的分析。主要功能：成分分析、显微图像分析性能指标：分析范围B5～U92,分析精度ppm电子探针微区成分分析的理论基础

——莫塞莱定律H.G.J.Moseley在1914年总结发现：莫塞菜定律是X-射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础。分析方法是使某物质发出的特征X-射线经过已知晶体进行衍射，然后算出波长，利用标准样品定出K和σ，从而根据公式确定原子序数。K：与靶材物质主量子数有关的常数；σ：屏蔽常数，与电子所在的壳层位置有关。通过探测这些不同波长的X射线来确定样品中所含有的元素，这就是电子探针定性分析的依据。而将被测样品与标准样品中元素Y的衍射强度进行对比，即:就能进行电子探针的定量分析。当然利用电子束激发的X射线进行元素分析，其前提是入射电子束的能量必须大于某元素原子的内层电子临界电离激发能。2电子探针分析方法通过测量产生的特征X-射线的波长合强度来分析元素的种类和含量。一般有两种方法：波长分散法（WDS）能量分散法（EDS）常用的是第一种方法；第二种方法发展较晚，虽然比波长分散法精度稍差些，但分析速度快，也被广泛应用。(1).波长分散分析法（WDS）在电子探针中X射线是由样品表面以下一个微米乃至纳米数量级的作用体积内激发出来的，如果这个体积中含有多种元素，则可以激发出各个相应元素的特征波长X-射线。在样品上方水平放置一块具有适当晶面间距d的晶体，入射X-射线的波长、入射角和晶面间距三者符合布拉格方程2dsinθ＝nλ，这个特征波长的X射线就会发生强烈衍射，见图。波长分散谱仪的工作原理常用的分光晶体波长分散谱仪的工作原理不同波长的X射线以有不同的θ，通过测量X-射线的θ角就能计算出X射线的波长，从而确定样品所含的元素种类（定性）。用正比计数管探测分光所发射出的X射线可获得某一元素的特征X射线的强度，由此求得该元素在样品种的相对含量（定量）。图为用波谱仪分析一个测量点的谱线图，横坐标代表波长，纵坐标代表强度。谱线上有许多强度峰，每个峰在坐标上的位置代表相应元素特征X-射线的波长，高度代表这种元素的含量。(2)能量分散谱分析法(EDS)工作原理利用探测器和单道或多道能谱仪，直接测量不同元素特征X-射线的能量和强度，进行成分的定性和定量分析。由于各种元素具有自己的X-射线特征波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量。能谱仪就是利用不同元素X-射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。漂移硅Si(Li)检测器能量谱仪图能量分散谱分析工作原理电子束轰击样品所产生的X射线进入探测器（多采用锂漂移硅半导体）后，使硅原子发生电离并产生若干个电子空穴对，空穴对的数量与入射X射线的能量成正比（每3.8eV的能量产生一个电子空穴对）。电子空穴对经偏压收集成电荷输入到场效应晶体管前置放大器形成电脉冲，经多道分析器处理后便可得到一个按能量展开的特征x射线能量分布图。能谱仪测出的谱线图横坐标以能量表示，纵坐标是强度计数。能谱仪和波谱仪测量结果的对比能谱仪和波谱仪分别测出的各特征X-射线峰的位置相对应，前者峰的形状比较平坦(三)能谱仪-波谱仪分析的特点对比和波谱仪相比，能谱仪具下列几方面的优点：能谱仪探测X射线的效率高。Si(Li)晶体对x射线的检测率极高，因此能谱仪的灵敏度比波谱仪高一个数量级；能谱仪可在同一时间内对分析点内所有元素x射线光子