第十五章电子探针X射线微区分析.doc

第十五章电子探针X射线微区分析(EPMA)第一节 电子探针工作原理 电子探针（Electron Probe Microanalysis-EPMA）的主要功能是进行微区成分分析。它是在电子光学和X射线光谱学原理的基础上发展起来的一种高效率分析仪器。 其原理是：用细聚焦电子束入射样品表面，激发出样品元素的特征X射线，分析特征X射线的波长（或能量）可知元素种类；分析特征X射线的强度可知元素的含量。其镜筒部分构造和SEM相同，检测部分使用X射线谱仪，用来检测X射线的特征波长（波谱仪）和特征能量（能谱仪），以此对微区进行化学成分分析。 X射线谱仪是电子探针的信号检测系统，分为： 能量分散谱仪（EDS），简称能谱仪，用来测定X射线特征能量。 波长分散谱仪（WDS），简称波谱仪，用来测定特征X射线波长。 WDS组成：波谱仪主要由分光晶体和X射线检测系统组成。 原理：根据布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经过一定晶面间距的晶体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角。通过连续地改变q，就可以在与X射线入射方向呈2 q的位置上测到不同波长的特征X射线信号。根据莫塞莱定律可确定被测物质所含有的元素。 为了提高接收X射线强度，分光晶体通常使用弯曲晶体。 第二节 电子探针分析的特点 电子探针显微分析有以下特点： 1.显微结构分析 电子探针是利用0.5m1m的高能电子束激发待分析的样品，通过电子与样品的相互作用产生的特征X射线、二次电子、吸收电子、 背散射电子及阴极荧光等信息来分析样品的微区内(m范围内)成份、形貌和化学结合状态等特征。电子探针是几个m范围内的微区分析， 微区分析是它的一个重要特点之一, 它能将微区化学成份与显微结构对应起来，是一种显微结构的分析。 2. 元素分析范围广 电子探针所分析的元素范围从硼(B)铀()，因为电子探针成份分析是利用元素的特征X射线，而氢和氦原子只有K层电子，不能产生特征X射线， 所以无法进行电子探针成分分析，锂(Li)和铍(Be)虽然能产生X射线，但产生的特征X射线波长太长，通常无法进行检测，少数电子探针用大面间距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测Be元素。能谱仪的元素分析范围现在也和波谱相同，分析元素范围从硼(Be)铀()。 3. 定量分析准确度高 电子探针是目前微区元素定量分析最准确的仪器。电子探针的检测极限(能检测到的元素最低浓度)一般为（0.010.05）wt%， 不同测量条件和不同元素有不同的检测极限，但由于所分析的体积小，所以检测的绝对感量极限值约为10-14g，定量分析的相对误差为(13)%，对原子序数大于11，含量在10wt% 以上的元素，其相对误差通常小于2%。 4. 不损坏试样、分析速度快 电子探针一般不损坏样品，样品分析后，可以完好保存或继续进行其它方面的分析测试， 第三节 电子探针分析方法及应用 电子探针的定量分析方法1. 定点分析： 将电子束固定在要分析的微区上，用波谱仪分析时，改变分光晶体和探测器的位置，即可得到分析点的X射线谱线；用能谱仪分析时，几分钟内即可直接从荧光屏（或计算机）上得到微区内全部元素的谱线。 镁合金中的析出相CaMgSi的鉴别 Spectrum1 位置析出相富含Ca、Mg、Si元素 2. 线分析： 将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置把电子束沿着指定的方向作直线轨迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓度分布情况。改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。 3. 面分析： 电子束在样品表面作光栅扫描，将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置，此时，在荧光屏上得到该元素的面分布图像。改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。也是用X射线调制图像的方法。 镁合金中的析出相Mg2Si的鉴别 Si的元素面分布图，可以清晰地看到Mg2Si所在的位置 第四节 EDS与WDS的比较 WDS工作原理 已知电子束入射样品表面产生的X射线是在样品表面下一个um量级乃至纳米量级的作用体积发出的，若该体积内含有各种元素，则可激发出各个相应元素的特征X线，沿各向发出，成为点光源。在样品上方放置分光晶体，当入射X波长、入射角、分光晶体面间距d之间满足2dsinq = l时，该波长将发生衍射，若在其衍射方向安装探测器，便可记录下来。由此，可将样品作用体积内不同波长的X射线分散并展示出来。上述平面分光晶体使谱仪的检测效率非常低，表现在：固定波长下，特定方向入射才可衍射；处处衍射条件不同；要解决的问题是：分光晶体表面处处满足同样的衍射条件；实现衍射束聚焦 把分光晶体作适当的弹性弯曲，并使X射线源、弯曲晶体表面和检测器窗口位于同一个圆周上，就可以达到把衍射束聚焦的目的。该圆称为聚焦圆，半径为R。此时，如果晶体的位置固定，整个分光晶体只收集一种波长的X射线，从而使这种单色X射线的衍射强度大大提高。 EDS工作原理 利用不同元素X射线光子特征能量不同特点进行成分分析锂漂移硅能谱仪Si(Li)框图加在Si(Li)晶体两端偏压来收集电子空穴对（前置放大器）转换成电流脉冲（主放大器）转换成电压脉冲（后进入）多通脉冲高度分析器，按高度把脉冲分类，并计数，从而描绘IE图谱。 当特征能量的X射线光子由Si(Li)检测器收集时，在Si(Li)晶体内将激发出一定数目的电子空穴对。假定产生一个空穴对的最低平均能量为（固定的），则由一个光子造成的空穴对数目为： N 一个X射线光子造成的空穴电子对的数目 产生一个空穴对的最低平均能量 特征能量工作过程加在Si(Li)晶体两端偏压来收集电子空穴对 （前置放大器）转换成电流脉冲 （主放大器）转换成电压脉冲 （后进入）多通脉冲高度分析器，按高度把脉冲分类，并计数，从而描绘IE图谱。 能谱仪分析特点：具有以下优点（与波谱仪相比） 能谱仪探测X射线的效率高。在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。 结构简单，稳定性和重现性都很好（因为无机械传动），不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。 具有以下缺点和不足：分辨率低：Si(L