分析测试技术-电子探针分析原理(1)

现代分析测试技术,授课教师：冯乔,1982年1986年：西北大学地质系学习；1986年1989年：西北大学硕士研究生，留校；1995年1999年：西北大学博士研究生；2000年2003年：中科院广州地化所有机地球化学国家重点实验室作博士后；2003年至今，山科大工作。研究方向: 油气地质与勘探、油气藏地球化学电话E-mail:,现代分析测试技术,现代分析测试技术：电子探针技术 流体包裹体技术 同位素质谱技术目的1、了解地学工作与研究中，一些现代技术方法2、初步掌握一些现代技术方法的应用意义,第一章 电子探针分析,第一节 原理简介第二节 物理基础第三节 仪器结构第四节 样品制备第五节 定性分析第六节 定量分析第七节 标样选用第八节 电子探针线分析第九节 面分析与相分析第十节 化学测年方法,电子探针图像分析,第二节 电子探针分析的物理基础,一、电子与固体的相互作用,当电子束轰击到试样表面，立即连续向里穿透。穿透过程中，由于不断与路径中的原子相互作用，导致入射电子的方向、速度和能量发生变化。,入射电子与靶原子之间的这种相互作用可以分为弹性过程和非弹性过程两种。入射电子与原子核的碰撞为弹性过程，原子核与入射电子之间没有发生能量转换，而非弹性过程则产生于入射电子与原子中轨道电子的相互作用。在此过程中，入射电子和靶原子之间发生了能量转换，可以产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线、连续x射线和阴极荧光等。,（一）X射线产生机理,X射线是用于电子探针分析的最主要信息。在描述X射线时，可以用X射线的能量E（KeV）或波长(nm)来表示：式中，h为普朗克常数，c为光速，e为电子电荷。,1、连续X射线(continuum X-ray)当入射电子轰击样品时，因为受到原子核库仑场的作用而急剧减速，在减速过程中会产生电子能量损失，于是就辐射出X射线，这种辐射作用称为韧致辐射(bremsstrahlung)。由于在原子核库仑场作用下入射电子的速度变化是连续的，辐射出的X射线的能量也是连续的，可以从0KeV至样品原子的能量，所以称为连续X射线。因此，当电子束轰击样品时，因为受到原子核库仑场的作用发生韧致辐射而形成的具有连续能量变化的X射线称为连续X射线。在电子探针分析时，连续X射线表现为背景。,2、特征X射线由于样品组成元素原子中的电子层受到加速电子的轰击，若入射电子的能量大于元素临界激发能量，就能够把某一轨道上的电子轰击出来而产生空穴，使原子处于激发状态。此时，高能级的外层电子就会向低能级电子层中的空穴跃迁，多余的能量以X射线的形式释放出来。由于不同元素的原子结构不同，电子跃迁的方式不同，因此产生同一线系的X射线的波长（能量）有明显的差别。因此，由于电子轰击样品，使样品中被打击的微小区域内所含元素的原子激发而产生的能表征元素的X射线，称为元素的特征X射线，在电子探针分析时表现为特征峰。,特征X射线产生机理示意图,原子序数50eV)，二次电子的能量较低(50eV)。为表征背散射电子产生的强度，需引入背散射系数（backscattered coefficient）：式中，nBSE为背散射电子数，nB为入射电子数，iB为入射电流，iBSE为背散射电流。,1、背散射系数与原子序数之间的关系研究表明，电子的背散射作用随原子序数增加而增强。统计结果显示背散射系数与原子序数（Z）之间存在良好的相关关系：如果试样是多元素体系，则总背散射系数T可用下式表示：式中，Ci为元素含量，i为元素的背散射系数。因此，检测背散射系数能够提供有关试样平均原子序数等信息，亦即背散射电子成分成像的原理。,2、背散射系数与样品微形貌之间的关系Arnal等(1969)给出了背散射系数与样品倾斜角()及原子序数(Z)之间的关系式：式中=9/Z1/2，为电子束与样品表面的夹角。因此，除了成分信息外，背散射电子还能提供有关样品表面形貌的信息，亦即背散射电子形貌像形成原理。,3、背散射系数与电子束能量之间的关系当束能5keV时，背散射系数与电子束能量之间的关系复杂；当束能降至1KeV时，轻元素的背散射系数是增加的，而重元素的背散射系数是降低的；对于束能介于440KeV时，下列关系式可以反映背散射系数的变化情况。其中,（三）二次电子,二次电子是指束电子非弹性散射过程中散射出的样品电子，其能量50eV。由于二次电子能量低(50eV，一般为23eV)，只有表面10nm以内的二次电子才有可能逸出而被检测到，因此，二次电子图像有很高的空间分辨率。二次电子系数：式中，nSE为样品表面发出的二次电子数，nB为入射到样品表面的束电子数，iSE为二次电子电流，iB为到达样品电子束的电流。此外，电子束与固体表面作用时，还会产生吸收电子、投射电子和阴极荧光等。,电子探针大体由电子光学系统、X射线谱仪、光学显微镜系统、样品室、电子信号检测系统、真空系统、计算机与自动控制系统等组成,第三节 电子探针仪器结构,电子光学系统与X射线谱仪结构图,电子光学系统详细剖面图,样品制备步骤（1）将所需研究的样品切割，磨制成光片或光薄片，如果是薄片，上面不可有盖玻璃，所有粘合剂不能用加拿大树胶，只能用环氧树脂或502胶；（2）在光学