电子探针及其应用ppt课件

电子探针x射线显微分析，分析和测试中心徐，1，1，简介，电子探针x射线显微分析()，其使用加速到5kV-30kV的非常聚焦(50nm 1 m)的电子束轰击光学显微镜选择的待分析样品上的“点”(通常直径为1-50um)，并使用轰击样品时发射的x射线的波长和强度来确定分析区域中的化学成分。引言EPMA是微观分析和成分分析相结合的微观区域分析。它特别适用于分析样品中微区的化学成分，是研究材料结构和元素分布的一种非常有用的分析方法。1949年，法国的Castaing和Guinier将静电电子显微镜改造成电子探针。1951年，卡斯塔因的博士论文为EPMA分析技术的仪器、原理、实验和定量计算奠定了基础。其中，原子序数、吸收和荧光测量结果的校正方法介绍得比较全面，被誉为EPMA微量分析的经典之作。1956年，第一个扫描电子探针在剑桥大学卡文迪许实验室设计和制造。1958年，法国CAMECA公司提供了第一台电子探针商用仪器，命名为MS-85。目前，世界上有三大电子探针制造商，即Shimadzu、SHIMADZU、JEOL和CAMECA。随着科学技术的发展，电子探针微量分析技术进入了一个新的阶段，电子探针朝着高自动化、高灵敏度、高准确度和高稳定性的方向发展。目前的电子探针是光谱WDS和能谱仪的组合仪器。计算机被用来同时控制WDS和EDS。结构简单，操作方便。简介(EPMA和扫描电镜的区别)EPMA:用于成分分析和形态观察，主要用于成分分析。WDS主要用于元素成分分析，具有较大的检测角度和光学显微镜。它能准确定位工作距离，定量结果准确度高，检测限低。缺点：真空腔大，成分分析光束大，电子光路和光阑容易污染，图像质量不如扫描电镜。扫描电镜：用于形态观察和成分分析(一般采用能谱分析)，主要用于形态观察，图像分辨率高。EPMA比SEM贵几倍。引言(EPMA/扫描电镜-能谱仪的特点)EPMA和扫描电镜-能谱仪的仪器结构、成像原理、分析原理、WDS和能谱定量校正过程都是一样的，但它们的功能和特点并不完全相同。EPMA成分分析中的电流较大。检测角度大；有能够准确定位分析点的光学显微镜；WDS比EDS具有更好的波长分辨率和检测限。目前，EPMA在材料科学、冶金、地质等领域总体上装备齐全。这需要对组分进行更高的定量分析。扫描电镜-WDS定量分析结果一般不如EPMA，扫描电镜-能谱仪也不能完全取代EPMA。引言(EPMA分析特征)微区(微米范围)微观结构分析EPMA成分分析的空间分辨率(微束分析的空间特征的量度，通常以激发体积表示)是几个立方微米范围，其可以将微区的化学成分对应于微观结构，并且是微观结构分析。一般的化学分析、X射线荧光分析和光谱分析都是用来在较大范围内分析样品的平均化学成分，而不能对应微观结构。因此，不能研究微观结构和材料性能之间的关系。简介(EPMA分析特征)元素分析的范围很广：硼(B)-铀(U)氢和氦原子只有K层电子，不能产生特征X射线。虽然锂(Li)可以产生X射线，但是产生的特征X射线波长太长而无法检测。引言(EPMA分析特征)EPMA是目前微区元素定量分析最精确的仪器。检测限一般为0.01%-0.05%。不同的测量条件和不同的元素有不同的检测限，有时达到ppm水平。主元素定量分析的相对误差为1%3%，元素定量分析的相对误差为1% 3%简介(EPMA分析特点)EPMA能够自动执行各种分析方法而不损坏样品，分析速度快，并能自动执行数据处理和数据分析。对于含有少于10种元素的样品的定性和定量分析，新EPMA需要大约30分钟来测量样品。如果EDS用于定性和定量分析，测量可在几分钟内完成。通常，样品在分析过程中不会被损坏。样品分析后，可以原封不动保存或继续进行其他方面的分析测试，这对文物、宝石、古陶瓷、古钱币、刑事证据等稀有样品的分析尤为重要。电子探针X射线显微分析的分类和原理。2.1常用的X射线光谱仪有两种：一种是波长色散光谱仪(WDS)，利用不同波长的特征X射线扩展光谱，实现不同波长X射线的分离检测；另一种是能量色散光谱仪(EDS)，利用不同能量的特征X射线扩展光谱。电子探针X射线显微分析的分类和原理2.2定性分析的基本原理样品中元素的类型可以通过用X射线光谱仪测量样品电子激发产生的特征X射线波长的类型来确定。能谱的定性分析主要是基于不同元素之间特征X射线能量的差异，即E=H ，H为普朗克常数，为特征X射线频率。元素的定性分析可以通过样品中不同能量的特征X射线光子的能谱检测来进行。16，2，电子探针X射线显微分析的分类和原理，2.3定量分析的基本原理样品中元素a的相对含量ca与元素：CAIA产生的特征X射线的强度IA(X射线计数)成正比。如果在相同的电子探针分析条件下，同时测量样品和已知成分的标准样品中元素a的同名x射线(例如，K线)的强度，则校正并计算该强度。可以得到样品中元素A的相对百分含量，17，2，电子探针X射线显微分析的分类和原理。能谱仪：基本原理(根据特征X射线的波长与相应的光量子之间的关系，通过测量特征X射线的光量子来确定样品激发的特征X射线的波长，并获得根据能量扩展的光谱)。18、2、电子探针X射线显微分析的分类和原理，以及光谱仪的基本原理：摩泽尔定律测定样品激发的特征X射线波长，从而测定被激发物质中所含的元素；使用具有已知晶面间距和布拉格定律的晶体，可以通过角度测量来确定波长，从而获得由波长扩展的光谱。19，20，2。电子探针X射线显微分析的分类和原理。元素氢和氦没有x光峰。一般来说，每种元素有210个左右的强峰，这比其他光谱分析要少。对于z 72的重元素，除了l峰外，没有k峰和m峰，通常用m线系统计算。21，3。电子探针X射线显微仪的组成，电子探针：1的主要组成部分。电子光学系统；2.x射线分光计系统；3.样品室；4.计算机；5.扫描显示系统；6.真空系统等。22，3.1。光谱仪(WDS)的结构和工作原理。X射线光谱仪的光谱仪系统，即X射线分光检测系统，由分光晶体、X射线探测器和相应的机械传动装置组成。23，3.1.1。分光计，激发的特征X射线照射连续旋转的分裂晶体实现分裂(色散)，即不同波长的X射线将分别被满足布拉格方程的两个方向的探测器接收(以2:1的角速度与分裂晶体同步旋转)。24、3 . 1 . 2 WDS光谱仪的原理：不同元素的特征X射线波长不同D、3.1.2光谱仪的工作原理(布拉格衍射)，2D SiN =N ，26、27、3.1.3光谱仪的晶体， 1、 2、 1、 2、 2、 2、2、样品、入射电子束、混合波长X射线、晶体，光谱仪的角度有一定的变化范围，如15-65；每个晶体的衍射平面都是固定的，因此它只能在一定的波长范围内分散X射线，适用于一定原子序数范围内的元素分析。目前，EPMA可以分析的元素范围是原子序数5的硼(硼)到原子序数92的铀(铀)。28，常用光谱晶体的基本参数和可检测范围，(M*代表重金属元素，如铅或钡)，和29，3.1.4X射线探测器，作为X射线探测器，要求高检测灵敏度、良好的波长比例性和短响应时间。光谱仪中使用的x射线探测器包括正比计数器和闪烁计数器。30，3.1.5X射线计数记录系统，将X射线探测器输出的电脉冲信号经过处理后转换成X射线强度并显示出来，绘制出电子束对样品进行线扫描时的X射线强度(元素浓度)分布曲线。31、3.1.6光谱仪的特点，光谱仪突出的优点是高波长分辨率。然而，由于结构特征，如果光谱仪想要有足够的色散率，聚焦圆的半径必须足够大。此时，弯曲晶体和X射线光源之间的距离将变大，并且其与X射线光源的立体角将变小。因此，由X射线光源发射的X射线光量子的收集率将非常低，导致X射线信号的利用率非常低。此外，晶体衍射后的强度损失非常大，所以光谱仪在低束流和低激发强度下难以使用，这是光谱仪的两个缺点。33，3.1.7波长色散光谱，34，3.2，能量色散光谱仪，能量色散光谱仪(EDS)。目前最常用的硅(锂)X射线能谱仪是硅(锂)探测器，即锂漂移硅固态探测器，它实际上是一个以锂为施主杂质的二极管。图10-18Si(Li)探测器探头结构示意图、35、偏置电源、样品、入射电子束、多通道脉冲高度分析仪、主放大器、打印机、谱线记录器、阴极射线管显示器、液氮冷却容器、X射线、场效应晶体管前置放大器、Si(Li)探测器、能谱仪结构示意图、36、3.2.1能谱仪工作原理、激发的X光子进入Si(Li)固态探测器；探测器电输出脉冲信号信号放大送入多通道脉冲分析仪；输出脉冲高度取决于入射光子能量。根据样品分析点发出的X射线谱线的能量组成，对元素进行定性或定量分析。37，3 . 2 . 2si(Li)Si(Li)光谱仪的优点：(1)分析速度快，可同时接收和检测各种不同能量的X射线光子信号，因此样品中所含的所有元素可在几分钟内分析和测定，铍窗探测器可检测11Na至92U范围内的元素。(2)高灵敏度和大立体角的x光采集。(3)谱线重复性好。能谱仪的缺点：(1)能量分辨率低，峰背比低。(2)严格的工作条件。硅(锂)探针必须始终保持在液氦冷却的低温状态，39，3.2.4能谱，40，3.3谱仪与能谱的比较，41谱仪与能谱的比较，42谱仪与能谱的比较，43，4电子探针的分析方法和应用，将电子束(探针)固定在样品的感兴趣点上进行定性或定量分析。该方法准确度高，用于微观结构的成分分析，如材料晶界、夹杂物、析出相、沉淀物、外来相和非化学计量材料的成分分析。只有点分析可用于元素含量低的定量样品。44，4.1 EPMA的分析方法。EPMA有四种基本分析方法：定点定性分析、线扫描分析、表面扫描分析和定点定量分析。精确分析对实验条件有两个主要要求。首先，对样品有一定的要求：良好的导电性、导热性、表面光滑度等。S45、4.2样品制备，稳定的样品分析表面在真空和电子束轰击下是平坦的，垂直于入射电子束的样品尺寸大于x射线膨胀范围，具有良好的导电性和导热性均匀性且无污染，46、样品表面必须抛光，当在100倍反射显微镜下观察时，相对容易发现50m50m的定量分析区域没有凹坑或划痕。因为X射线是以一定的角度从样品表面发出的，如果样品表面粗糙，发出的X射线可能被不规则地吸收，从而降低了X射线的测量强度。样品表面的台阶会导致额外的吸收。4.2样品制备，47。非金属材料的导电性和导热性较差。在入射电子的轰击下会发生电荷积累，导致电子束不稳定、图像模糊和频繁放电，使分析和图像观察变得不可能。样品的导热性差将导致电子束轰击点的温度显著升高，这通常会挥发样品中的一些低熔点组分，并影响定量分析的准确性。4.2、样品制备，48、成分的定性和定量分析，必须蒸发碳导电膜。碳是一种超轻元素，对被分析元素的X射线吸收很少，对定量分析结果影响很小。不会产生元素(如金锆)的峰值干扰。碳膜蒸发真空镀膜机。涂层应均匀，厚度应控制在20纳米左右。为了确保样品和标准样品之间具有相同的涂层厚度，标准样品和样品应同时蒸发。4.2样品制备，49，4.3定量分析，在稳定的电子束照射下，光谱仪获得的X射线光谱在扣除背景计数率后，各元素相似特征线的强度值应与其浓度相对应。50、4.4能谱定性分析，一般来说，对样品中的主要元素(如含量 10%)的鉴别很容易做到正确可靠；然而，为了识别样品中的次要元素(例如含量为0.5-10%)或微量元素(例如含量小于0.5%)，必须注意光谱干扰、失真和谱线多重性的问题，否则会出现误差。51、(1)定点定性分析，定点定性分析是对样本中选定的点(区域)进行定性成分分析，以确定该点区域中存在的元素。电子探针固定在样品的感兴趣点上，用于定性或定量分析。该方法应用于微观结构成分的分析，例如，研究材料晶界、夹杂物、沉淀相、沉淀物、外来相和非化学计量材料的组成。所述X射线光谱仪处于检测元素的特征X射线的状态，以获得反映元素的含量变化的特征X射线强度沿样品扫描线的分布。(2)行扫描分裂法，通常将电子束扫描线和特征x射线强度分布曲线重叠在二次电子图像上，可以更直观地显示元素含量分布与形态和结构之间的关系。54，(2)线扫描分裂，线扫描分析对于确定材料相界和晶界上元素的富集和耗尽是非常有