材料分析方法哈尔滨工业大学周玉电子探针

1、 第二篇第二篇 电子显微分析电子显微分析第十一章第十一章 电子探针显微分析电子探针显微分析 电子探针结构与工作原理电子探针结构与工作原理 电子探针的分析方法及应用电子探针的分析方法及应用 电子探针的功能电子探针的功能 n电子探针的功能：电子探针的功能：进行微区成分分析进行微区成分分析. .n它是电子光学和它是电子光学和X X射线光谱学原理的基础上发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。其原理是用喜展起来的一种高效率分析仪器。其原理是用喜聚焦电子束入射样品表面，激发出样品的特征聚焦电子束入射样品表面，激发出样品的特征X X射线，分析特征射线，分析特征X X射线的波长（或特征能量），

2、射线的波长（或特征能量），即可知道样品中所含元素的种类（即可知道样品中所含元素的种类（定性分析定性分析），），分析分析X X射线的强度，则可知道样品中对应元素射线的强度，则可知道样品中对应元素含量多少（含量多少（定量分析定量分析）。）。 分析理论基础及方法分析理论基础及方法 理论基础：理论基础： 莫塞莱定率莫塞莱定率 h: plank常数常数K K: : 与马德堡常数有关与马德堡常数有关 ：屏蔽常数：屏蔽常数2)( ZKh21Z 即即 L L系系 常用常用K K系系 35 Z35 Z11.1 电子探针结构与工作原理电子探针结构与工作原理 -电子探针结构电子探针结构 n电子探针仪与电子探针仪与S

3、EM镜筒大致相同镜筒大致相同,仅接收物仅接收物理信号有区别理信号有区别,现一般在现一般在SEM上加装特征上加装特征X射线探测附件射线探测附件,可对同一区进行组织、成分可对同一区进行组织、成分分析分析.n两种展谱方式两种展谱方式1.1.WDS：Wave Dispersive Spectroscopy 利用利用波动性波动性 逐一展谱逐一展谱2.2.EDS：Energy Dispersive pectroscopy 利用利用粒子性粒子性h h 同时展谱同时展谱11.1 电子探针结构与工作原理电子探针结构与工作原理 -波谱仪波谱仪(WDS) 1.工作原理工作原理 常用波谱仪为全聚集直进式,由分光晶体、

4、X射线探测器和相应机械传动装置组成.其原理如下:样品、分光晶体、探测器位于聚焦圆上,入射电子束照射样品,因含不同元素,产生不同波长特征X射线,位于B点的分光晶体(由一组平行晶面d组成)与特征X射线的某一波长,满足衍射条件,产生的衍射线会聚于C点,此波长为 RdL分光晶体 直进式波谱仪 2.分析方法分析方法 上式中,当d、R一定时,分光晶体沿直线AB运动,使L由大到小变化,便可测出照射区的特征X射线波长、强度-荧光屏显示 谱线-元素组成. I合金钢定点分析谱线 3.结构结构 1)分光晶体 波谱仪不能很大,L有限(L=10-30cm). 当L=10-30cm,R=20cm时, =15650. 由知

5、,仅用一分光晶体只能测有限波长范围,即有限元素分析.要分析Z=492,需使用不同d的分光晶体,常用弯曲分光晶体见表14-1.2)X射线探测器: 与X射线衍射仪相同的正比、闪烁计数管.3)X射线计数和记录系统探测器-信号放大-多道分析、计数-记录(XY记录仪、打印、荧光屏)-谱线 I11.1 电子探针结构与工作原理电子探针结构与工作原理 -能谱仪能谱仪(EDS) 1.工作原理工作原理 锂漂移硅检测器能谱仪框图 锂漂移硅检测器：锂漂移硅检测器： Si(Li)Si(Li)或或 Ge(Li)Ge(Li) 原理：原理： Li补偿补偿P型中受主杂质，型中受主杂质，使原使原PN结中的耗尽已扩大，结中的耗尽已

6、扩大，形成稳定中间层。形成稳定中间层。X光子作用光子作用下，原子电离产生下，原子电离产生电子电子/空穴空穴对对 .一个光子一个光子(E)(E)产生的电子产生的电子/空穴对空穴对()()N=E/ .入射光入射光子子E-N-E-N-电流脉冲高度电流脉冲高度-放大并转化成电压脉冲放大并转化成电压脉冲-多多道分析器把相同高度脉冲累道分析器把相同高度脉冲累加计数强度加计数强度CPS CPS PN中中间间层层RayX _+前前置置放放大大器器能谱仪能谱仪 2.分析方法分析方法 EDS同时计数分析,根据EI谱线中峰的特征E值,确定元素. 11.1 电子探针结构与工作原理电子探针结构与工作原理 -波谱仪与能谱

7、仪比较波谱仪与能谱仪比较 1.元素范围:WDS:Be4-V92; EDS:Z5(B).2.分辨率: EDS低于WDS, EDS:E=145-155eV, WDS: E=5eV 3.探测极限: WDS:0.010.1%, EDS: 0.1-0.5%.4.接收方式; EDS:同时测定计数. WDS逐个测量特征波长并计数.5.分析速度: EDS:几分钟, WDS:几十分钟.6. EDS必须保持低温,液氮冷却. 综上: WDS分析元素广,分析精度高.但要求样品平整光滑,分析速度慢,需较大的电子流. EDS分析快,对样品要求低,入射电子流小,特别适合于与SEM配合.但分析精度低 11.2 电子探针的分析

8、方法及应用电子探针的分析方法及应用 一、一、 定性分析定性分析1,定点分析定点分析: 对样品选定区进行定性分析. 方法:电子束照射分析区,波谱仪分析时,改变分光晶体和探测器位置.或用能谱仪,获取 、EI谱线,根据谱线中各峰对应的特征波长值或特征能量值,确定照射区的元素组成 I2.线分析线分析: 测定某特定元素的直线分布测定某特定元素的直线分布. 方法:将谱仪固定在要测元素的特征X射线 波长值或特征能量值,使电子束沿着图像指定直线轨迹扫描.常用于测晶界、相界元素分布.常将元素分布谱与该微区组织形貌结合起来分析 铸铁中（a）S的线分析（b） Mn的线分析 3.面分析面分析: 测定某特定元素的面分布

9、测定某特定元素的面分布 方法:将谱仪固定在要测元素的特征X射线波长值或特征能量值, 使电子束在在样品微区作光栅扫描,此时在荧光屏上便得到该元素的微区分布,含量高则亮 ZnOBi2O3陶瓷烧结自然表面的面成分分布（a）形貌像（b）Bi元素的面分布像 二二.定量分析简介定量分析简介 理论上,在稳定的电子束照射下,谱仪测得各元素的同类特征谱峰高(强度)与其浓度成正比,但实际并非如此,其原因是谱线强度除与元素含量有关外,还与样品的化学组成(基体)有关-“基体效应”;其次谱仪在测量时条件不同,比如、不同分光晶体、入射电子强度等)-“谱仪效应” 1.精确强度比精确强度比K Ki i-消除消除“谱仪效应谱仪效应” 在完全相同条件下,如电子束加速电压、束流、2等,以待测纯元素为标样,分别对标样、待测样品测量,因为是同一元素,相同,由2dsin= 得相同纯元素Y 样品中Y元素 则 00YYICYYIC YYYYYKII