电子能量损失谱基本原理及应用

1、电子能量损失谱基本原理及应用燕常宾 谷跃龙摘要电子能量损失谱按照能量损失的范围可以分为弹性散射区、低能损失区、和高能损失区。由不同的能量损失峰可以获得样品厚度、复介电系数、价带和导带电子态密度、禁带宽度等参数，并可以区分元素所处价态、能态结构等性质。关键词:电子能量损失谱 弹性散射 价电子的单电子激发损失峰 等离子体基元损失峰 电离损失峰化学位移第一章引言1.1EELS发展史在1929年由Rudberg发现利用一特定能量的电子束施加在欲测量的金属样品上，然后接收非弹性（亦即是有能量损失）的电子，发现会随着样品的化学成分不同而有不同的损失能量，因此可以分析不同的能量损失位置而得知材料的元素成份。

2、EELS在50年代就已经开始流行起来，称为材料测试的主要手段之一。60年代末70年代初发展起来的高分辨电子能量损失谱（HREELS），在电子非弹性碰撞理论的推动下，由于其对表面和吸附分子具有高的灵敏性，并对吸附的氢具有分析能力，更重要的是能辨别表面吸附的原子、分子的结构和化学特性；1.2EELS的特点及作用电子能量损失谱是利用入射电子引起材料表面原子芯级电子电离、价带电子激发、价带电子集体震荡以及电子震荡激发等，发生非弹性散射而损失的能量来获取表面原子的物理和化学信息的一种分析方法。电子在固体及其表面产生非弹性散射而损失能量的现象通称电子能量损失现象。只有具有分立的特征能量损失的电子能量损失峰

3、才携带有关于体内性质和表面性质的信息 ；平坦肥大的峰或是曲线的平坦部分只反映二次电子发射，而不反映物体的特性 。1.3 能带的基本理论1.3.1原子构成固体时能级的分裂孤立原子的能级是一系列分立的能级。将N个原子逐渐靠近时，原子之间的相互作用逐渐增强，各原子上的电子受其它原子（核）的影响；最外层电子的波函数将会发生重叠，简并会解除，原孤立原子能级分裂为N个靠得很近的能级；原子靠得越近，波函数交叠越大，分裂越显著。 由N个相同原子聚集成固体时，相应于孤立原子的每个能级分裂成N个能级，分离出的能级是十分密集的，它们形成一个能量准连续的能带。通常内层电子交叠很小，相应地能级分裂变很小，可近似不受干扰

4、；固体与孤立原子的差异（如光谱性质，电学性质等）主要是由外层电子状态的变化所引起： 图1.1因此，孤立原子外层电子状态的电子跃迁所产生的光谱表现为分立谱线；固体中涉及外层电子状态的跃迁我光谱表现为连续谱 图1.2能带：导带、禁带、满带（价带）导带：导带对应反键态，导带中电子可以自由移动而导电。满带被电子填满，电子被激发至导带后即为价带，价带对应反键态。电子只能跃迁到未被占据的能带禁带：价带顶到导带底的范围即为禁带，禁带中不允许存在电子对于碱金属，它们的价带被完全填充，导带部分填充。1.3.2 轨道杂化 碱金属（如钠，钾）最外层s能级形成的能带可容纳2N个电子，但实际只剩N个电子，故能带半满，可

5、导电;碱土金属（如金属钙，镁等）最外层s能级正好被2个电子占满，但实际形成能带时与较高能带发生了交叠;金刚石结构中，金刚石绝缘，Ge,Si半导体；本来外层s能级2个和p能级2个，形成能带后应该可导电；但随着原子之间距离的缩小，两能带发生交叠，而继续缩小至平衡态时，能带再次发生分裂（轨道杂化）；下面的能带正好被电子填满，上面能带为空带；中间有一禁带宽度Eg；金刚石Eg很大表现为绝缘，另两个Eg较小，表现为半导体。第二章 EELS原理及应用2.1 电子散射中的几个过程 图2.1 1.弹性散射过程：入射电子和晶格及样品中的电子发生弹性碰撞，该过程中背散射电子没有产生能量损失。2.电子气的激发过程（等

6、离子体激发能量损失）体等离子体：样品内部的价电子被集体激发，产生的能量损失。表面等离子体：样品表面的价电子被集体激发，产生的能量损失。3.特征激发损失；价电子激发：入射电子与单个价电子碰撞，使单个价电子被激发内层电子激发：入射电子与内层电子碰撞，使内层电子被激发4声子激发：入射电子与晶格或吸附分子相互作用，激发晶格振动晶格，吸附分子等2.2 零损失峰 E0 图2.2信号来源：入射电子与样品未发生交互作用入射电子与样品发生弹性交互作用（不包括大散射角的Bragg衍射）入射电子造成样品中原子振动，声子激发，损失能量小于0.1eV零损失峰可用作于：谱仪的调整零损失峰的半高宽表征谱仪的能量分辨率2.3

7、 低能损失区价电子的单电子激发损失峰： 价电子可以激发到同一能带的未填充的高能级（能带内部跃迁），或激发到另一能带（能带间跃迁），如果表面有吸附质，在表面出现附加电子态，跃迁可能发生在这些电子态之间。激发这些跃迁的初级电子能量在320ev。等离子体基元损失峰：价电子集体被激发，初级电子能量损失在5到30ev。作用机理：电子与晶格中的正离子实作用而产生集体震荡，类似于机械振动，如果电子相对于集体正离子实集体移动x, 由于库仑力作用，有一比例与x 的恢复力，其运动方程的解可以以一谐振荡来表示，震荡频率为 n为电子密度可用于：1 样品厚度2 复介电系数3 价带和导带电子态密度,禁带宽度入射电子损失能

8、量（等离子振荡能量)n: 自由电子气的局域态密度可利用上式测定样品的浓度可利用测量样品的厚度 ：此能量范围的非弹性散射平均自由程 100nm t I0: It2.4高能损失范围的谱图E 50eV背底(background，靠近50ev的区域)来源于： 自由电子激发（二次电子）：价电子被激发，能量损失约50eV； 韧致辐射：内层电子被激发，发射出连续的X射线电离损失峰(absorption edge) E=Ec芯能级电子被激发至高于费米能级EF的空能级导致的能量损失，某一 Ei电离损失峰化学位移 (Chemical shift)： 两类原子形成离子晶体，正（负）离子由于失去（得到）电子，使它们的

9、内壳层电子处于更深（更外）的轨道能级上，电离所需能量更大（小）一些。由此产生edge Ec的位移。可用于分析元素价态 图2.3如图2.3，TiO2中Ti元素的价态要高于 Ti2O3近阈精细结构(ELNES) E=Ec to Ec+50eV 反映样品的能态结构。通过近域精细结构产生的能量损失可以区分不同种类的碳材料。 石墨、金刚石等碳材料中的碳原子通过形成键和键相结合，同时形成了未被电子占据的、更高能量的*键和*键，当高能电子入射时，碳原子内壳层电子将被激发至此两个未占据态能级从而使入射电子损失相应能量。从而根据谱图中对应*键和*键的损失峰的不同可以区分不同种类的碳材料。 如图2.4,金刚石近域

10、精细结构产生的能量损失是289ev，而石墨近域精细结构产生的能量损失是285ev。 图2.4广延精细结构(EXELFS) EEc+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在研究非晶态、短程序材料时非常有用 振动能量损失表面振动激发产生的能量损失在100Mev范围内，只有高分辨的仪器才能观测到 附录资料：不需要的可以自行删除 电机绕组的绕制与嵌线项目二 电机绕组的绕制与嵌线实现目标通过对电机绕组的绕制和嵌线拆除，进一步了解电机的基本结构与原理，掌握绕制嵌线步骤、工艺规范及注意事项，学会正确的使用专业工具。主要内容1.定子绕组展开图的绘制。2.绕组的绕制。3.绕组的嵌放和接线。教学方法1、项目引导

11、法2、启发式教学3、现场教学实施场景实训室、多媒体教室教学工具PPT、三相异步电动机、绕线嵌线工具总学时12应知绕组展开图原理、步骤和方法；嵌线的工艺方法。应会1.绕组的绕制；2.绕组展开图的绘制；3.应用专用工具嵌线。项目评价总结能否正确绘制绕组展开图，能否绕制绕组，能否熟练嵌线项目实施过程设计项目导入从上一节的内容可以看出电机绕组的绕制和嵌线都是按照一定的规律排布和设置的。定子绕组的这种绕制和嵌线方法能够有利于电动机内部产生旋转磁场，提出问题，学生思考：绕组的绕制和嵌放是按照什么规律设置的？我们是否可以重新绕制定子绕组并嵌放到电动机内部呢？从而引入本节内容。项目实施1绕线专用工具介绍（实物

12、展示、PPT演示、视频） (1)绕线机。在工厂中绕制线圈都采用专用的大型绕线机。对于普通小型电机的绕组，可用小型手摇绕线机。 (2)绕线模。绕制线圈必须在绕线模上进行，绕线模一般用质地较硬的木质材料或硬塑料制成，不易破裂和变形。 (3)划线板。由竹子或硬质塑料等制成，如图3-6所示，划线端呈鸭嘴形或匕首形，划线板要光滑，厚薄适中，要求能划入槽内23处。 (4)压线板。一般用黄铜或低碳钢制成，形状如图37所示，当嵌完每槽导线后，就利用压线板将蓬松的导线压实，使竹签能顺利打入槽内。 2定子绕组展开图的绘制(PPT演示、模型展示、挂图) 现以4极24槽单层绕组的三相笼式异步电机为例来说明定子绕组展开

13、图的绘制过程。什么是展开图呢?设想用纸做一个圆筒来表示定子的内圆，用画在圆筒内表面上的相互平行的直线表示定子槽内的线圈边，用数字标明槽的号数，如图38(a)所示。然后，沿1号槽与最末一个槽之问的点划线剪开，如图38(b)所示。展开后就得到如图38(c)所示的平面图，把线圈和它们的连接方法画在这个平面图上，就是展开图。 (1)定子绕组展开图的绘制步骤。 画槽标号。在纸上等距离地把所修电动机的定子槽画成平行线。因电动机定子为24槽，故画24根平行线代表槽数，并标明每个槽的序号，如图3-9(a)所示。 定极距(分极性)。从第一槽的前半槽起，至最末一槽的后半槽画长线，线的长度代表电动机的总电角度。再按

14、电动机的磁极数来等分，每一等份代表一个极距，相当于180。电角度，然后依次标出极性。极性的排列为N、S、N、S，如图3-9(b)所示。 标电流方向。按照同一极性下导线的电流方向相同，不同极性下导线的电流方向相反的原则画出电流方向。在图3-9(b)中设N极下各线圈边的电流方向都向上，则S极下各线圈边的电流方向都向下。分相带。将每一极划分为3等份，即60度相带，在图3-9(b)中每一相占两槽；假如第l槽为u相的首端，则l、2、7、8、13、14、19、20槽均属于u相。V相首端应与u相首端相差120。电角度，即5、6、11、17、18、23、24槽均属V相，其他槽属于w相。最后在每一个三等份(即6

15、0度相带)上依次重复地标出相序号u、V、w。 分别连接各相绕组。按照采用的绕组类型及线圈节距，安置和连接每相线圈组。在上图中，先将u相的两个线圈顺着电流方向连接成线圈组，再依照电流方向将U相各线圈连起来组成u相绕组，如图3-9(c)所示。根据三相间隔120电角度的原则，U相、V相和W相绕组的首端应依次各移过l20电角度，即移过一个极距的23；如u相首端是从第一槽开始，那么，v相的首端就从第5槽开始，w相的首端就从第9槽开始，再按上述方法将V相和w相的各线圈组串接起来，组成V相和W相绕组，这样就构成了一个完整的三相定子绕组展开图，如图3-9(d)所示。图中所示为24槽4极的定子绕组展开图，其极距

16、P为： P=Q2P=244=6(槽) 相应的电度角为180O；U、V相问间隔l20电角度；每极下相占60O相带。 用上述方法画出的各相绕组在定子槽中的位置和所占的槽数清晰明了，可以清楚地看出各相绕组的连接方式和端部接线的方法，因此展开图是嵌线的重要依据。掌握上述的基本概述及绘制步骤后，就可以着手画展开图了。画展开图时，最好用3种不同颜色的笔来画，这样就能更清楚、更容易地区别各相绕组定子槽内的分布情况、安置位置以及连接方法。(2)绕组的连接方法。三相24槽4极电机的单链绕组有短节距和全节距之分。图310为单层链式短节距绕组展开图。画图时先将u相绕组画出，U相绕组的有效边分别安置在线槽l6、712

17、、1318、1924之中，然后再将各线圈连接起来，如图311所示。可以设定任意一个线槽为U相的首端。 图310三相24槽4极电动机的单链(短节距)绕组展开图 同理，W相和V相绕组的安置和连接方法与u相是一样的，只不过w和V相绕组的首端相对第一相绕组的首端依次移过l20的电角度，即移过一个极距的23。如果u相绕组的首端U1从第6号线槽引出，移过一个极距的23，也就是4槽(623)。因此，w相绕组的首端W1应从第2号线槽内引出，V相绕组的首端V1应从第l0号线槽内引出。注意w相绕组的各线圈的连接方向应与另外两相绕组相反，这样可使三相绕组的6根首尾端引出线比较集中，便于和电动机接线板连接。 线圈与线

18、圈的连接方法有反串联和顺串联两种。当每相绕组中线圈组的数目等于电动机磁极数时，每相绕组中各线圈之问的连接次序就是首端接首端，尾端接尾端，即反串联；当每相绕组中线圈组的数目等于电动机磁极数的一半时，每相绕组中各线圈之间的连接次序是首端接尾端，即顺串联。这两种方法是绝大多数电动机同一相绕组中各线圈组问的连接规律。 图312为单层链式全节距绕组展开图。图中每两只线圈连绕成一个线圈组，每相共有两个线圈组，正好等于电动机磁极数的一半，因而绕组的连接为顺串联。这个规律对于任何类型的绕组、不同槽数与极数的电动机都是适用的。 图312三相24槽4极电动机的单链绕组(全节距)展开图3绕组的绕制方法（互动方法、学

19、生参与，现场教学） (1)绕线模尺寸的确定。在线圈嵌线过程中，有时线圈嵌不下去，或嵌完后难以整形；线圈端部凸出，盖不上端盖，即便勉强盖上也会使导线与端盖相碰触而发生接地短路故障。这些都是因为绕线模的尺寸不合适造成的。绕线模的尺寸选得太小会造成嵌线困难；太大又会浪费导线，使导线难以整形且绕组电阻和端部漏抗都增大，影响了电动机的电气性能。因此，绕线模尺寸必须合适。 选择绕线模的方法：在拆线时应保留一个完整的旧线圈，作为选用新绕组的尺寸依据。新线圈尺寸可直接从旧线圈上测量得出。然后用一段导线按已决定的节距在定子上先测量一下，试做一个绕线模模型来决定绕线模尺寸。端部不要太长或太短，以方便嵌线为宜。 (

20、2)绕线注意事项。 新绕组所用导线的粗细、绕制匝数以及导线面积，应按原绕组的数据选择。 检查一下导线有无掉漆的地方，如有，需涂绝缘漆，晾干后才可绕线。 绕线前，将绕线模正确地安装在绕线机上，用螺钉拧紧，导线放在绕线架上，将线圈始端留出的线头缠在绕线模的小钉上。 摇动手柄，从左向右开始绕线。在绕线的过程中，导线在绕线模中要排列整齐、均匀、不得交叉或打结，并随时注意导线的质量，如果绝缘有损坏应及时修复。 若在绕线过程中发生断线，可在绕完后再焊接接头，但必须把焊接点留在线圈的端接部分，而不准留在槽内，因为在嵌线时槽内部分的导线要承受机械力，容易被损坏。 将扎线放入绕线模的扎线口中，绕到规定匝数时，将

21、线圈从绕线槽上取下，逐一清数线圈匝数，不够的添上，多余的拆下，再用线绳扎好。然后按规定长度留出接线头，剪断导线，从绕线模上取下即可。 采用连绕的方法可减少绕组间的接头。把几个同样的绕线紧固在绕线机上，绕法同上，绕完一把用线绳扎好一把，直到全部完成。按次序把线圈从绕线模上取下，整齐地放在搁线架上，以免碰破导线绝缘层或把线圈搞脏、搞乱，影响线圈质量。 绕线机长时间使用后，齿轮啮合不好，标度不准，一般不用于连绕；用于单把绕线时也应即时校正，绕后清数，确保匝数的准确性。4嵌线的基本方法（互动方法、学生参与，现场教学） (1)绝缘材料的裁制。为了保证电动机的质量，新绕组的绝缘必须与原绕组的绝缘相同。小型

22、电动机定子绕组的绝缘，一般用两层0.12mm厚的电缆纸，中间隔一层玻璃(丝)漆布或黄蜡绸。绝缘纸外端部最好用双层，以增加强度。槽绝缘的宽度以放到槽口下角为宜，下线时另用引槽纸，如图313所示。 如果是双层绕组，则上下层之间的绝缘一定要垫好，层间绝缘宽度为槽中间宽度的1.7倍，使上下层导线在槽内的有效边严格分开。为了方便，不用引槽纸也可以，只要将绝缘纸每边高出铁心内径2530mm即可，如图314所示。我们用0.2mm厚的绝缘纸（复合纸）长度=槽长+52=90+10=100mm，宽度=槽深22=1522=60mm。 图3-13伸出槽外的绝缘 图3-14绝缘的大小线圈端部的相间绝缘可根据线圈节距的大

23、小来裁制，保持相间绝缘良好。(2)嵌线方法。单链短节距绕组的嵌线的方法(线圈展开图参见图310)。 a先将第一个线圈的一个有效边嵌入槽6中，线圈的另一个有效边暂时还不能嵌入1槽中。因为线圈的另一个有效边要等到线圈十一和十二的一个有效边分别嵌入槽2、槽4中之后，才能嵌到槽l中去。为了防止未嵌入槽内的线圈边和铁心角相磨破坏导线绝缘层，要在导线的下面垫上一块牛皮纸或绝缘纸。嵌线示意图如图3-15所示。 空一槽暂暂时不嵌入槽内 时不嵌线 第l号线槽 第3号线槽 （a） （b） 图315三相24槽4极电动机的单链绕组嵌线程序示意图 b空一个槽(7号槽)暂时不下线，再将第二个线圈的一个有效边嵌入槽8中。同

24、样，线圈二的另一个有效边要等线圈十二的一个有效边嵌入槽4以后才能嵌入槽3中，如图315(a)所示。然后，再空一个槽(9号槽)暂不嵌线，将线圈三的一个有效边嵌入槽l0中。这时，由于第一、二线圈的有效边已嵌入槽6和槽8中去了，所以，第三个线圈的另一个有效边就可以嵌入槽5中。接下来的嵌法和第三个线圈一样，依次类推，直到全部线圈的有效边都嵌入槽中后，才能将开始嵌线的线圈一和线圈二的另一个有效边分别嵌入槽1和槽3中去，如图315(b)所示。 单链全节距绕组的嵌线方法(线圈展开图参见图312)。全节距线圈的嵌线方法和上面介绍的嵌线方法基本相同，不同的是每两只线圈连绕一起作为一个线圈组。所以在嵌线时要将第一

25、组的两只线圈的有效边分别嵌入槽7和槽8中，第一组线圈的另外两只有效边暂时不嵌入槽l和槽2中；然后，空两个槽(9、10)不嵌线；再嵌另一组的两只线圈的有效边(4个有效边都可以嵌入槽ll、12及5、6内)；然后，再空两个槽(13、14)不嵌线，再将另一组的两只线圈的有效边嵌入槽15、16及9、10中；依次类推，将全部线圈的有效边都嵌入槽内，最后将第一组线圈的两个有效边嵌入槽l、2中。 (3)嵌线的主要工艺要求。嵌线是电机装配中的主要环节，必须按特定的工艺要求进行。 嵌线。嵌线前，应先把绕好线圈的引线理直，并套上黄蜡管，将引槽纸放入槽内，但绝缘纸要高于槽口2530mm，在槽外部分张开。为了加强槽口两

26、端绝缘及机械强度，绝缘纸两端伸出部分应折叠成双层，两端应伸出铁心1Omm左右。然后，将线圈的宽度稍微压缩，使其便于放入定子槽内。 嵌线时，最好在线圈上涂些蜡，这样有利于嵌线。然后，用手将导线的一边疏散开，用手指将导线捻成一个扁片，从定子槽的左端轻轻顺入绝缘纸中，再顺势将导线轻轻地从槽口左端拉入槽内。在导线的另一边与铁心之间垫一张牛皮纸，防止线圈未嵌入的有效边与定子铁心摩擦，划破导线绝缘层。若一次拉入有困难，可将槽外的导线理好放平，再用划线板把导线一根一根地划入槽内，如图316所示。 嵌线时要细心。嵌好一个线圈后要检查一下，看其位置是否正确，然后，再嵌下一个线圈。导线要放在绝缘纸内，若把导线放在绝缘纸与定子槽的中问，将会造成线圈接地或短路。注意，不能过于用力把线圈的两端向下按，以免定子槽的端口将导线绝缘层划破。 压导线。嵌完线圈，如槽内导线太满，可用压线板沿定子槽来回地压几次，将导线压紧，以便能将竹楔顺利打入槽口，但一定注意不可猛撬。如果是双层线圈，则当下层线圈嵌完以后，