材料分析方法-学2012-epma

电子探针显微分析电子探针的主要功能就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。

EPMA的结构和工作原理：电子探针的信号检测系统是X射线谱仪X-rayMicroanalysisComparisonofEnergyDispersiveSpectroscopy[EDS]能谱仪

andWavelengthDispersiveSpectroscopyspectra[WDS]波谱仪6.2.2能量分散谱仪（能谱仪EDS）

1.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I－E图谱。

当特征能量ΔΕ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ε（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

ε—产生一个空穴对的最低平均能量

ΔΕ—特征能量

由此可见，ΔΕ越大，N就越大

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I－E图谱。

X-rayMicroanalysis

OverviewofEDSsystem

电子绝缘体场效应晶体管能谱仪成分分析的特点:优点:1,探测X射线的效率高，(探头与样品近,不必通过分光晶体衍射)能谱仪的灵敏度比波谱仪高一个数量级。2,可在同一时间内对分析点内所有元素x射线光子的能量进行测定和计数，几分钟内可得到定性分析结果,而波谱仪只能逐个逐个测量每种元素的特征波长。3,结构简单，没有机械传动部分，因此稳定性和重复性都很好。4,不必聚焦，对样品表面没有特殊要求，适合于粗糙表面的分析工作。缺点:1，分辨率低于波谱仪。

EDS:160eVWDS:5~10eV2，只能测试Z大于11的元素,而波谱仪可测Z从4到92间的所有元素。

EDS里Si(Li)探测器的铍窗口限制3，Si(Li)探测器必须要液氮冷却。EDSX-rayspectrumofansinteredWCinaNimatrixshowingthepresenceofW,Ni,CrandCo.ElementalIDisthemissing‘holygrail’ofAFM!250cpsFullScale波谱仪1)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。

2)在样品上方放置分光晶体，当入射X波长l、入射角q、分光晶体面间距d之间满足2dsinθ=λ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

解决的办法是：

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园周上，就可以达到把衍射束聚焦的目的。该园称为聚焦园，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。

X射线聚焦方式有两种：1)Johann型聚焦法：弯曲单晶的衍射晶面的曲率半径为2R。近似聚焦方式。

2)Johansson型聚焦法：衍射晶面表面的曲率半径为R，即晶体表面磨制成和聚焦园相合。全聚焦法

显然，只要改变晶体在聚焦园的位置，即可改变入射角θ，从而可探测不同波长的X线。

X射线照射分光晶体的方向固定，即出射角Ψ保持不变，聚焦园园心O改变，这可使X射线穿出样品表面过程中所走的路线相同也就是吸收条件相等。园周上以1：2的角速度转动，以保证满足布拉格条件。这种波谱仪结构较直进式简单，但出射方向改变很大，在表面不平度较大的情况下，由于X射线在样品内行进的路线不同，往往会造成分析上的误差。2.测定原理

以直进式为例说明。如图示，分光晶体位置沿直线运动时晶体本身产生相应的转动，从而使θ和λ满足Bragg条件。

在O1圆上

L1—点光源和分光晶体距离，在仪器上读取，

R—已知，可求得θ1，即可求得λ1

3.分析方法

直进式波谱仪中在进行定点分析时，只要把距离L从小变大，就可在某些特定位置测到特征波长信号，经处理后可在荧光屏或X-Y记录仪上把谱线描绘出来。

由于结构上的限制，L不能太长。一般在10～30cm范围。

在聚焦园R=20cm的情况下，则θ约在15°～65°之间变化。可见一个分光晶体能够覆盖的波长范围是有限的，也只能测定某一原子序数范围的元素。

要测定z=4-92范围的元素，则必须使用几块晶面间距不同的晶体，因此，一个谱仪中经常装有2块分光晶体可以互换，一台电子探针仪上往往装有2～6个谱仪，几个谱仪一起工作可以同时测定几个元素。定性分析点分析线分析面分析.3.2定量分析

先测出y元素的X线强度Iy/，再在同样条件下测定纯y元素的X线强度Iy0/，然后分别扣除背底和计数器死时间对所测值的影响，得到相应的强度Iy和Iy0

一般情况下还要考虑原子序数、吸收和二次荧光的影响，因此，Cy和Ky间有差距，故有：