實驗六 電子探針結(jié)構(gòu)原理及分析方法

1、實驗六 電子探針結(jié)構(gòu)原理及分析方法一、實驗內(nèi)容及實驗?zāi)康?結(jié)合電子探針儀實物，介紹其結(jié)構(gòu)特點和工作原理，加深對電子探針的了解。2選用合適的樣品，通過實際操作演示，以了解電子探針分析方法及其應(yīng)用。二、電子探針的結(jié)構(gòu)特點及原理電子探針X射線顯微分析儀(簡稱電子探針)利用約1m的細聚焦電子束，在樣品表層微區(qū)內(nèi)激發(fā)元素的特征X射線，根據(jù)特征X射線的波長和強度，進行微區(qū)化學(xué)成分定性或定量分析。電子探針的光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等部分與掃描電鏡基本相同，通常也配有二次電子和背散射電子信號檢測器，同時兼有組織形貌和微區(qū)成分分析兩方面的功能。電子探針的構(gòu)成 除了與掃描電鏡結(jié)構(gòu)相似的主機系統(tǒng)以外，還主要包括分光系統(tǒng)、

2、檢測系統(tǒng)等部分。本實驗這部分內(nèi)容將參照教材，并結(jié)合實驗室現(xiàn)有的電子探針，簡要介紹與X射線信號檢測有關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和原理。三、電子探針的分析方法電子探針有三種基本工作方式：點分析用于選定點的全譜定性分析或定量分析、以及對其中所含元素進行定量分析；線分析用于顯示元素沿選定直線方向上的濃度變化；面分析用于觀察元素在選定微區(qū)內(nèi)的濃度分布。1實驗條件(1) 樣品：樣品表面要求平整，必須進行拋光；樣品應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，對于不導(dǎo)電的樣品，表面需噴鍍一層不含分析元素的薄膜。實驗時要準確調(diào)整樣品的高度，使樣品分析表面位于分光譜儀聚焦圓的圓周上。(2) 加速電壓：電子探針電子槍的加速電壓一般為350kV，分析過程

3、中加速電壓的選擇，應(yīng)考慮待分析元素及其譜線的類別。原則上加速電壓一定要大于被分析元素的臨界激發(fā)電壓，一般選擇加速電壓為分析元素臨界激發(fā)電壓的23倍。若加速電壓選擇過高，導(dǎo)致電子束在樣品深度方向和側(cè)向的擴展增加，使X射線激發(fā)體積增大，空間分辨率下降。同時過高的加速電壓將使背底強度增大，影響微量元素的分析精度。(3) 電子束流：特征X射線的強度與入射電子束流成線性關(guān)系。為提高X射線信號強度，電子探針必須使用較大的入射電子束流，特別是在分析微量元素或輕元素時，更需選擇大的束流，以提高分析靈敏度。在分析過程中要保持束流穩(wěn)定，在定量分析同一組樣品時應(yīng)控制束流條件完全相同，以獲取準確的分析結(jié)果。(4) 分

4、光晶體：實驗時應(yīng)根據(jù)樣品中待分析元素及X射線線系等具體情況，選用合適的分光晶體。常用的分光晶體及其檢測波長的范圍見有關(guān)表。這些分光晶體配合使用，檢測X射線信號的波長范圍為0.111.4nm。波長分散譜儀的波長分辨率很高，可以將波長十分接近(相差約0.0005nm)的譜線清晰地分開。2定點分析(1) 全譜定性分析：驅(qū)動分光譜儀的晶體連續(xù)改變衍射角，記錄X射線信號強度隨波長的變化曲線。檢測譜線強度峰值位置的波長，即可獲得樣品微區(qū)內(nèi)所含元素的定性結(jié)果。電子探針分析的元素范圍可從鈹(序數(shù)4)到鈾(序數(shù)92)檢測的最低濃度(靈敏度)大致為100ppm，空間分辨率約在微米數(shù)量級。全譜定性分析往往需要花費很

5、長時間。(2) 半定量分析：在分析精度要求不高的情況下，可以進行半定量計算。根據(jù)是元素的特征X射線強度與元素在樣品中的濃度成正比的假設(shè)條件，忽略了原子序數(shù)效應(yīng)、吸收效應(yīng)和熒光效應(yīng)對特征X射線強度的影響。實際上，只有樣品是由原子序數(shù)相鄰的兩種元素組成的情況下，這種線性關(guān)系才能近似成立。在一般情況下，半定量分析可能存在較大的誤差，因此其應(yīng)用范圍受到限制。(3) 定量分析：在此僅介紹一些有關(guān)定量分析的概念，而不涉及計算公式。樣品原子對入射電子的背散射，使能激發(fā)X射線信號的電子減少；此外入射電子在樣品內(nèi)要受到非彈性散射，使能量逐漸損失，這兩種情況均與樣品的原子序數(shù)有關(guān)，這種修正稱為原子序數(shù)修正。由入射

6、電子激發(fā)產(chǎn)生的X射線，在射出樣品表面的路程中與樣品原子相互作用而被吸收，使實際接收到的X射線信號強度降低，這種修正稱為吸收修正。在樣品中由入射電子激發(fā)產(chǎn)生的某元素的X射線，當(dāng)其能量高于另一元素特征X射線的臨界激發(fā)能量時，將激發(fā)另一元素產(chǎn)生特征X射線，結(jié)果使得兩種元素的特征X射線信號的強度發(fā)生變化。這種由X射線間接地激發(fā)產(chǎn)生的元素特征X射線稱為二次X射線或熒光X射線，故稱此修正為熒光修正。在定量分析計算時，對接收到的特征X射線信號強度必須要進行原子序數(shù)修正(Z)、吸收修正(A)和熒光修正(F)，這種修正方法稱為ZAF修正。采用ZAF修正法進行定量分析所獲得的結(jié)果，相對精度一般可達1%2%，這在大

7、多數(shù)情況下是足夠的。但是，對于輕元素(O、C、N、B等)的定量分新結(jié)果還不能令人滿意，在ZAF修正計算中往往存在相當(dāng)大的誤差，分析時應(yīng)該引起注意。3線分析 使入射電子束在樣品表面沿選定的直線掃描，譜儀固定接收某一元素的特征X射線信號，其強度在這一直線上的變化曲線，可以反映被測元素在此直線上的濃度分布，線分析法較適合于分析各類界面附近的成分分布和元素擴散。實驗時，首先在樣品上選定的區(qū)域拍照一張背散射電子像(或二次電子像)，再把線分析的位置和線分析結(jié)果照在同一張底片上，也可將線分析結(jié)果照在另一張底片上，見圖6-1。圖6-la是Al-4.0%Cu(wt.%)合金的背散射電子像，被選定的直線通過胞狀-

8、Al晶粒，圖6-1b是CuK X射線信號強度在此直線上的變化曲線。由圖6-1a和6-1b可見，在較高的X射線強度所對應(yīng)的位置是富Cu的A12Cu相；在-Al晶粒內(nèi)部X射線的強度較低，說明其固溶的Cu含量較少；在胞狀-A1晶粒界面內(nèi)側(cè)存在一個約10m寬的Cu貧化帶。圖6-l A1-4.0%Cu合金的線掃描分析a) 背散射電子像 b) Cu K線掃描曲線4面分析 使入射電子束在樣品表面選定的微區(qū)內(nèi)作光柵掃描，譜儀固定接收某一元素的特征X射線信號，并以此調(diào)制熒光屏的亮度，可獲得樣品微區(qū)內(nèi)被測元素的分布狀態(tài)。元素的面分布圖像可以清晰地顯示與基體成分存在差別的第二相和夾雜物，能夠定性地顯示微區(qū)內(nèi)某元素的偏析情況。在顯示元素特征X射線強度的面分布圖像中，較亮的區(qū)域?qū)?yīng)于樣品的位置該元素含量較高(富集)，暗的區(qū)域?qū)?yīng)的樣品位置該元素含量較低(貧化)。圖6-2是與圖6-1相同的樣品區(qū)域所拍照