電子探針顯微分析

電子探針（ElectronProbeMicroanalysis-EPMA）的主要功能是進(jìn)行微區(qū)成分分析。它是在電子光學(xué)和X射線光譜學(xué)原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效率分析儀器。

其原理是：用細(xì)聚焦電子束入射樣品表面，激發(fā)出樣品元素的特征X射線，分析特征X射線的波長（或能量）可知元素種類；分析特征X射線的強(qiáng)度可知元素的含量。其鏡筒部分構(gòu)造和SEM相同，檢測(cè)部分使用X射線譜儀，用來檢測(cè)X射線的特征波長（波譜儀）和特征能量（能譜儀），以此對(duì)微區(qū)進(jìn)行化學(xué)成分分析。

本文檔共73頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分JXA-8530F電子探針外觀圖外觀緊湊、整潔本文檔共73頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分JXA-8530F電子探針外觀圖東北大學(xué)分析測(cè)試中心本文檔共73頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分本文檔共73頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分EPMA和SEM的區(qū)別1、共同點(diǎn)：均可以得到二次電子像(SEI)，背散射電子像(BSEI)，用于尋找分析區(qū)域。

電子探針的束流(指打在樣品表面的電流)要比掃描電鏡大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，造成電子探針的空間分辨率差，二次電子和背散射電子分辨率差，如果要求不高電子探針可以當(dāng)作掃描來用。

一般而言，電子探針的二次電子像分辨率為

5～

6nm，低于掃描電鏡的

2～

3nm的二次電子像分辨率。5本文檔共73頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分2、不同：EPMA的

WDS具有更低的檢出限，可以分析痕量元素，且超輕元素(5B～9F)定量分析準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于SEM上的

EDS。

X射線波譜儀檢測(cè)到的成分含量下限為

0.01%，高于掃描電鏡上所配置的能譜儀的檢測(cè)下限

0.1%一個(gè)數(shù)量級(jí)，且在分析中使用與材料基體成分相近的標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)作為定量修正的基礎(chǔ)，所以電子探針?biāo)褂玫牟ㄗV儀的微區(qū)分析的定量分析能力遠(yuǎn)高于掃描電鏡上使用的能譜儀。掃描電鏡和電子探針從原理上講是一樣的，但是掃描電鏡主要是做形貌觀察，電子探針主要是做微區(qū)成分，用WDS分析元素。掃描電鏡也可做微區(qū)成分，不過一般都用EDS，雖然很快，但是精度差。電子探針的分析電流和分析元素范圍都要比掃描電鏡寬。EPMA和SEM的區(qū)別6本文檔共73頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分3、電子探針用的是波譜分析，掃描電鏡用能譜分析。電子探針用來做波譜成分分析是由于它的電子束要比一般

掃描電鏡

穩(wěn)定的多的緣故，通過提高硬體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和在鏡筒高端使用離子泵，SEPM的真空可以達(dá)到E-007TORR，要比SEM的E-005TORR強(qiáng)的多，因此電子束也穩(wěn)定的多，

而波譜分析需要極穩(wěn)定的電子束，

大而穩(wěn)定的束流，所以一般的SEM

不配備波譜議。所以SEPM是較SEM

高端的產(chǎn)品，但是使用范圍要較SEM小。

EPMA的側(cè)重點(diǎn)在成分，而非形貌觀測(cè)。

現(xiàn)在的EPMA為了方便，一般也配個(gè)能譜,

能譜速度快,

可以做一般的常量元素。EPMA和SEM的區(qū)別7本文檔共73頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分EPMA的主要特點(diǎn)a)顯微結(jié)構(gòu)的分析；b)元素分析范圍廣，幾乎做到全元素的分析；5B-92Uc)定量分析準(zhǔn)確度高，能做“痕量”元素、輕元素及有重疊峰存在時(shí)的分析；d)不損壞樣品，分析速度快；e)用途廣泛。被廣泛用于冶金、地質(zhì)、礦物、生物、醫(yī)學(xué)、和考古等領(lǐng)域。

8本文檔共73頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分EPMA的主要應(yīng)用1、材料學(xué)中的應(yīng)用斷口觀察鍍層表面形貌分析和深度檢測(cè)微區(qū)化學(xué)成分分析相平衡圖的制定顯微組織及超微尺寸材料的研究2、微電子中的應(yīng)用焊點(diǎn)，電路板中微量元素的偏析定量研究，開焊原因分析，需定量分析偏析富集元素3、地質(zhì)、礦物方面的應(yīng)用通常化學(xué)分析可以有效地確定礦物中特定的元素成分，X射線衍射可以定性和定量地給出礦物的晶體結(jié)構(gòu)方面的信息。但是它們都不能解決一個(gè)根本問題，即這些元素在一塊礦石中的微觀分布？一些貴金屬和稀有金屬是否在某些特定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中富集？某些礦物是否和其他的礦物共生？電子探針可以解決這些問題。9本文檔共73頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分EPMA的主要應(yīng)用4、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及法學(xué)中的應(yīng)用此情況下通常元素含量很低，而且需要精確定量，必須由電子探針完成。關(guān)節(jié)修復(fù)移植材料在周圍組織中的擴(kuò)散情況結(jié)石成分分析頭發(fā)等中的微量元素分析（對(duì)于職業(yè)病鑒定，中毒分析等非常重要，通常含量很低，而且需要精確定量，必須由電子探針完成）槍彈殘余物顆粒成分分析（有專業(yè)的槍擊殘留物軟件，對(duì)于重大案件以及需要精確證據(jù)的案件分析，必須由電子探針完成）死因不明尸骨中鉛的亮粒（通過電子探針精確定量分析，可以鑒別出鉛的亮粒為子彈殘留物，死因?yàn)橹袠?，并可以比?duì)出為那種子彈，這類工作只有電子探針可以精確完成）被盜被燒珍貴文物，可以通過電子探針鑒定文物表面結(jié)構(gòu)以及元素含量。文件真?zhèn)舞b別（通過比對(duì)墨跡元素含量可以精確比對(duì)鑒別，要求精確定量才可以進(jìn)行鑒別比對(duì)）。紙，紙上顏料，油墨，墨水的成分分析，元素分布圖可劃出其中不同的區(qū)域，與偽造文件比照。10本文檔共73頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分主要內(nèi)容1、

電子探針的結(jié)構(gòu)與工作原理2、X射線波長分散譜儀（波譜儀WDS）

3、X射線能量分散譜儀（能譜儀EDS）4、

波譜儀與能譜儀的比較5、電子探針的基本功能6、

電子探針對(duì)試樣的要求材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析11本文檔共73頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析1電子探針的結(jié)構(gòu)與工作原理

電子探針的基本概念

電子探針就是利用聚焦電子束與試樣作用時(shí)產(chǎn)生的特征X射線對(duì)試樣微區(qū)的化學(xué)成分進(jìn)行定性和定量分析。

由于作用在試樣上的電子束很細(xì)，形狀如針，故稱之為電子探針。由于電子束很細(xì)，其作用范圍很小。因此，利用電子探針可以對(duì)試樣的微小區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分的定性分析和定量分析。12本文檔共73頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

電子探針的基本原理

用聚焦電子束轟擊試樣表面的待測(cè)微區(qū)，使該區(qū)原子的內(nèi)層電子發(fā)生躍遷，釋放出特征X射線。用波譜儀或能譜儀對(duì)這些特征X射線進(jìn)行展譜分析，得到反映特征X射線波長（或能量）與強(qiáng)度關(guān)系的X射線譜。根據(jù)特征X射線的波長（或能量）進(jìn)行元素的定性分析。根據(jù)特征X射線的強(qiáng)度進(jìn)行元素的定量分析。13本文檔共73頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

電子探針的結(jié)構(gòu)

電子探針的結(jié)構(gòu)與掃描電鏡的結(jié)構(gòu)非常相似。除了信號(hào)檢測(cè)處理系統(tǒng)不同外，其余部分如電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、圖像顯示記錄系統(tǒng)和真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等幾乎完全相同。高壓電纜光鏡物鏡光闌能譜儀波譜儀電子槍14本文檔共73頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析15本文檔共73頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析2X射線波長分散譜儀

波譜儀的基本概念WDS：用來測(cè)定特定波長的譜儀X射線波長分散譜儀實(shí)際上是X射線分光光度計(jì)。其作用是把試樣在電子束的轟擊下產(chǎn)生的特征X射線按波長不同分開，并測(cè)定和記錄各種特征X射線的波長和強(qiáng)度。根據(jù)特征X射線的波長和強(qiáng)度即可對(duì)試樣的元素組成進(jìn)行分析。16本文檔共73頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

波譜儀的結(jié)構(gòu)X射線波長分散譜儀主要由分光晶體、X射線探測(cè)器、X射線計(jì)數(shù)器和記錄系統(tǒng)等部分組成。17本文檔共73頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分18本文檔共73頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

分光探測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和分光原理θ1θ1分光晶體探測(cè)器試樣聚焦電子束θ2試樣θ2

波譜儀的分光探測(cè)系統(tǒng)由分光晶體、X射線探測(cè)器和相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置組成。由聚焦電子束激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線照射到分光晶體上，波長符合布拉格方程的X射線將產(chǎn)生衍射進(jìn)入探測(cè)器而被接收。轉(zhuǎn)動(dòng)分光晶體，改變?chǔ)冉?，可以將不同波長的特征X射線分開，同時(shí)改變探測(cè)器的位置和方向，就可把不同波長的X射線探測(cè)并記錄下來。19本文檔共73頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

因?yàn)榉止饩w的d值是已知的，根據(jù)分光晶體與入射X射線的夾角θ就可求出特征X射線的波長λ。l=2d·sinq

如果將分光晶體固定為某一角度，即可探測(cè)某種波長的特征X射線。20本文檔共73頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

雖然平面單晶體可以把各種不同波長的X射線分光展開，但就收集單波長X射線的效率來看是非常低的。此外，在波譜儀中，X射線信號(hào)來自樣品表層的一個(gè)極小的體積，可將其看做點(diǎn)光源，由此點(diǎn)光源發(fā)射的X射線是發(fā)散的，故能夠到達(dá)分光晶體表面的，只是其中極小的一部分，信號(hào)很微弱。因此，這種檢測(cè)X射線的方法必須改進(jìn)。21本文檔共73頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

為了提高測(cè)試效率，必須采取聚焦方式。如果把分光晶體作適當(dāng)彎曲，并使射線源、彎曲晶體表面和檢測(cè)器窗口位于同一個(gè)圓周上，這樣就可以達(dá)到聚焦的目的。這種圓稱為羅蘭(Rowland)圓或聚焦圓。

此時(shí)，從點(diǎn)光源S發(fā)射出的呈發(fā)散狀的符合布拉格條件的同一波長的X射線，經(jīng)晶體發(fā)射后聚焦于P點(diǎn)。這種聚焦方式稱為Johansson全聚焦，是目前波譜儀普遍采用的聚焦方式。波譜儀的全聚焦方式22本文檔共73頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

根據(jù)波譜儀在測(cè)試過程中分光晶體運(yùn)動(dòng)軌跡的特點(diǎn)，波譜儀有兩種常見的布置形式，即直進(jìn)式波譜儀和回轉(zhuǎn)式波譜儀。23本文檔共73頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

直進(jìn)式波譜儀工作原理

直進(jìn)式波譜儀中，由聚焦電子束轟擊試樣產(chǎn)生的X射線從S點(diǎn)發(fā)射出來。分光晶體沿固定的直線SC1移動(dòng)，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)；探測(cè)器也按一定的規(guī)律移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。確保輻射源S、分光晶體彎曲表面以及探測(cè)器始終維持在半徑為R的聚焦圓上。顯然，圓心位置會(huì)不斷變化。因?yàn)榫劢箞A的半徑R是已知的，根據(jù)測(cè)出的L1便可求出θ1，再由布拉格方程即可算出相對(duì)應(yīng)的特征X射線波長λ1。直進(jìn)式波譜儀羅蘭圓半徑不變，三點(diǎn)共圓，圓心變。24本文檔共73頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

從幾何關(guān)系來看，分光晶體與試樣的距離L、聚焦圓的半徑R以及入射X射線與分光晶體衍射平面的夾角θ有以下關(guān)系：將（1）式代入布拉格方程(1)(2)可得：(3)d:分光晶體的晶面間距25本文檔共73頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

分光晶體直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，假如檢測(cè)器在某一位置接收到衍射束，即表明試樣被激發(fā)的體積內(nèi)存在相應(yīng)的元素。衍射束的強(qiáng)度和元素含量成正比。例如:

當(dāng)聚焦圓的半徑為140mm時(shí)，用LiF晶體為分光晶體，以面網(wǎng)間距為0.2013nm的（200）晶面為衍射平面，在L=134.7mm處，可探測(cè)到FeKα(λ=0.1937nm)的特征X射線，在L=107.2mm處，可探測(cè)到CuKα（0.154nm）的特征X射線。26本文檔共73頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析合金鋼波譜分析譜線圖27本文檔共73頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

直進(jìn)式波譜儀的優(yōu)點(diǎn)是X射線照射分光晶體的方向是固定的，即出射角保持不變，這樣可使X射線穿出樣品表面過程中所走的路線相同，即吸收條件相等。28本文檔共73頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

回轉(zhuǎn)式波譜儀工作原理

回轉(zhuǎn)式波譜儀中，聚焦圓的圓心O不移動(dòng)，分光晶體和檢測(cè)器在聚焦圓的圓周上以1:2的角速度運(yùn)動(dòng)，以保證滿足布拉格方程。這種波譜儀結(jié)構(gòu)比直進(jìn)式波譜儀結(jié)構(gòu)更為簡單，出射方向改變很大，在表面不平度較大的情況下，由于X射線在樣品內(nèi)行進(jìn)路線不同，往往會(huì)因吸收條件變化而造成分析上的誤差?；剞D(zhuǎn)式波譜儀29本文檔共73頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

分光晶體的檢測(cè)范圍

一塊分光晶體只能把一定波長范圍的X射線分開。分光晶體能夠分散的X射線的波長范圍決定于其衍射面的晶面間距d和分光晶體衍射面與入射Ｘ射線的夾角θ的可變范圍。

根據(jù)布拉格方程λ=2d·sinθ，當(dāng)θ=0o時(shí)，λ=0；當(dāng)θ=90o時(shí)，λ=2d。從理論上看，每塊分光晶體能夠分散的X射線波長范圍應(yīng)為0~2d。30本文檔共73頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

實(shí)際測(cè)試中，由于受到譜儀設(shè)計(jì)幾何位置的的限制，θ值過大時(shí)，晶面反射率太低；θ值過小時(shí)，一是計(jì)數(shù)管損傷太厲害，二是空間位置也不能安排。所以θ角大致是在12o~65o范圍內(nèi)。按此推算，分光晶體能夠分散的X射線波長范圍大致是0.4d~1.8d之間。如利用LiF晶體的（200）面網(wǎng)（d=2.013?），理論檢測(cè)范圍為0~4.03?，但實(shí)際探測(cè)范圍為0.89?~3.5?。31本文檔共73頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

由于每塊分光晶體能夠分散的X射線波長范圍是有限的，因此，用一塊分光晶體只能檢測(cè)波長在某個(gè)范圍的X射線。為了使波譜儀能夠盡可能多地分析周期表中的元素，必須配備幾種晶面間距的分光晶體。常用分光晶體的檢測(cè)范圍見后表。目前，電子探針波譜儀能分析的元素為4Be~92U。32本文檔共73頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分波譜儀的種類和特征33本文檔共73頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分34本文檔共73頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分各種分光晶體的分析范圍35本文檔共73頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析36本文檔共73頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分每一道譜儀包括兩塊分光晶體承擔(dān)不同元素范圍的分析每一道譜儀包含兩塊分光晶體本文檔共73頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分X射線測(cè)量強(qiáng)度、分辨率和羅蘭圓的關(guān)系同一電子探針中，兩種羅蘭圓的設(shè)計(jì)思想，兼顧了分辨率和靈敏度（專利技術(shù)）本文檔共73頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分分光晶體可在譜儀軌道的任何位置交換（翻轉(zhuǎn)）

分光晶體交換后無須機(jī)械調(diào)整、數(shù)據(jù)的重復(fù)性好

分析速度快，對(duì)于大量數(shù)據(jù)的分析（如面分布分析等），節(jié)省時(shí)間分光晶體交換（翻轉(zhuǎn)）示意圖本文檔共73頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分各種電子槍的比較表征電子槍的物理量：束流、束流穩(wěn)定度、能量發(fā)散度熱電子發(fā)射場(chǎng)發(fā)射電子槍種類鎢燈絲W六硼化鑭LaB6熱場(chǎng)發(fā)射ZrO/W<100>冷場(chǎng)發(fā)射W<310>光源尺寸(μm)50100.050.03發(fā)射溫度(K)280018001800300能量發(fā)散度(eV)2.31.50.70.3束流（小束斑下）15100-100束流穩(wěn)定度穩(wěn)定較穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定真空度（Pa）10-310-510-710-8使用壽命幾個(gè)月約1年約5年左右更長電子槍費(fèi)用(US$)201,000較貴較貴40本文檔共73頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分場(chǎng)發(fā)射電子槍的主要優(yōu)點(diǎn)FEGW或LaB6小束斑、高亮度－小束斑空間分辨率高能更好的進(jìn)行微區(qū)的EDS和EELS分析；高亮度更容易進(jìn)行圖像觀察。能量發(fā)散度小－配備EELS，可以進(jìn)行化學(xué)價(jià)態(tài)分析。本文檔共73頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分場(chǎng)發(fā)射槍LaB6槍鎢燈絲槍5mm5mm5mm金顆粒的二次電子像

10kV、100nA1101001000100001.E-121.E-111.E-101.E-091.E-081.E-071.E-06Probecurrent(A)Probediameter(nm)Acc.V=10kVFEWLaB6EffectiverangeforanalysisbyFE場(chǎng)發(fā)射電子探針的特點(diǎn)1束斑尺寸空間分辨率高本文檔共73頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分場(chǎng)發(fā)射電子探針的特點(diǎn)2利用小束斑下大束流的特點(diǎn) 結(jié)果： 二次電子、背散射電子像質(zhì)量明顯提高，接近場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。 波譜、能譜分析速度大大提高；分析結(jié)果的信噪比提高。

本文檔共73頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分場(chǎng)發(fā)射電子探針的特點(diǎn)3無鉛焊錫，束流為10nA，加速電壓為8kV，三個(gè)面分布分析分別對(duì)應(yīng)于場(chǎng)發(fā)射槍、六硼化鑭槍和鎢燈絲槍的分析結(jié)果，由于場(chǎng)發(fā)射槍的小束斑下高亮度的優(yōu)點(diǎn)，Ag和Cu的顆粒可清晰分辨。本文檔共73頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析3X射線能量分散譜儀

能譜儀的基本概念用來測(cè)定X射線特征能量的譜儀X射線能量分散譜儀（簡稱能譜儀）是根據(jù)X射線的能量不同對(duì)X射線進(jìn)行展譜分析的儀器，其作用是把不同能量的X射線分開，并測(cè)定和記錄各種X射線的能量和強(qiáng)度。利用能譜儀可以得到試樣的X射線能譜圖，該圖反映了試樣發(fā)射的X射線的能量與強(qiáng)度關(guān)系。45本文檔共73頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析X射線的能量E與波長λ具有以下關(guān)系：

前面已介紹，各種元素的特征X射線具有特定的波長，特征波長的大小則取決于能級(jí)躍遷過程中釋放出的特征能量ΔE。因此，根據(jù)試樣的X射線能譜圖同樣可以對(duì)試樣的微區(qū)化學(xué)成分進(jìn)行定性和定量分析。46本文檔共73頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

當(dāng)原子K層的電子被打掉出現(xiàn)空位時(shí)，其外面的L、M、N……層的電子均有可能躍遷到K層來填補(bǔ)空位，由此將產(chǎn)生K系特征X射線。其能量等于外層電子能級(jí)與K層電子能級(jí)之差。K系特征X射線包括L層電子躍遷到K層產(chǎn)生的Kα特征X射線，M層電子躍遷到K層產(chǎn)生的Kβ特征X射線和N層電子躍遷到K層產(chǎn)生的Kγ特征X射線。

特征X射線的能量47本文檔共73頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定了其對(duì)應(yīng)的特征X射線的能量，各種元素的特征X射線都具有特定的能量。因此，根據(jù)試樣被激發(fā)出來的特征X射線的能量分布情況，可以對(duì)試樣的元素組成進(jìn)行定性和定量分析。48本文檔共73頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

能譜儀的結(jié)構(gòu)

能譜儀主要由Si(Li)探測(cè)器、前置放大器、脈沖信號(hào)處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多道脈沖分析器、小型計(jì)算機(jī)及顯示記錄系統(tǒng)等部分組成49本文檔共73頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

能譜儀的工作原理

由聚焦電子束激發(fā)產(chǎn)生的具有不同能量的特征X射線經(jīng)Be窗口射入Si(Li)探測(cè)器，使Si原子電離，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于每產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)需要清耗3.8eV的能量。因此，一個(gè)能量為E的入射X光子將產(chǎn)生N（=E/3.8）對(duì)電子-空穴，根據(jù)X光子激發(fā)的電子-空穴對(duì)的數(shù)量N，即可求得入射X光子的能量E。

E=3.8N50本文檔共73頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

在Si（Li）半導(dǎo)體的兩端加一個(gè)偏壓，將電子-空穴對(duì)收集起來，每入射一個(gè)X光子，探測(cè)器將輸出一個(gè)電流脈沖，脈沖的高度與X光子的能量成正比。電流脈沖由脈沖信號(hào)處理單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖，然后送入多道脈沖分析器。多道脈沖分析器將電壓脈沖按脈沖高度進(jìn)行分類，讓不同高度的脈沖進(jìn)入不同的通道，并記錄進(jìn)入各個(gè)通道的脈沖數(shù)。通道的地址反映了X光子的能量，通道的脈沖數(shù)則代表了X射線的強(qiáng)度。最后得到以通道地址（能量）為橫坐標(biāo)，以通道脈沖計(jì)數(shù)（強(qiáng)度）為縱坐標(biāo)的X射線能量分散譜圖。51本文檔共73頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析X射線能譜圖上，峰位表示X射線的能量，峰高則反映X射線的強(qiáng)度。根據(jù)峰位（特征X射線的能量）可以檢測(cè)出試樣中存在何種元素，即進(jìn)行化學(xué)成分定性分析。

根據(jù)峰的高度（特征X射線的強(qiáng)度）可對(duì)試樣中的元素進(jìn)行定量和半定量分析。52本文檔共73頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析53本文檔共73頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析4波譜儀與能譜儀的比較

和波譜儀相比，能譜儀具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

(1)能譜儀探測(cè)X射線的效率高。Si(Li)探頭可以安放在比較接近樣品的位置，它對(duì)X射線源所張的立體角很大；X射線信號(hào)直接由探頭收集，不必通過分光晶體衍射，不存在衍射導(dǎo)致的強(qiáng)度損失。Si(Li)晶體對(duì)X射線的檢測(cè)率極高，因此能譜儀的探測(cè)效率比波譜儀高。54本文檔共73頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析(2)能譜儀分析速度快。能譜儀可在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)分析點(diǎn)內(nèi)所有元素的X射線光子的能量進(jìn)行測(cè)定和計(jì)數(shù)，在幾分鐘內(nèi)就可以得到定性分析結(jié)果，而波譜儀只能逐個(gè)測(cè)量每種元素的特征波長。

(3)能譜儀的結(jié)構(gòu)比波譜儀簡單。能譜儀沒有機(jī)械傳動(dòng)部分，因此穩(wěn)定性和重復(fù)性都很好。

(4)能譜儀對(duì)樣品的要求比波譜儀更低。能譜儀不必聚焦，因此對(duì)樣品表面沒有特殊要求，適合于粗糙表面的分析工作。55本文檔共73頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

但是，和波譜儀相比，能譜儀存在以下不足：

(1)能譜儀的分辨率比波譜儀低。波譜儀的分辨率較高，約5~10eV；而能譜儀的分辨率較低，在145~155eV左右，能譜儀給出的波峰比較寬，容易重疊。

(2)能譜儀可分析的元素范圍比波譜儀窄。波譜儀可以分析4Be~92U，能譜儀可分析11Na~92U

（Be窗）

能譜儀Si(Li)檢測(cè)器的Be窗口限制了超輕元素特征X射線的測(cè)量，只能分析原子序數(shù)大于11的元素；而波譜儀可以測(cè)定原子序數(shù)從4到92之間的所有元素。56本文檔共73頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析(3)能譜儀的譜失真比波譜儀更嚴(yán)重。波譜儀不存在譜失真的問題；能譜儀造成譜失真的因素較多，如峰重疊、電子束散射等。因此，能譜儀的探測(cè)極限（譜儀能測(cè)出的元素的最小百分濃度）要比波譜儀低。波譜儀的探測(cè)極限約0.01~0.1%，能譜儀的探測(cè)根極限為0.1~0.5%。57本文檔共73頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析58本文檔共73頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分波譜儀和能譜儀比較59本文檔共73頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析60本文檔共73頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析5電子探針的基本功能

電子探針X射線波譜及能譜分析有以下三種基本的工作方法：

(1)點(diǎn)分析

(2)線分析

(3)面分析61本文檔共73頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

點(diǎn)分析

點(diǎn)分析就是對(duì)試樣上選定的點(diǎn)（微區(qū)）的化學(xué)成分進(jìn)行分析，包括定性分析和定量分析。

定性分析用聚焦電子束定點(diǎn)轟擊試樣上被選定的點(diǎn)（微區(qū)），用能譜儀或波譜儀對(duì)試樣發(fā)射的X射線進(jìn)行展譜，得到該點(diǎn)的X射線能量色散譜圖或波長色散譜圖。從譜圖上的峰位，可以得知各特征X射線的能量或波長。根據(jù)特征X射線的能量或波長就可確定樣品中所含元素的種類。62本文檔共73頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分材料現(xiàn)代測(cè)試方法電子探針顯微分析

定量分析：樣品中對(duì)應(yīng)元素含量定量分析是在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。定量分析一般采用波譜儀。將波譜儀的分光晶體置于不同的L值處，分別測(cè)定各元素主要特征X射線的強(qiáng)度值，并與已知成分的標(biāo)樣的對(duì)應(yīng)譜線強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比。兩者分別扣除背底和計(jì)數(shù)器死時(shí)間對(duì)所測(cè)值的影響，得到相應(yīng)的強(qiáng)度值。

兩者強(qiáng)度之比K，經(jīng)修正，得Y元素的質(zhì)量濃度Cy=ZAF

KCs

其中，Iu、Is分別表示試樣和標(biāo)樣中某元素特征X射線的強(qiáng)度；Pu、Ps分別表示試樣和標(biāo)樣中某元素特征X射線的峰強(qiáng)度；Bu、Bs分別表示試樣和標(biāo)樣中某元素特征X射線的背底強(qiáng)度，Cs為標(biāo)樣的濃度。Z—原子序數(shù)修正項(xiàng)；A—吸收修正項(xiàng)；F—二次熒光修正項(xiàng)63本文檔共73頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分WDS64本文檔共73頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分Processingoption:Allelementsanalyzed(Normalised)Numberofiterations=3Standard:CCaCO31-Jun-199912:00AMSFeS21-Jun-199912:00AMVV1-Jun-199912:00AMCrCr1-Jun-199912:00AMMnMn1-Jun-199912:00AMFeF