材料分析測(cè)試技術(shù)課件：電子顯微分析-電子探針顯微分析

1電子探針顯微分析

ElectronProbeMicro-Analysis

2概述（1）電子探針：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、綜合分析的儀器。功能：在觀察微觀形貌的同時(shí)，進(jìn)行微區(qū)成分分析。

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，①分析特征X射線的波長(zhǎng)（或特征能量），可對(duì)樣品中所含元素的種類進(jìn)行定性分析；②分析X射線的強(qiáng)度，則可對(duì)應(yīng)元素含量進(jìn)行定量分析。構(gòu)造：主機(jī)部分與SEM相同，只增加了檢測(cè)X射線的信號(hào)的譜儀，用于檢測(cè)X射線的特征波長(zhǎng)或特征能量。

3第一節(jié)

電子探針儀的結(jié)構(gòu)與工作原理

4電子探針儀的結(jié)構(gòu)電子探針儀的結(jié)構(gòu)示意圖：

電子探針儀：信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)是X射線譜儀。1.波長(zhǎng)分散譜儀：(WDS)

用來測(cè)定特征X射線波長(zhǎng)的譜儀，簡(jiǎn)稱為波譜儀。2.能量分散譜儀：(EDS)

用來測(cè)定X射線特征能量的譜儀，簡(jiǎn)稱為能譜儀。

圖13－l電子探針儀的結(jié)構(gòu)示意圖

5電子探針接收到的信號(hào)6法國CAMECA公司電子探針儀的結(jié)構(gòu)圖7法國CAMECA公司電子探針儀法國Cameca公司

SX100型EPMA8日本電子公司JXA-8100電子探針儀

JXA-81009一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（1）一、工作原理：

1.當(dāng)電子束轟擊樣品時(shí)，由表面下μm或nm級(jí)的作用體積內(nèi)激發(fā)出特征X射線，若作用體積內(nèi)含有多種元素，則可激發(fā)出各相應(yīng)元素的特征波長(zhǎng)X射線。10一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（2）2.若樣品上方放置一塊面間距為d的平面晶體，當(dāng)X射線波長(zhǎng)λ、入射角θ和面間距d符合2dsinθ=λ

時(shí)，則特征X射線就發(fā)生強(qiáng)烈衍射。圖13-2分光晶體對(duì)X射線的衍射平面晶體：各特征X射線，只從特定入射角進(jìn)入晶體時(shí)，才能發(fā)生較強(qiáng)衍射。如：

λ1→θ1

λ2→θ2

等。11一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（3）3.不同波長(zhǎng)X射線以不同入射角入射，將產(chǎn)生各自衍射束。平面晶體：如同一個(gè)單色器，具有分光的作用。它可使不同波長(zhǎng)X射線分散開來。分光晶體對(duì)X射線的衍射在面向衍射束安置探測(cè)器，便可記錄下各波長(zhǎng)X射線。但各波長(zhǎng)X射線強(qiáng)度極低。故需將一定角度內(nèi)某波長(zhǎng)X射線進(jìn)行聚焦，增加強(qiáng)度。12一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（4）4.要使X射線聚焦，需將晶體彈性彎曲，使X光源S、晶體表面和檢測(cè)器D位于同一圓周上。此時(shí)，整個(gè)晶體接收某波長(zhǎng)X射線，強(qiáng)度將大大提高。圖13-3兩種聚焦方法a)約翰型聚焦法(b)約翰遜型聚焦法羅蘭圓或聚焦圓13一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（5）5.X射線聚焦的兩種方法：①約翰(Johann)型聚焦法：將單晶體彎曲，使它衍射晶面的曲率半徑等于聚焦圓半徑R的兩倍，即2R。約翰型聚焦法則X光入射到晶體表面任意點(diǎn)A、B、C，入射角都相等，故發(fā)生衍射；但因晶體表面A、B、C點(diǎn)不在聚焦圓上，故衍射線只能在D點(diǎn)附近聚焦（近似聚焦）。14一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（6）②約翰遜(Johansson)型聚焦法：把衍射晶面曲率半徑彎成2R，再將晶體表面外形磨制成和聚焦圓相合(即晶體表面的曲率半徑和R相等)。約翰遜型聚焦法這可使晶體表面各點(diǎn)衍射束正好聚焦在D點(diǎn)（全聚焦法）。分光晶體雖可彈性彎曲，但不易磨制，故不大可能達(dá)到理想聚焦條件。15一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（7）6.兩種常見的譜儀布置形式：直進(jìn)式和回轉(zhuǎn)式。直進(jìn)式波譜儀①直進(jìn)式波譜儀工作原理：晶體：沿直線運(yùn)動(dòng)，并轉(zhuǎn)動(dòng)，則各波長(zhǎng)λ1、λ2和λ3的X射線以各角度θ1、θ2和θ3入射而發(fā)生衍射。檢側(cè)器：在聚焦圓上協(xié)調(diào)滑動(dòng)，就接收到經(jīng)聚焦各波長(zhǎng)衍射線。16一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（8）

分光晶體直線運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)器能在各位置上接收到衍射束，表明試樣被激發(fā)體積內(nèi)存在著相應(yīng)的幾種元素。衍射束強(qiáng)度大小和元素含量成正比。17一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（8）②直進(jìn)式波譜儀優(yōu)點(diǎn)：對(duì)給定d晶體，L與λ間成線性關(guān)系。圖13-4直進(jìn)式波譜儀

L－譜儀長(zhǎng)度。

L↑→λ↑由短變長(zhǎng)。通常：R=20cm，

θ＝150～650L＝10～36cm

由幾何關(guān)系可得：

發(fā)射源S

到晶體的距離L

與聚焦圓半徑R

滿足：18一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（9）直進(jìn)式波譜儀的另一優(yōu)點(diǎn)：

X射線照射分光晶體的方向是固定的，即出射角ψ不變。出射角ψ不變：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，這定量分析有利。19一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（10）回轉(zhuǎn)式波譜儀的工作原理圖：

聚焦圓的圓心O不動(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)，以保證滿足布拉格衍射條件。圖13-5回轉(zhuǎn)式波譜儀20一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（11）回轉(zhuǎn)式波譜儀特點(diǎn)：回轉(zhuǎn)式波譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但X射線出射ψ有較大變化。導(dǎo)致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定量分析上的誤差。在表面不平度較大時(shí)，更為明顯。21一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（12）直進(jìn)式波譜儀：某分光晶體衍射晶面間距d一定。因L和θ成L=2Rsinθ關(guān)系。但因結(jié)構(gòu)上的限制，L不能做得太長(zhǎng)?？梢?，一個(gè)分光晶體d能夠測(cè)量得波長(zhǎng)范圍有限，只能測(cè)定某一原子序數(shù)范圍的元素。若要分析Z=4～92內(nèi)的元素，須用幾塊晶面間距d不同的晶體，因此，一個(gè)譜儀中常裝兩塊以上晶體可互換。電子探針儀：往往裝有2～6個(gè)譜儀，一起工作時(shí)可同時(shí)測(cè)定幾個(gè)元素。22一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（13）常用的分光晶體：PET：異戊四醇（C5H12O4),RAP：鄰苯二酸銣（C3H6O4Rb),KAP：鄰苯二酸鉀（C3H6O4K),TAP：鄰苯二甲酸氫（TlHC8H404）STE：硬脂酸鉛（C18H35O2)2M，（人造偽晶體）。23一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（14）分光晶體及其元素分析范圍：24一、波長(zhǎng)分散譜儀（WDS）（15）陶瓷材料的波譜儀分析結(jié)果

例如：陶瓷材料的分析結(jié)果含有Al,Si,Fe,Zr,Sn

等元素。使用的分光晶體：

TAP、PET。25二、能量分散譜儀（EDS）（1）

一、能譜儀工作原理：當(dāng)電子束轟擊樣品時(shí)，在作用體積內(nèi)各種元素激發(fā)出具有各自波長(zhǎng)的特征X射線（或具各能量ΔE的X光子）。X光子能量ΔE：則取決于電子能級(jí)躍遷過程中不同能級(jí)的能量差。能譜儀：利用不同元素發(fā)射的X射線光子特征能量不同來進(jìn)行成分分析的。X射線能量檢測(cè)器：目前常用鋰漂移硅固態(tài)X射線能量探測(cè)器，即Si（Li）檢測(cè)器。它是能譜儀的關(guān)鍵部件。26Si（Li）檢測(cè)器能譜儀探頭Si（Li）固體探測(cè)器27二、能量分散譜儀（EDS）（2）二、Si（Li）檢測(cè)器工作原理：當(dāng)X光子通過8～25μm厚的Be（或BN或有機(jī)膜）窗進(jìn)入檢測(cè)器，在Si(Li)晶體內(nèi)激發(fā)出一定數(shù)目的電子-空穴對(duì)。Be窗圖13-7鋰漂移硅能譜儀方框圖

Si(Li)晶體兩端偏壓收集電子-空穴對(duì)→前置放大器→電流脈沖→主放大器積分→電壓脈沖→多道脈沖高度分析器→按高度分類并計(jì)數(shù)，就可得到特征

X射線按能量大小分布的圖譜。

（能譜圖）

28二、能量分散譜儀（EDS）（3）Si（Li）檢測(cè)器工作原理圖：29二、能量分散譜儀（EDS）（4）X光與Si(Li)晶體相互作用產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)所需能量ε≈3.8eV（100K下），則能量為E光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)數(shù)目為：

如：EFeKα=6.4keV

，則一個(gè)光子產(chǎn)生1684個(gè)電子-空穴對(duì)，相應(yīng)電荷量為2.7×10－16C，在電容CF上積分，形成電壓脈沖信號(hào)為：V＝Q/CF，若CF＝1PF，則V＝0.27mV。此信號(hào)雖小，但與X光子能量成正比。則相應(yīng)的電荷量：30二、能量分散譜儀（EDS）（5）入射X光子能量越高→產(chǎn)生電子-空穴對(duì)數(shù)目N就越多；經(jīng)偏壓收集→前置放大器→電流脈沖高度就越高，經(jīng)主放大器→電壓脈沖→多道脈沖高度分析器；脈沖高度分析器：按脈沖高度分類并計(jì)數(shù)，描出特征X射線按能量大小分布的圖譜。

18-8不銹鋼成份能譜圖31二、能量分散譜儀（EDS）（6）三、能譜儀成分分析優(yōu)點(diǎn)：（和波譜儀相比）①分析速度快：可在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)分析點(diǎn)內(nèi)所有元素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)可得到定性分析結(jié)果?？蓹z測(cè)元素范圍：帶Be窗的探測(cè)器：

11Na～92U；新型超薄窗口材料：4Be～92U；波譜儀：只能逐個(gè)測(cè)量每種元素的特征波長(zhǎng)。32二、能量分散譜儀（EDS）（7）②能譜儀：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無機(jī)械傳動(dòng)部分，穩(wěn)定性和重復(fù)性都好，且不必聚焦，對(duì)樣品表面無特殊要求，適合于粗糙表面的分析。波譜儀：需光滑平坦表面，在此方面仍顯不足。③能譜儀：探測(cè)X射線效率及靈敏度高。因Si(Li)探頭接近樣品，收集立體角大，信號(hào)直接由探頭收集，不必由分光晶體衍射，信號(hào)幾乎無損失，其靈敏度比波譜儀高一個(gè)數(shù)量級(jí)。④能譜儀：可在低入射電子束流（10－11A）下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。而波譜儀須很大電子束流。33二、能量分散譜儀（EDS）（8）四、能譜儀成分分析缺點(diǎn)：（和波譜儀相比）①分辨率比波譜儀、峰背比低，即儀器分辯不同能量特征X射線的能力差，波峰比較寬，重疊現(xiàn)象嚴(yán)重。一般地：探測(cè)器能量分辨率：能譜儀：約127eV，而波譜儀可達(dá)5eV。

②工作條件要求嚴(yán)格

Si(Li)探頭須用液氮冷卻，保持低溫而不間斷。否則，晶體內(nèi)Li擴(kuò)散，改變分布狀態(tài)，探頭功能下降，甚至破壞。34第二節(jié)

電子探針儀的分析方法及應(yīng)用35一、EPMA的定性分析（1）1．定點(diǎn)成分分析：電子束固定在需要分析的微區(qū)上。①波譜儀分析：改變分光晶體和探測(cè)器位置，即可得分析點(diǎn)的X射線成份譜圖；波譜儀定點(diǎn)分析36一、EPMA的定性分析（1）②能譜儀分析：電子束固定在要分析微區(qū)，收集X射線信號(hào)，幾分鐘內(nèi)即可得微區(qū)內(nèi)所含元素的譜圖。37一、EPMA的定性分析（2）2.成分線分布分析：①波譜儀線分析：將波譜儀分光晶體移到要測(cè)量元素的特征X射線信號(hào)（波長(zhǎng)或能量）的位置上，使電子束沿指定路徑作直線軌跡掃描，便可得某元素含量的變化曲線。

改變譜儀的位置，便可得另一元素含量的變化曲線。②能譜儀線分析：將電子束沿指定路徑作直線軌跡逐點(diǎn)掃描，能譜儀探頭接收逐點(diǎn)上各元素的X射線信號(hào)強(qiáng)度（含量），再將各點(diǎn)元素含量繪成曲線，即為成份含量線分布。38高速鋼表面滲氮＋鍍TiN的N線分布圖39Nb-Cu釬焊焊縫EPMA的成分線分布分析40一、EPMA的定性分析（3）3．成分面分布