无机材料测试技术11 电子探针X射线显微分析

能谱有许多优点，例如，元素分析时能谱是同时测 量所有元素，而波谱要一个一个元素测量，所以分析速 度远比波谱快。能谱探头紧靠试样，使X 射线收集效率 提高，这有利于试样表面光洁度不好及粉体试样的元素 定性、定量分析。另外，能谱分析时所需探针电流小， 对电子束照射后易损伤的试样，例如生物试样、快离子 导体试样等损伤小。但能谱也有缺点，如分辨率差，谱 峰重叠严重，定量分析结果一般不如波谱等。(下表为能 谱和波谱主要性能的比较) 现在大部分扫描电镜、电子探针及透射电镜都配能 谱仪，使成分分析更方便。
能谱定性分析主要是根据不同元素之间的特征X 射线能量不同，即E＝hν ，h 为普朗克常数，ν 为特 征X 射频率， 通过EDS 检测试样中不同能量的特征 X 射线，即可进行元素的定性分析，EDS 定性速度快， 但由于它分辨率低，不同元素的特征X 射线谱峰往往 相互重叠，必须正确判断才能获得正确的结果，分析 过程中如果谱峰相互重叠严重，可以用WDS和EDS联 合分析，这样往往可以得到满意的结果。
• 电子探针分析的基本原理早在1913 年就被 Moseley 发现，但直到1949 年，法国的Castaing才 用透射电镜（TEM）改装Байду номын сангаас一台电子探针样机。 • 1955 年Castaing 在法国物理学会的一次会议上 ，展出了电子探针的原形机，1956 年由法国 CAMECA公司制成商品，1958 年第一台电子探 针装进了国际镍公司的研究室中。 • 扫描型电子探针商品是1960年问世。70 年代开始 ，电子探针和扫描电镜的功能组合为一体，同时 应用电子计算机控制分析过程和进行数据处理。
2. 元素分析范围广
电子探针所分析的元素范围一般从硼(B)——铀(Ｕ)， 因为电子探针成份分析是利用元素的特征X 射线，而氢和 氦原子只有K 层电子，不能产生特征X 射线，所以无法进 行电子探针成分分析。锂(Li)和铍(Be)虽然能产生X 射线， 但产生的特征X 射线波长太长，通常无法进行检测，少数 电子探针用大面间距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测 Be元素。能谱仪的元素分析范围现在也和波谱相同，分析 元素范围从铍(Be)——铀(Ｕ)
电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。它的主要作用 是产生具有一定能量的细聚焦电子束(探针)。从加热的钨灯丝发 射电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一个10μ m～100μ m交 叉点（Crossover)，再经过二级会聚透镜和物镜的聚焦作用，在 试样表面形成一个小于1μ m 的电子探针。电子束直径和束流随 电子枪的加速电压而改变， 加速电压可变范围一般为1kV～ 30kV。
•直进式波谱仪旋转式： 特点是X射线出射角φ 固定不变，弥补了旋转式波谱仪的缺 点。因此，虽然在结构上比较复杂，但它是目前最常用的一种 谱仪。如图4-77所示，弯晶在某一方向上作直线运动并转动， 探测器也随着运动。聚焦圆半径不变，圆心在以光源为中心的 圆周上运动，光源、弯晶和接收狭缝也都始终落在聚焦圆的圆 周上。
(c)能谱分析和波谱分析特点
能谱仪70 年代问世以来，发展速度很快，现在分辨率已达 到130eV左右 ，以前Be窗口能谱仪分析元素范围从11Na－92U， 现在用新型有机膜超薄窗口，分析元素可从4Be－92U。
元素定性、定量分析软件也有很大改善，中等原子序数的元 素定量分析准确度已接近波谱。近年来能谱仪的图象处理和图象 分析功能发展很快。探测器的性能也有提高，能谱使用时加液氮， 不使用时不加液氮。有的能谱探测器用电制冷方法冷却，使探头 维护更方便。
能谱仪结构框图
探测器输出的电压脉冲高度，由电子－空穴对的数目N 决 定，由于电压脉冲信号非常小，为了降低噪音，探测器用液氮 冷却，然后用前置放大器对信号放大，放大后的信号进入多道 脉冲高度分析器， 把不同能量的X射线光子分开来，并在输出 设备（如显像管）上显示出脉冲数—脉冲高度曲线，纵坐标是 脉冲数，即入射X 射线光子数，与所分析元素含量有关，横坐 标为脉冲高度，与元素种类有关，这样就可以测出X 射线光子 的能量和强度，从而得出所分析元素的种类和含量，这种谱仪 称能量色散谱仪(EDS)，简称能谱仪。
能谱和波谱主要性能的比较 比较内容 元素分析范围 定量分析速度 分辨率 检测极限 WDS 4Be－92U 慢 高（≈5eV） 10-2 (%) EDS 4Be－92U
快 低（130 eV） 10-1 (%)
低
定量分析准确度 高 X射线收集效率 低 峰背比（WDS/EDS） 10
高 1
C aK
特征X 射线波长与强度，从而对试样中元素进行定
性、定量分析。
定性分析的基础是Moseley关系式:
式中：ν 为元素的特征X 射线频率，Z为原子序数，K与 σ 均为常数，C为光速。当σ ≈1时， λ 与Z的关系式可写成: 由式可知，组成试样的元素(对应的原子序数Z)与它产 生的特征X 射线波长(λ )有单值关系，即每一种元素都有 一个特定波长的特征X射线与之相对应， 它不随入射电子 的能量而变化。如果用X 射线波谱仪测量电子激发试样所 产生的特征X 射线波长的种类，即可确定试样中所存在元 素的种类，这就是定性分析的基本原理。
及固体电解质离子迁移损坏过程等，已经取得了许多 新的结果。
三、电子探针仪的构造和工作原理
1、电子探针分析的基本原理
1）定性分析的基本原理 2）定量分析的基本原理
1）定性分析的基本原理
电子探针除了用电子与试样相互作用产生的二 次电子、背散射电子进行形貌观察外，主要是利用
波谱或能谱，测量入射电子与试样相互作用产生的
2）定量分析的基本原理
试样中A元素的相对含量CA与该元素产生的特征X射线 的强度IA (X射线计数)成正比:CA∝IA，如果在相同的电子探 针分析条件下，同时测量试样和已知成份的标样中A 元素的 同名X 射线(如Kα 线)强度，经过修正计算，就可以得出试 样中A元素的相对百分含量CA:
式中：CA为某A元素的百分含量，K 为常数，根据不同的修正 方法，K 可用不同的表达式表示，IA 和 I(A) 分别为试样中和标 样中A元素的特征X 射线强度，同样方法可求出试样中其它元 素的百分含量。
3. 试样室
用于安装、交换和移动试样。试样可以沿X、Y、 Z轴方向移动，有的试样台可以倾斜、旋转。现在试样 台已用光编码定位，准确度优于1μ m，对表面不平的 大试样进行元素面分析时，Z轴方向可以自动聚焦。
电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样分析后， 可以完好保存或继续进行其它方面的分析测试，这对于文 物、古陶瓷、古硬币及犯罪证据等的稀有试样分析尤为重 要。
5. 微区离子迁移研究
多年来，还用电子探针的入射电子束注入试样来 诱发离子迁移，研究了固体中微区离子迁移动力学、
离子迁移机理、离子迁移种类、离子迁移的非均匀性
二、电子探针显微分析特点
1. 显微结构分析
2. 元素分析范围广
3. 定量分析准确度高
4. 不损坏试样、分析速度快
5. 微区离子迁移研究
1. 显微结构分析
电子探针是利用0.5μ m－1μ m的高能电子束激发所分析的试 样，通过电子与试样的相互作用产生的特征X 射线、二次电子、 吸收电子、 背散射电子及阴极荧光等信息来分析试样的微区内 (μ m范围内)成份、形貌和化学结合状态等特征。电子探针成分分 析的空间分辨率（微区成分分析所能分析的最小区域）是几个立 方μ m范围， 微区分析是它的一个重要特点之一, 它能将微区化学 成份与显微结构对应起来，是一种显微结构的分析。而一般化学 分析、 X 光荧光分析及光谱分析等，是分析试样较大范围内的平 均化学组成，也无法与显微结构相对应，不能对材料显微结构与 材料性能关系进行研究。
不同波长的X 射线要用不同面间距的晶体进行分光， 日 本电子公司的电子探针通常使用的四种晶体面间距及波长检测 范围见表 分光晶体及波长范围
表中STE[Pb(C18H35O2)2]为硬脂酸铅，TAP(C8H5O4TI)为邻苯 二甲酸氢铊，PET(C5H12O4)为异戊四醇，LiF为氟化锂晶体。
（b）能量色散谱仪
4. 不损坏试样、分析速度快
现在电子探针均与计算机联机，可以连续自动进行多 种方法分析，并自动进行数据处理和数据分析，对含10个 元素以下的试样定性、定量分析，新型电子探针在30min 左右可以完成，如果用EDS 进行定性、定量分析，几分种 即可完成。对表面不平的大试样进行元素面分析时，还可 以自动聚焦分析。
如果把X射线看成由一些不连续的光子组成， 光子的能量 为 E＝ｈν ，ｈ为普朗克常数，ν 为光子振动频率。不同元素 发出的特征X射线具有不同频率，即具有不同能量，当不同能量 的X射线光子进入锂漂移硅[Si(Li)]探测器后，在Si(Li)晶体内将 产生电子－空穴对，在低温（如液氮冷却探测器）条件下，产 生一个电子－空穴对平均消耗能量ε 为3.8eV。能量为E 的X 射 线光子进入Si(Li)晶体激发的电子－空穴对N＝E/ε ，入射光子 的能量不同，所激发出的电子－空穴对数目也不同，例如，Mn Kα 能量为5.895keV,形成的电子－空穴对为1550 个。
（b）电磁透镜 电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠近电子枪的透镜称会聚透 镜，会聚透镜一般分两级，是把电子枪形成的10μ m－100μ m 的交叉点缩小1－100 倍后，进入试样上方的物镜，物镜可将电 子束再缩小并聚焦到试样上。为了挡掉大散射角的杂散电子， 使入射到试样的电子束直径尽可能小，会聚透镜和物镜下方都 有光阑。
2）X 射线谱仪
X射线谱仪的性能，直接影响到元素分析的灵 敏度和分辨本领，它的作用是测量电子与试样相 互作用产生的X 射线波长和强度。谱仪分为二类:
一类是波长色散谱仪(WDS)，一类是能量色散谱
仪(EDS)。
（a）波长色散谱仪
众所周知，X 射线是一种电磁辐射，具有波粒二象性， 因此 可以用二种方式对它进行描述。如果把它视为连续的电磁波，那 么特征X 射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同元素就对应 不同的特征X 射线波长，如果不同X 射线入射到晶体上，就会产 生衍射，根据Bragg公式：