电子探针

与分光晶体有关，~5 eV 改变，< 0.2%
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波谱仪和能谱仪的比较
对表面要求 平整，光滑 较粗糙表面也适用 2~3 min 典型数据收集时间 10 min 谱失真 少
最小束斑直径 探测极限 对试样损伤
~ 200 nm 0.01~0.1% 大
主要包括：逃逸峰、峰重叠、 脉冲堆积、电子束散射、铍 窗吸收效应等 ~ 5 nm 0.1~0.5% 小

目前，电子探针仪能分析的元素范围是原子序数为4 的铍（Be）到原子序数为92的铀（U）。其中小于 氟（F）的元素称为轻元素，它们的X射线波长范围 大约在18-113 Å。
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回转式波谱仪和直进式波谱仪

在电子探针中，一般点光源S不动，改变晶体和 探测器的位置，达到分析检测的目的。根据晶体 及探测器运动方式，可将谱仪分为回转式波谱仪 和直进式波谱仪等。
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分光晶体

分光晶体是专门用来对X射线起色散（分光） 作用的晶体，它应具有良好的衍射性能、强的 反射能力和好的分辨率。 各种晶体能色散的X射线波长范围，取决于衍 射晶面间距d和布拉格角的可变范围，对波长 大于2d的X射线则不能进行色散。

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分光晶体

谱仪的角有一定变动范围，如15°-65°；每一种 晶体的衍射晶面是固定的，因此它只能色散一段波 长范围的X射线和适用于一定原子序数范围的元素分 析。
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4 分析速度 EDS可在同一时间内对分析点内的所有X射线 光子的能量进行检测和计数，仅需几分钟时间可 得到全谱定性分析结果；而WDS只能逐个测定每 一元素的特征波长，一次全分析往往需要几个小 时。 5 分析元素的范围 WDS可以测量铍(Be)-铀(U)之间的所有元素， 而EDS中Si(Li)检测器的铍窗口吸收超轻元素的X 射线，只能分析Na以上的元素。 6 可靠性 EDS结构简单，数据的稳定性和重现性好。但 WDS的定量分析误差（1-5%）远小于EDS的定量 分析误差（2-10%）。
加在Si(Li)上的偏压将电子-空穴对收集起来，每 入射一个X光子，探测器输出—个微小的电荷脉 冲，其高度正比于入射的X光子能量E。
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能谱仪的工作原理

电荷脉冲经前置放大器，信号处理单元和模数转换器处理 后以时钟脉冲形式进入多道分析器。

多道分析器有一个由许多存储单元（称为通道）组成的存 储器。与X光子能量成正比的时钟脉冲数按大小分别进入 不同存储单元。 每进入一个时钟脉冲数，存储单元记一个光子数，因此通 道地址和X光子能量成正比，而通道的计数为X光子数。
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7 样品要求
WDS在检测时要求样品表面平整，以满足聚焦 条件。EDS对样品表面无特殊要求，适合于粗糙表 面的成分分析。
8 运行成本
EDS小而快，定性为主； WDS大而慢， 精确定量为主。
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波谱仪和能谱仪的比较
操作特性 分析方式 分析元素范围 分辨率 几何收集效率 波谱仪（WDS） 用几块分光晶体 顺序进行分析 Z≥4 Z≥11 (铍窗) 能谱仪（EDS） 用Si(Li) EDS 进行多元素同时分析 Z≥11 与能量有关，145~150 eV (5.9 keV) < 2%

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波长色散谱
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ห้องสมุดไป่ตู้、能谱仪的结构和工作原理

能谱仪的主要组成部分如图所示，由探针器、前置放大器、 脉冲信号处理单元、模数转换器、多道分析器、小型计算机 及显示记录系统组成，它实际上是一套复杂的电子仪器。
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锂漂移硅Si(Li)探测器

能谱仪使用的是锂漂移硅Si(Li)探测器。

Si(Li)是厚度为3-5mm、直径为3-10mm的薄片，它是p型Si 在严格的工艺条件下漂移进Li制成的。
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（b）块状试样
块状试样， 可以用环氧树脂等镶嵌后，进行研磨和抛光。 较大的块状试样也可以直接研磨和抛光，但容易产生倒角，会 影响薄膜厚度及离子迁移深度的测定，对尺寸小的试样只能镶 嵌后加工。对多孔或较疏松的试样，例如有些烧结材料、腐蚀 产物等，需采用真空镶嵌方法。将试样用环氧树脂胶浸泡，在 500C－600C 时放入低真空容器内抽气，然后在 60 ° C 恒温烘 箱内烘烤4h，即可获得坚固的块状试样。这可以避免研磨和抛 光过程中脱落，同时可以避免抛光物进入试样孔内引起污染。
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（c）试样表面光滑平整
试样表面必须抛光，在 100 倍反光显微镜下观察时，能 比较容易地找到 50 μ m×50μ m 无凹坑或擦痕的分析区域。因 为X 射线是以一定的角度从试样表面射出，如果试样表面凸 凹不平，就可能使出射 X 射线受到不规则的吸收，降低 X 射 线测量强度，图8.15表明试样表面台阶引起的附加吸收。

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电子探针仪的结构与工作原理

电子探针仪的结构示 意图见图，由图可见， 电子探针仪除X射线 谱仪外，其余部分与 扫描电子显微镜相似。
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1、波谱仪的结构和工作原理

X射线波谱仪的谱仪系统——也即X射线的分光 和探测系统是由分光晶体、X射线探测器和相 应的机械传动装置构成。
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设想有一种晶面间距为d的特定晶体（我们称为分光晶 体），当不同特征波长λ 的X射线照射其上时，如果满足布 拉格条件（2dsinθ =λ ）将产生衍射。显然，对于任意一 个给定的入射角θ 仅有一个确定的波长λ 满足衍射条件。 这样我们可以事先建立一系列θ 角与相应元素的对应关系， 当某个由电子束激发的X特征射线照射到分光晶体上时，我 们可在与入射方向交成2θ 角的相应方向上接收到该波长的 X射线信号，同时也就测出了对应的化学元素。只要令探测 器连续进行2θ 角的扫描，即可在整个元素范围内实现连续 测量。

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X射线探测器

作为X射线的探测器，要求有高的探测灵敏 度，与波长的正比性好和响应时间短。 波谱仪使用的X射线探测器有流气正比记数 管、充气正比记数管和闪烁计数管等。


探测器每接受一个X光子输出一个电脉冲信 号。
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X射线记数和记录系统

X射线探测器（例如正比计数管）输出的电脉冲信号经前 置放大器和主放大器放大后进入脉冲高度分析器进行脉冲 高度甄别。由脉冲高度分析器输出的标准形式的脉冲信号， 需要转换成X射线的强度并加以显示，可用多种显示方式。 脉冲信号输入计数计，提供在仪表上显示计数率(cps)读 数，或供记录绘出计数率随波长变化（波谱）用的输出电 压；此电压还可用来调制显像管，绘出电子束在试样上作 线扫描时的X射线强度（元素浓度）分布曲线。



低温环境还可降低前置放大器的噪声，有利于提 高探测器的峰-背底比．
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能谱仪的工作原理

由试样出射的具有各种能量的X光子相继经Be窗 射入Si(Li)内，在I区产生电子-空穴对。每产生一 对电子-空穴对，要消耗掉X光子3.8 eV的能量。 因此每一个能量为E的入射光子产生的电子-空穴 对数目N＝E/3.8。
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电子探针的试样要求
（a）试样尺寸
所分析的试样应为块状或颗粒状，其最大尺寸要根据不同 仪器的试样架大小而定。定量分析的试样要均质，厚度通常应 大于 5 μ m。例如对 JCXA-733 电子探针仪，最大试样尺寸为 Φ 32mm×25mm。EPMA-8705 电子探仪所允许的最大试样尺寸为 102mm×20mm。由于电子探针是微区分析，定点分析区域是几 个立方微米，电子束扫描分析和图像观察区域与放大倍数有关， 但最大也不会超过 5mm。所以均匀试样没有必要做得很大，有 代表性即可。 如果试样均匀，在可能的条件下，试样应尽量小，特别对 分析不导电试样时，小试样能改善导电性和导热性能。
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（b）具有较好的电导和热导性能
金属材料一般都有较好的导电和导热性能，而硅酸盐材料 和其它非金属材料一般电导和热导都较差。后者在入射电子 的轰击下将产生电荷积累，造成电子束不稳定，图像模糊， 并经常放电使分析和图像观察无法进行。试样导热性差还会 造成电子束轰击点的温度显著升高，往往使试样中某些低熔 点组份挥发而影响定量分析准确度度。 因此 , 对于硅酸盐等非金属材料必须在表面均匀喷镀一层 20nm左右的碳膜、铝膜或金膜等来增加试样表面的导电和导 热性能。
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锂漂移硅Si(Li)探测器

Si(Li)探测器处于真空系统内，其前方有一个7-8 m的铍窗，整个探头装在与存有液氮的杜瓦瓶相 连的冷指内。 漂移进去的Li原子在室温很容易扩散，因此探头 必须一直保持在液氟温度下。 Be窗口使探头密封在低温真空环境之中，它还可 以阻挡背散射电子以免探头受到损伤。
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试样表面台阶引起的附加吸收
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2. 试样制备方法
（a）粉体试样
粉体可以直接撒在试样座的双面碳导电胶上， 用表面平的物体，例如玻璃板压紧，然后用洗耳球 吹去粘结不牢固的颗粒。当颗粒比较大时，例如大 于5μ m，可以寻找表面尽量平的大颗粒分析。也可 以将粗颗粒粉体用环氧树脂等镶嵌材料混合后，进 行粗磨、细磨及抛光方法制备。
Si(Li)可分为三层，中间是活性区(1区)，由于Li对p型半导 体起了补偿作用，是本征型半导体。I区的前面是一层0.1 m的p型半导体(Si失效层)，在其外面镀有20 nm的金膜。I 区后面是一层n型Si导体。


Si(Li)探测器实际上是一个p-I-n型二级管，镀金的p型Si接 高压负端，n型Si接高压正端并和前置放大器的场效应管相 连接。
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对粉体量少只能用电子探针分析时，要选择粉料堆积较厚 的区域，以免激发出试样座成分。为了获得较大区域的平均结 果，往往用扫描的方法对一个较大区域进行分析。要得到较好 的定量分析结果，最好将粉体用压片机压制成块状，此时标样 也应用粉体压制。对细颗粒的粉体分析时，特别是对团聚体粉 体形貌观察时，需将粉体用酒精或水在超声波机内分散，再用 滴管把均匀混合的粉体滴在试样座上，待液体烘干或自然干燥 后，粉体靠表面吸附力即可粘附在试样座上。