23电子显微分析与电子探针
II-3-大型仪器鉴定之一电子探针、XRF、XRD
测定充填处理红宝石的结果显示充填物为
铅玻璃。
宝石鉴定常用大型仪器
电子探针
X荧光
X衍射
扫描电镜
透射电镜
红外
拉曼
X荧光原理
X射线照射到样品表面，产生特征X射线，根
据所得的特征X射线确定样品的元素组成。
X射线
原子
荧光(特征X射线)
定性分析与定量分析
X荧光定性分析
宝石鉴定方法
第三章 大型仪器鉴定
宝石鉴定大型仪器
对一般宝石品种的鉴定工作只需借助常规仪器即
可。
但随着人工生长与改善宝石技术的迅速提高，其
产品与天然相似物间的识别越来越难，有时为了
准确地鉴定，或者开展对宝石的研究工作，均需
动用大型仪器。
大型仪器不但购置和运转的成本高，而且常对样
品有损伤，应谨慎使用。
测量角度的重现性 ±0.001゜(θ)
扫描角度范围
-6～＋163゜（2θ）， -180～＋180゜（ θ ）
特点：
连锁安全结构
配备高速运转（10.00°/min）
高精度角度重现性（±0.0001°）
水平型测角仪，能够测定超大型样品、液体样品。
独立2轴驱动，可进行掠入射测量。
高温附件（25℃～1200℃）
料的成份会有一些不同。利用XRD,可进行陶
瓷、绘画考古,如产地及真伪的鉴别。
案例一：江苏新沂县花厅出土了两类陶器，一类属大汶口文
化，而另一类属良渚文化。刘方新等利用X射线衍射对这两
电子行业电子探针显微分析方法
电子行业电子探针显微分析方法引言在现代电子行业中，电子制造过程中的材料和器件的质量控制是非常重要的。
为了确保电子产品的性能和可靠性，需要对材料中的缺陷和杂质进行精确的分析和检测。
电子探针显微分析方法是一种常用的技术，为电子行业提供了一种非常有效的分析工具。
本文将介绍电子探针显微分析方法的原理和应用。
电子探针显微分析方法的原理电子探针显微分析方法是利用高能电子束与物质的相互作用来进行材料分析的方法。
它基于电子束和样品之间的相互作用，通过分析电子束与样品相互作用后产生的信号，来获取样品的组成、结构和性质等信息。
电子探针显微分析方法主要包括以下几个方面：1.能谱分析：通过分析在样品与电子束相互作用后产生的X射线，可以得到样品的元素组成和含量等信息。
这对于分析材料中的杂质和控制样品的化学成分非常重要。
2.成分分析：通过对样品进行扫描，检测原子或化学组分的分布和浓度，可以评估材料的均一性和制备工艺的质量。
这对于确定电子器件中的材料特性和缺陷非常重要。
3.形貌分析：通过对样品表面的形貌进行观察和分析，可以评估材料的表面形态和结构特征。
这对于确定材料的纯度和表面处理效果非常重要。
4.结构分析：通过在样品表面刻蚀或切割，然后使用电子探针进行断面观察，可以获得材料内部结构的信息。
这对于评估材料的晶体结构和内部缺陷非常重要。
电子探针显微分析方法的应用电子探针显微分析方法在电子行业中有着广泛的应用，以下是一些常见的应用场景：1. 材料研究电子探针显微分析方法可以用于对新材料的研究。
通过对样品的成分分析和结构观察，可以评估材料的性能和潜在应用。
这对于新材料的开发和应用具有重要意义。
2. 电子器件制造在电子器件制造过程中，电子探针显微分析方法用于评估材料的质量和性能。
通过对电子器件中的材料进行成分分析和缺陷观察，可以提前发现潜在的故障和问题，并采取相应的措施来解决。
3. 故障分析当电子产品出现故障时，电子探针显微分析方法可以用于确定故障的原因和位置。
电子探针显微分析
电子探针显微分析电子探针显微分析（Electron Probe Microanalysis，简称EPMA）是一种用于材料分析的先进技术。
它结合了扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，简称SEM）和能谱仪，能够提供高分辨率的成分分析和元素分布图像。
电子探针显微分析的原理是利用电子束和样品之间的相互作用。
首先，电子束通过集束系统聚焦到样品表面，与样品发生相互作用。
这些相互作用包括：在样品表面产生的次级电子、背散射电子和散射电子。
次级电子是从样品表面弹出的电子，背散射电子是从样品内部产生的电子，散射电子是从相互作用点散射出的电子。
次级电子和背散射电子是电子显微镜的常规成像信号，这部分信号可以用来获得样品的表面形貌和显微结构。
而散射电子则包含了样品的化学信息，通过能谱仪可以对这些散射电子进行能谱分析，获得样品的元素组成。
电子探针显微分析既可以定性分析材料中的元素，也可以定量分析元素的含量。
电子探针显微分析在材料科学、地质学、环境科学等领域广泛应用。
它可以对金属、陶瓷、半导体、岩石等各种材料进行分析。
在材料科学研究中，电子探针显微分析可以用于分析材料中的微观缺陷、晶体结构和化学成分。
在地质学研究中，它可以用于分析岩石样品中的矿物成分和地球化学元素分布。
在环境科学研究中，它可以对大气颗粒物、水体中的溶解物等进行化学成分分析。
除了成分分析，电子探针显微分析还可以进行元素的显微分布分析。
通过调整电子束的扫描区域和扫描速度，可以获得样品中元素的分布图像。
这些图像可以用来研究材料的相分离、溶质迁移和化学反应等过程。
总之，电子探针显微分析是一种强大的材料分析工具。
它提供了高分辨率、高灵敏度的成分分析和元素分布图像，对于研究材料的结构和性质具有重要意义。
未来，随着技术的不断进步，电子探针显微分析将在更多领域展示其潜力和应用价值。
电子探针显微分析
数据记录
记录每个扫描点的特征X 射线能量和强度，以及对 应的位置信息。
结果分析
根据扫描区域内各点的数 据，绘制元素或化合物的 分布图，并分析其空间分 布规律和变化趋势。
06
电子探针显微分析的数据处理与结果解释
数据处理的基本步骤
数据预处理
包括背景扣除、死时间校正、能量漂移校正等步 骤，以确保数据的准确性和可靠性。
烘干处理
将镀膜后的样品放入烘箱中，在适当的温度和时间下进行烘干，以 去除样品表面的水分和有机污染物，确保分析的准确性。
05
电子探针显微分析的实验方法
定点分析
01 选定分析点 在电子显微镜下选定感兴趣的区域或特定相，确定分 析点。
02 电子束聚焦 将电子束聚焦到分析点上，确保分析的准确性。
03 X射线激发 用高能电子束激发样品，产生特征X射线。
04
X射线检测
通过能量色散谱仪（EDS）检测特征X射线的能量和强 度。
05
定量分析
根据特征X射线的能量和强度，结合标准样品的数据 进行定量分析。
线扫描分析
X射线激发与检测
在扫描过程中，不断激发样品并 检测特征X射线。
电子束扫描
将电子束沿选定的扫描线进行连 续扫描。
数据记录
记录每个扫描点的特征X射线能 量和强度。
精准度高
相比其他分析方法，电子探针显微分析具有更高的精准度和灵敏度，能够检测 到ppm级别的元素含量，满足现代科学研究对高精度分析的需求。
电子探针显微分析的应用领域
01 02
材料科学
在材料科学领域，电子探针显微分析可用于研究合金、陶瓷、高分子等 材料的元素分布、相组成和微观结构，为材料性能优化和新材料开发提 供指导。
SEM或EPMA为什么要选电子探针
SEM或EPMA？为什么要选电子探针？扫描电子显微镜和电子探针显微分析仪基本原理相同，但很多人分不清其差异。
今天小析姐就和大家简单看一看两者的区别，EMPA技术的使用情况，为什么要选EMPA。
（PS：文末有惊喜）电子探针是一种工具，能够得到精确的样品的微米尺寸的域的定量化学分析。
高能电子的聚焦光束（点）与样品中的原子相互作用，产生X射线（和其他信号），我们将其与标准中的计数进行量化和比较。
它名义上是非破坏性的。
扫描电镜-是什么？SEM是一种生成我们样本的图像的工具。
一个光栅（扫描）的高能量电子束扫过表面，与样品中的原子相互作用，产生背散射电子，二次电子，俄歇电子，并在某些情况下产生光子在可见光范围（CL）。
它名义上是非破坏性的。
EPMA电子探针微量分析：这项技术有它自己的特点、优点、缺点。
它是值得考虑它是否是最好的技术来获取您所需要的信息。
（1）这是一种微技术，对于多相样品提供了离散的组合物，而不是总成分。
（2）在“正常操作条件”下，它的样本量（宽度，深度）以~ 1-3μm为标准，对于较小的夹杂物或薄膜来说限制了它的实用性。
（3）提供了微量元素的主量和微量定量，对微量元素分析的能力有限。
（4）尽管是无损的，样品需要安装和抛光；他们可以重新分析多次。
（5）它相对便宜而且容易获得。
（6）某种程度的复杂性。
SEM扫描电镜：（1）它提供的图像很容易理解，但需要了解各种参数（如工作距离、分辨率等）不能出现错误，影响图像质量。
（2）样品可以成像小的准备或没有准备（涂料、安装抛光），尽管这可能使详细检查变复杂。
（3）这种技术是相当简单的，可以在短时间内学习要点。
（4）使用EDS软件很容易出错，特别是试图获得小颗粒的化学反应。
EPMA的构造与SEM大体相似，只是增加了接收记录X射线的谱仪。
EPMA使用的X射线谱仪有波谱仪和能谱仪两类。
电子探针结构示意图1、能谱仪能谱仪全称为能量分散谱仪(EDS)。
目前最常用的是Si(Li)X射线能谱仪，其关键部件是Si(Li)检测器，即锂漂移硅固态检测器，它实际上是一个以Li为施主杂质的n-i-p型二极管。
第三章扫描电子显微镜与电子探针显微分析
5. 可做综合分析。
6. SEM装上波长色散X射线谱仪（WDX）（简称 波谱仪）或能量色散X射线谱仪（EDX）（简称 能谱仪）后，在观察扫描形貌图像的同时，可 对试样微区进行元素分析。
7. 装上半导体样品座附件，可以直接观察晶体管 或集成电路的p-n结及器件失效部位的情况。
8. 装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察 处于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试 样显微结构形态的动态变化过程（动态观察）。
其它物理信号
除了上述六种信号外，固体样品中还会 产生例如阴极荧光、电子束感生效应和电 动势等信号。
这些信号经过调制后也可以用于专门的 分析。
小结
X射线
与物质相互 作用
1.散射(相干,非相干) 2.光电效应(俄歇,二次荧光,光电子) 3.透射 4.热
电子束
与物质相互 作用
1.背散射; 3.透射电子; 5.俄歇; 7.阴极荧光……
7. 非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，从数十 电子伏到数千电子伏。
8. 从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背散射 电子所占的份额多。
9. 背散射电子的产生范围在1000 Å到1 μm深。
由于背散射电子的产额随原子序数的增加而增 加，所以，利用背散射电子作为成像信号不仅能 分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，定 性地进行成分分析。
LaB6 filament
W filament
(2)电磁透镜（ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱlectromagnetic lens）
• 其作用是把电子枪的束斑逐渐聚焦缩小，使原来 直径约50μm的束斑缩小成一个只有数nm的细小 束斑。
• 扫描电子显微镜一般由三个聚光镜，前两个聚光 镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。
电子探针显微分析
电子探针显微分析
电子探针的应用范围越来越广，特别是 材料显微结构－工艺－性能关系的研究，电 子探针起了重要作用。电子探针显微分析有 以下几个特点：
1. 微区成分分析
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
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
2. 线分析 电子束沿一条分析线进行扫描 (或试样扫描)时，能获得元素含量 变化的线分布曲线。如果和试样形 貌像(二次电子像或背散射电子像) 对照分析,能直观地获得元素在不同 相或区域内的分布。
电子探针显微分析
下图给出BaF2晶界线扫描分析的例子，图(a)为BaF2晶界的 形貌像和线扫描分析的位置，图(b)为O和Ba元素沿图(a)直 线位置上的分布，可见在晶界上有O的偏聚。
方向转过 2 θ角，从而使探测器窗口随时指向分光晶体中 心。 在谱仪中上述三者必须满足的几何关系是：
罗兰圆几何
L R
示意图
S：样品 C：分光晶体
D：探测器
R：罗兰圆半径 L：S至C距离
据图中几何关系，可解：
L=2Rsinθ 代入布拉格公式(nλ=2d sinθ)： 则：L=n Rλ/ d 由于n、R、d均为常数，所以当改变L值时，也就 改变了分光晶体的衍射角度，即改变了波长λ。
定量分析的基本原理
电子探针显微分析
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:
(二)放大：
通过场效应晶体管前置放大器的电脉冲信号再通过 主放大器进一步放大，然后将不同高度的电脉冲信号送 入“多道脉冲分析器”。 (三)显示： 1.在终端显示器上可以显示各元素有关谱线(K，L， M系)的位置及各谱线累积计数的过程。根据峰的位置可 直接定性(每个元素的每个线系均有固定位置)；峰的强 度为定量依据。 2.计数机根据“多道脉冲分析器”中的各元素的脉 冲计数，计算出样品中各元素的Wt%，由计算机打印， 同时显示器显示。
扫描电子显微分析与电子探针演示文稿
扫描电子显微分析与电子探针演示文稿一、介绍电子显微分析技术是通过对物质进行扫描和分析，利用扫描电子显微镜和电子探针来获取材料的化学成分、晶体结构和显微结构等信息。
本文将介绍扫描电子显微分析和电子探针的原理、应用和相关技术。
二、扫描电子显微分析原理1.高能电子入射2.电子-物质相互作用当高能电子束与样品表面相互作用时，会产生多种次级电子、散射电子和反冲电子等。
通过检测和分析这些次级电子，可以推断出材料的表面形态、原子分布等信息。
3.映射制图三、电子探针电子探针是在扫描电子显微镜上配备的一个仪器，用于对样品进行微区分析，可以获得样品的化学成分、晶体结构和显微结构等信息。
1.材料组成分析电子探针可以通过扫描样品表面并测量X射线谱来确定样品的化学成分。
当高能电子束与样品相互作用时，会产生特定能量的X射线，通过测量和分析这些X射线的能量和强度，可以准确地确定样品中元素的类型和含量。
2.显微区结构分析电子探针还具有高空间分辨率，可以在显微区域内对样品的晶体结构进行分析。
利用电子束的扫描和集线系统结构，研究者可以选择一个很小的区域进行分析，从而得到显微区的晶体结构信息。
四、应用领域1.材料科学在材料科学中，扫描电子显微分析和电子探针技术可用于分析和表征各种材料的组成、晶体结构和显微结构，如金属材料、陶瓷材料、复合材料等。
这些信息有助于研究者了解材料的性能和性质。
2.地质学3.生物学五、技术发展1.分辨率的提高新一代的扫描电子显微镜和电子探针仪器分辨率更高，可实现更高精度的成分分析和显微观察。
例如，现在的仪器可以实现亚纳米级别的空间分辨率。
2.信号检测和处理技术的改进通过改进信号检测和处理技术，使得扫描电子显微分析和电子探针技术对噪声和干扰信号的抑制能力更强，从而提高了数据的准确性和可靠性。
六、总结扫描电子显微分析和电子探针技术是现代材料科学研究中不可或缺的工具。
它们在分析样品的化学成分、晶体结构和显微结构等方面具有重要作用，广泛应用于材料科学、地质学和生物学等领域。
电子探针显微分析-课件
B、若电子束位置不变，改变晶体的位置，使(hkl) 晶面与入射X射线交角为θ2，并相应地改变检测器 的位置，就可以检测到波长为：
λ2= 2d sinθ2 的X射线。如此连续地操作，即可进行该定点的元 素全分析。若将发生某一元素特征X射线的入射角 θ固定，对样品进行微区扫描，即可得到某一元素 的线分布或面分布图像。
波谱仪有旋转式波谱仪和直进式波谱仪。 1)旋转式波谱仪
旋转式波谱仪虽然结构简单，但有三个缺点： a)其出射角φ是变化的，若φ2 ＜φ1，则出射
角为φ2的X射线穿透路程比较长，其强度就 低，计算时须增加修正系数，比较麻烦； b) X射线出射线出射窗口要设计得很大； c)出射角φ越小，X射线接受效率越低。
电子探针是目前微区元素定量分析最准 确的仪器。电子探针的检测极限(能检测到 的元素最低浓度)一般为（0.01－0.05）%， 不同测量条件和不同元素有不同的检测极限， 主元素定量分析的相对误差为(1—3)%，对 原子序数大于11的元素，含量在10% 以上 的时，其相对误差通常小于2%。
4. 不损坏试样、分析速度快
WDS 4Be－92U 慢 高（≈5eV） 10-2 (%)
定量分析准确度
高
X射线收集效率
低
峰背比（WDS/EDS） 10
EDS 4Be－92U 快 低（130 eV） 10-1 (%)
低 高 1
五、电子探针仪的实验方法
1、电子探针仪的操作特点 总的来说，除了与检测X射线信号有关的部件以
外，电子探针仪的总体结构与扫描电镜十分相似。 但两者的侧重点不同，因此这两种仪器对电子束的 入射角和电流强度的要求不同。
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。
电子探针扫描电镜显微分析
第八章 电子探针、扫描电镜显微分析中国科学院上海硅酸盐所李香庭1 概论1.1 概述电子探针是电子探针X射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA(Electron probe X-ray microanalyser)，扫描电子显微境英文缩写为SEM（Scanning Electron Microscope）。
这两种仪器是分别发展起来的，但现在的EPMA都具有SEM的图像观察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。
特别是现代能谱仪，英文缩写为EDS（Energy Dispersive Spectrometer）与SEM组合，不但可以进行较准确的成分分析，而且一般都具有很强的图像分析和图像处理功能。
由于EDS分析速度快等特点，现在EPMA通常也与EDS组合。
虽然EDS的定量分析准确度和检测极限都不如EPMA的波谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer ，缩写为WDS）高，但完全可以满足一般样品的成分分析要求。
由于EPMA与SEM设计的初衷不同，所以二者还有一定差别，例如SEM以观察样品形貌特征为主，电子光学系统的设计注重图像质量，图像的分辨率高、景深大。
现在钨灯丝SEM的二次电子像分辨率可达3nm，场发射SEM二次电子像分辨率可达1nm。
由于SEM一般不安装WDS，所以真空腔体小，腔体可以保持较高真空度；另外，图像观察所使用的电子束电流小，电子光路及光阑等不易污染，使图像质量较长时间保持良好的状态。
EPMA一般以成分分析为主，必须有WDS进行元素成分分析，真空腔体大，成分分析时电子束电流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，需经常清洗光路和光阑，通常EPMA二次电子像分辨率为6nm。
EPMA附有光学显微镜，用于直接观察和寻找样品分析点，使样品分析点处于聚焦园（罗兰园）上，以保证成分定量分析的准确度。
EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的样品表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与样品相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。
电子探针显微分析仪
电子探针显微分析仪EPMA采用电子束激发样品表面，通过测量激发的X射线能谱及其强度来定性和定量分析样品的成分。
其工作原理是，加速电子束打击样品，激发样品表面原子产生X射线。
根据不同元素特征的X射线能谱，可以确定样品的成分。
而激发的X射线强度与样品中元素的含量成正比关系，可以定量分析样品中各元素的含量。
EPMA具有诸多优势。
首先，它具有较高的分辨率，在纳米级别的样品表面也可以进行分析。
其次，它可以同时测量多种元素的含量和位置信息，有利于对样品进行全面的成分分析。
此外，EPMA拥有较宽的能谱范围，可以检测从低原子序数轻元素到高原子序数重元素的X射线谱线，适用于各种物质的分析。
最后，EPMA具有较高的灵敏度和准确性，可以进行微量元素的检测和定量分析。
EPMA被广泛应用于材料科学、地球科学、生命科学等领域的研究。
在材料科学中，EPMA可以用于分析金属、合金、陶瓷、涂层、纤维等材料的成分和晶格结构，有助于揭示材料的性能和工艺参数。
在地球科学中，EPMA可以用于研究岩石、矿石、矿物等的成分和成因，有助于研究地质演化和资源勘探。
在生命科学中，EPMA可以用于分析生物样品中的元素组成，揭示生物体的生化过程和代谢规律。
EPMA的使用步骤一般包括样品制备、样品安装、参数设置、扫描分析和结果处理等。
首先，样品需要制备成薄片或切片，并进行必要的磨削和抛光处理，以获得平滑的表面。
然后，样品被安装在EPMA的样品台上，并进行真空抽气，以避免电子束与气体相互作用而产生误差。
接下来，需要设置分析参数，例如选择加速电压、电流和探测器等。
然后，电子束被瞄准到样品表面，并进行扫描分析。
最后，获得的数据可以通过特殊软件进行处理和分析，得到样品的成分和含量信息。
总之，电子探针显微分析仪是一种重要的材料分析仪器，具有高分辨率、全面性、灵敏度和准确性等特点。
它在材料科学、地球科学和生命科学等领域的研究中起着重要的作用，可以揭示材料的元素成分、微结构和化学状态，为科学研究和工程应用提供有力支持。
扫描电子显微镜（SEM）和电子探针显微分析装置（EPMA）
扫描电⼦显微镜（SEM）和电⼦探针显微分析装置（EPMA）扫描电⼦显微镜和电⼦探针显微分析仪基本原理相同，但很多⼈分不清其差异，实际上需要使⽤电⼦探针领域⽐较少，⽽扫描电镜相对普遍。
扫描电⼦显微镜（SEM），主要⽤于固体物质表⾯电⼦显微⾼分辨成像，接配电⼦显微分析附件，可做相应的特征信号分析。
最常⽤的分析信号是聚焦电⼦束和样品相互作⽤区发射出的元素特征X-射线，可⽤EDS（X-射线能谱仪）或者WDS（X-射线波谱仪）进⾏探测分析，获得微区（作⽤区）元素成分信息，⽽WDS这个电⼦显微分析附件却来源于EPMA。
另外⼀个重要信号是背散射电⼦（Bse），其中⾼能Bse还可作为晶体衍射信号,使⽤EBSD装置获取微区晶体结构取向信息，EBSD⾃1990年代发展以来，近20年应⽤发展迅速。
扫描电镜及扫描电⼦显微分析附件（EDS、WDS、EBSD）SEM作为⼀个电⼦显微分析平台，分析附件可根据⽤户需要来选配，有需要这个的，有需要那个的，因此扫描电镜结构种类具有多样性，从tiny、small、little style，to middle、large、huge style.就EDS或WDS分析技术来讲，在SEM上使⽤，基本上使⽤⽆标样分析，获得电⼦束样品作⽤区内相对粗糙的半定量结果，因此SEM配置EDS⾮常普遍，⽽配置WDS⽐较少，其中EDS可以探测到微量元素的存在，WDS可以获得痕量元素的存在。
商品化EPMA产⽣于1955年左右，⽐SEM商品化提前10年，其主要⽬的是要精确获得微⽶尺度晶粒或颗粒的成分信息，利⽤电⼦束样品作⽤区发射的特征X射线，使⽤探测分析⼿段是WDS，⼀般配置4道WDS，中⼼对称布置在电⼦束周围，基于此标配，EPMA结构⽐较单⼀，各品牌型号结构差距不⼤。
电⼦探针显微分析装置EPMA结构原理电⼦探针显微分析系统EPMAEMPA主要追求微区化学定量结果精准，因此电⼦光学分辨率设计相对宽松，电⼦显微分析对汇聚束束电流要求较⼤，束斑较粗。
电子探针显微分析
氟化锂
石英
LiF
SiO2
200
10-11
2.013
3.34
Kα系：Ca20 ~ Rb37 Lα系：Sb51 ~ U92
Kα系：S16 ~ Cu29 Lα系：Nb41 ~ W74 Mα系：Hg80 ~ U92 Kα系：Si14 ~ Fe26 Lα系：Rb37 ~ Dy66 Mα系：Hf72 ~ U92
元素分析范围：
从Mg12到U92元素
样品要求：
1） 样品不需要破坏，可以多次使用。 2） 化学分析的结果是样品成分的平均值，而电子探针分析 的是某一微区内的成分，区域范围内为微米数量级。 电子探针和扫描电镜具有相似结构。电子探针是以成分 分析精度高为其特点，显微像观察作为辅助手段使用的。 微区成分分析和高分辨显微像工作参数比较 工作内容 微区成分分析 高分辨显微像 束流(安培) 10-7～10-8 10-11～10-12 束直径(微米) 0.1~1 0.005~0.01
电子探针分为三个部分：
a) 电子光学系统 b) 样品室 c) 信号检测系统
a) 电子光学系统
这个系统为电子探针提供足够高的入射能量、足够大的束流 和在样品表面轰击点处尽可能小的束斑直径的电子探针束。 入射电子的能量取决于电子枪的加速电压，一般为30～ 50kV。电子探针采用较大的入射电流是为了提高X射线的信号强 度。
2）回转式波谱仪
原理： 聚焦圆的圆心不能移动，分光晶体和检测器在聚焦圆的 圆周上以1:2的角速度运动，以保证满足Bragg方程。 回转式波谱仪的特点： 结构简单，但出射方向 改变很大，在表面不平度很 大的情况下，由于X射线在 样品内行进的路线不同，往 往会因为吸收条件变化而造 成分析上的误差。
电子探针显微分析
E
+
FWHM
2 noise
K为常数 E为谱线能量
16
不同分辨率的BN谱图
试样：BN (C、O），加速电压：3kV
125eV
130eV
140eV
17
2、超薄窗及无窗探头的应用
（1）有机膜超薄窗对低能量（1keV）X 射线也有较高的透过率，所以可分析轻 元素。以前Be窗口元素分析范围为11Na －92U，现在一般都用有机膜超薄窗口， 分析元素可从4Be－92U。
18
(2)无窗探头的应用
无窗探头可以检测LiKα（56eV）、重元素的L线
和M线的X射线强度提高，特别是轻元素X射线强度成 倍提高。适合于轻元素和低加速电压的元素分析。
Improvement in sensitivity of windowless design vs conventional thin window detector for selected X-ray lines
• 电子探针仪镜筒部分的构造大体上和 扫描电子显微镜相同，只是其检测器 部分使用的是X射线谱仪，专门用来检 测X射线的特征波长或特征能量，以此 来对微区的化学成分进行分析。因此 除专门的电子探针仪外，有相当一部 分电子探针仪是作为附件安装在扫描 电镜或透射电镜镜筒上，以满足微区 组织形貌、晶体结构及化学成分三位 一体同位分析的需要。
电子探针仪的结构与工作原理
• 电子探针仪的结构示意图。由图可知，电 子探针的镜筒及样品室和扫描电镜并无本 质上的差别，因此要使一台仪器兼有形貌 分析和成分分析两个方面的功能，往往把 扫描电子显微镜和电子探针组合在一起。
• 电子探针的信号检测系统是X射线谱仪，用 来测定特征波长的谱仪叫做波长分散谱仪 (WDS)或波谱仪。用来测定X射线特征能量 的谱仪叫做能量分散谱仪(EDS)或能谱仪
材料科学中的电子分析技术
材料科学中的电子分析技术材料科学是研究材料性质和行为的一门学科，通过研究材料的结构、组织和性能，旨在为材料设计、制备和应用提供科学依据。
电子分析技术是材料科学中非常重要的分析手段之一，它通过利用电子的性质和与物质相互作用的方式，可以对材料进行详细的分析和表征，从而揭示材料的微观结构和相关性质。
电子分析技术主要包括电子显微镜、电子能谱、电子探针等。
一、电子显微镜（electron microscopy）是一种利用电子束代替可见光进行显微观察的技术。
传统的光学显微镜对于材料的观察有很大的限制，特别是在分辨率方面。
而电子显微镜具有更高的分辨率，可以观察到更小的细节。
电子显微镜分为透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）两种。
透射电子显微镜通过透射电子束对样品进行扫描，可以获得样品的详细结构信息，如原子排列、晶体结构等。
透射电子显微镜具有高分辨率和高放大倍数，可以观察到纳米级甚至更小的细节。
透射电子显微镜在研究纳米材料、纳米器件和生物样品等领域有广泛的应用。
扫描电子显微镜通过电子束与样品相互作用产生的电子和光子信号来观察和分析样品表面的形貌、组成和性质。
扫描电子显微镜具有较高的表面分辨率，可以观察到样品表面的微小特征。
扫描电子显微镜广泛应用于材料科学研究和工业生产中，如金属材料的表面形貌观察、纳米颗粒的形貌分析等。
二、电子能谱（electron spectroscopy）是一种利用电子与物质相互作用的方式来分析材料成分和性质的技术。
电子能谱可以分为电子能量捕获能谱（Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）和X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）两种。
电子能量捕获能谱通过测量电子束与样品相互作用后能量的损失来分析样品的电子结构和成分。
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• 下图给出ZnO-Bi2O3陶瓷试样烧结自然表面的面分布分析结果，可以 看出Bi在晶界上有严重偏聚。
• ZnO-Bi2O3陶瓷烧结表面的面分布成分分析 (a)形貌像；(b)Bi元素的X射线面分布像
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表22-1 几种类型电子枪性能比较
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2．偏转系统
• 作用：使电子束产生横向偏转，包括用于形成光栅状扫描的扫描系统 ，以及使样品上的电子束间断性消隐或截断的偏转系统。
• 偏转系统可以采用横向静电场，也可采用横向磁场。
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3．信号检测放大系统
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第一节 扫描电子显微镜工作原理及构造
• 一、工作原理
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图22-1 扫描电子显微镜原理示意图
二、构造与主要性能
• 扫描电子显微镜由电子光学系统(镜筒)、偏转系统、信号检测放大系 统、图像显示和记录系统、电源系统和真空系统等部分组成
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1．电子光学系统
• 由电子抢、电磁聚光镜、光栏、样品室等部件组成。 • 作用：获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。
• 作用：收集(探测)样品在入射电子束作用下产生的各种物理信号，并 进行放大。
• 不同的物理信号，要用不同类型的收集系统。 • 闪烁计数器是最常用的一种信号检测器，它由闪烁体、光导管、光电
倍增管组成。具有低噪声、宽频带(10Hz~1MHz)、高增益(106)等特 点，可用来检测二次电子、背散射电子等信号。
• (3)谱线重复性好。由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没有聚焦 要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，适合于比较 粗糙表面的分析工作。
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能谱仪的缺点：
• (1)能量分辨率低，峰背比低。由于能谱仪的探头直接对着样品，所 以由背散射电子或X射线所激发产生的荧光X射线信号也被同时检测 到，从而使得Si(Li)检测器检测到的特征谱线在强度提高的同时，背 底也相应提高，谱线的重叠现象严重。故仪器分辨不同能量特征X射 线的能力变差。能谱仪的能量分辨率(130eV)比波谱仪的能量分辨率 (5eV)低。
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表22-2 扫描电子显微镜景深
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第二节 像衬原理与应用
• 一、像衬原理 • 像的衬度就是像的各部分(即各像元)强度相对于其平均强度的变化。 • SEM可以通过样品上方的电子检测器检测到具有不同能量的信号电子
有背散射电子、二次电子、吸收电子、俄歇电子等。
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向测定）
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第三节 电子探针X射线显微分析（EPMA）
• EPMA的构造与SEM大体相似，只是增加了接收记录X射线的谱仪。 • EPMA使用的X射线谱仪有波谱仪和能谱仪两类。
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图22-17 电子探针结构示意图
一、能谱仪
• 能谱仪全称为能量分散谱仪(EDS)． • 目前最常用的是Si(Li)X射线能谱仪，其关键部件是Si(Li)检测器，即
1．二次电子像衬度及特点
• 二次电子信号主要来自样品表层5~10nm深度范围，能量较低(小于 50eV)。
• 影响二次电子产额的因素主要有： • (1)二次电子能谱特性； • (2)入射电子的能量； • (3)材料的原子序数； • (4)样品倾斜角。
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二次电子像的衬度可以分为以下几类：
• （1）分辩率低 • （2）背散射电子检测效率低，衬度小 • （3）主要反应原子序数衬度
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二次电子运动轨迹
背散射电子运动轨迹
图10-7 二次电子和背散射电子的运动轨迹
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二、应用
• 1．断口形貌观察 • 2．显微组织观察 • 3．其它应用（背散射电子衍射花样、电子通道花样等用于晶体学取
ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相与基体的定点分析(图中数字为Y2O3mol%)
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• 下 线图扫给描出分B析a的F2位晶置界，线图扫(描b)分为析O和的B例a子元，素图沿(图a)(为a)B直a线F2位晶置界上的的形分貌布像，和 可见在晶界上有O的偏聚。
BaF2晶界的线扫描分析 (a)形貌像及扫描线位置；(b)O及Ba元素在扫描线位置上的分布
• 三是面扫描分析，即电子束在样品表面作光栅式面扫描，以特定元素 的X射线的信号强度调制阴极射线管荧光屏的亮度，获得该元素质量 分数分布的扫描图像。
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• 下 出 合图相的给（。t出相了）ZYr2OO2(3Y含2量O3低)陶，瓷而析基出体相(c与相基)Y体2O定3含点量成高分，分这析和结相果图，是可相见符析
出来的，如果这个体积中的样品是由多种元素组成，则可激发出各个 相应元素的特征X射线。 • 被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光(色散)， 即不同波长的X射线将在各自满足布拉格方程的2方向上被(与分光晶 体以2:1的角速度同步转动的)检测器接收。
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波谱仪的特点：
• 波谱仪的突出优点是波长分辨率很高。如它可将波长十分接近的 V清K晰(地0.2分28开43。4nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根谱线
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4．图像显示和记录系统
• 作用：将信号检测放大系统输出的调制信号转换为能显示在阴极射线 管荧光屏上的图像，供观察或记录。
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5．电源系统
• 作用：为扫描电子显做镜各部分提供所需的电源。 • 由稳压、稳流及相应的安全保护电路组成
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பைடு நூலகம்
6．真空系统
• 作用：确保电子光学系统正常工作、防止样品污染、保证灯丝的工作 寿命等。
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能谱议和波谱仪的谱线比较
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(a)能谱曲线；(b)波谱曲线
电子探针分析的基本工作方式
• 一是定点分析，即对样品表面选定微区作定点的全谱扫描，进行定性 或半定量分析，并对其所含元素的质量分数进行定量分析；
• 二是线扫描分析，即电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素 质量分数的定性或半定量分析；
锂漂移硅固态检测器，它实际上是一个以Li为施主杂质的n-i-p型二极 管。
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图22-18 Si(Li)检测器探头结构示意图
• 以Si(Li)检测器为探头的能谱仪实际上是一整套复杂的电子学装 置。
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图10-19 Si(Li)X射线能谱仪
Si(Li)能谱仪的优点：
• (1)分析速度快 能谱仪可以同时接受和检测所有不同能量的X射线光 子信号，故可在几分钟内分析和确定样品中含有的所有元素，带铍窗 口的探测器可探测的元素范围为11Na~92U，20世纪80年代推向市场的 新型窗口材料可使能谱仪能够分析Be以上的轻元素，探测元素的范围 为4Be~92U。
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SEM的主要性能
• （1）放大倍数 • 可从20倍到20万倍连续调节。 • （2）分辨率 • 影响SEM图像分辨率的主要因素有： • ①扫描电子束斑直径 ； • ②入射电子束在样品中的扩展效应； • ③操作方式及其所用的调制信号； • ④信号噪音比； • ⑤杂散磁场； • ⑥机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。 • （3）景深 • SEM（二次电子像）的景深比光学显微镜的大，成像富有立体感。
• 但由于结构的特点，谱仪要想有足够的色散率，聚焦圆的半径就要足 够大，这时弯晶离X射线光源的距离就会变大，它对X射线光源所张 的立体角就会很小，因此对X射线光源发射的X射线光量子的收集率 也就会很低，致使X射线信号的利用率极低。
• 此外，由于经过晶体衍射后，强度损失很大，所以，波谱仪难以在低 束流和低激发强度下使用，这是波谱仪的两个缺点。
• (1)形貌衬度 • (2)成分衬度 • (3)电压衬度 • (4)磁衬度(第一类) 右图为形貌衬度原理
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二次电子像衬度的特点：
• （1）分辨率高 • （2）景深大，立体感强 • （3）主要反应形貌衬度。 • 什么是最小衬度？
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ZnO
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水泥浆体断口
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• (2)工作条件要求严格。Si(Li)探头必须始终保持在液氦冷却的低温状 态，即使是在不工作时也不能中断，否则晶体内Li的浓度分布状态就 会因扩散而变化，导致探头功能下降甚至完全被破坏。
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二、波谱仪
• 波谱仪全称为波长分散谱仪(WDS)。 • 在电子探针中，X射线是由样品表面以下m数量级的作用体积中激发
• (2)灵敏度高 X射线收集立体角大。由于能谱仪中Si(Li)探头可以放在 离发射源很近的地方(10㎝左右)，无需经过晶体衍射，信号强度几乎没 有损失，所以灵敏度高(可达104cps/nA，入射电子束单位强度所产生 的X射线计数率)。此外，能谱仪可在低入射电子束流(10-11A)条件下工 作，这有利于提高分析的空间分辨率。
2．背散射电子像衬度及特点
• 影响背散射电子产额的因素有： • (1)原子序数Z • (2)入射电子能量E0 • (3)样品倾斜角
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图22-6 背散射系数与原子序数的关系
背散射电子衬度有以下几类：
• (1)成分衬度 • (2)形貌衬度 • (3)磁衬度(第二类)
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背散射电子像的衬度特点：