电子探针显微分析-2016
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电子探针（EPMA）全名为电子探针X射线显微分析仪，又名微区X射线谱分析仪。
可对试样进行成分、形态、结构、物性等多方面的分析。
除H、He、Li、Be等几个较轻元素外，都可进行定性和定量分析。
工作原理：是将试样置于显微镜下，选定分析位置，利用经过加速和聚焦的极窄的电子束为探针，激发试样中某一微小区域，在直径为1um、体积为1um3区域内的不同元素受激发射出X射线,用波长色散X射线谱仪或能量色散X射线谱仪读出元素的特征X射线，根据特征X射线的强度与波长信息，进行元素的定性定量分析。
发展历史：从Castaing奠定电子探针分析技术的仪器、原理、实验和定量计算的基础以来，电子探针分析(EPMA)作为一种微束、微区分析技术在50~60年代蓬勃发展，至70年代中期已比较成熟；促进了地学中地质年代学研究项目的深入，在矿物学、岩石学、矿床学、微古生物学、普查找矿等方面起了非常巨大的作用, 在许多重大地质成果中都发挥了重要作用。
特点：EPMA技术具有高空间分辨率(约1μm ) 检出限可低至10-14～10-15克、简便快速、精度高、分析元素范围广( 4Be ～92U)、不破坏样品属非破坏性分析。
在矿物研究工作中既能微观观察，同时又能分析微区成分。
运用前景：电子探针在分析鉴定微矿物、微成分方面，有着广阔的应用前景，主要用于岩石矿物的深度分析，如与薄片鉴定结合，检测未知矿物及难辨矿物——片钠铝石、钠沸石、皂石等。
与阴极发光显微镜相结合，可揭示矿物的发光机制。
与扫描电镜配合，可精确测定扫描电镜下的各种粘土矿物及未知矿物，使形态观察与成分分析密切联系。
还可与X衍射分析结合，详细测定各种矿物，包括混层粘土矿物的成分等等。
电子探针的运用如今，电子探针已广泛运用于地学研究中的许多领域，如：测定地质体年龄、鉴定矿物、研究系列矿物、固溶体分离矿物、矿物环带结构、矿物蚀变晕、构造分析等。
1．电子探针化学测年电子探针化学定年方法最早是由日本Suzuki等(1991a)提出的,他们对日本的变质岩、花岗岩、沉积岩中的独居石、锆石等矿物的U,Th,Pb 含量进行测量计算,并与放射性元素(Th,U)衰变理论相结合,形成独特的电子探针化学测年技术,解决了许多地质问题, 此技术的应用立即引起了世界许多地质工作者的极大兴趣。
实验六--电子探针结构原理及分析方法
实验六电子探针结构原理及分析方法一、实验内容及实验目的1.结合电子探针仪实物，介绍其结构特点和工作原理，加深对电子探针的了解。
2.选用合适的样品，通过实际操作演示，以了解电子探针分析方法及其应用。
二、电子探针的结构特点及原理]电子探针X射线显微分析仪(简称电子探针)利用约1|im的细聚焦电子束，在样品表层微区内激发元素的特征X射线，根据特征X射线的波长和强度，进行微区化学成分定性或定量分析。
电子探针的光学系统、真空系统等部分与扫描电镜基本相同，通常也配有二次电子和背散射电子信号检测器，同时兼有组织形貌和微区成分分析两方面的功能。
电子探针的构成除了与扫描电镜结构相似的主机系统以外，还主要包括分光系统、检测系统等部分。
本实验这部分内容将参照教材，并结合实验室现有的电子探针，简要介绍与X射线信号检测有关部分的结构和原理。
三、电子探针的分析方法电子探针有三种基本工作方式：点分析用于选定点的全谱定性分析或定量分析、以及对其中所含元素进行定量分析；线分析用于显示元素沿选定直线方向上的浓度变化；面分析用于观察元素在选定微区内的浓度分布。
1.实验条件(1)样品：样品表面要求平整，必须进行抛光；样品应具有良好的导电性，对于不导电的样品，表面需喷镀一层不含分析元素的薄膜。
实验时要准确调整样品的高度，使样品分析表面位于分光谱仪聚焦圆的圆周上。
(2)加速电压：电子探针电子枪的加速电压一般为3~50kV，分析过程中加速电压的选择，应考虑待分析元素及其谱线的类别。
原则上加速电压一定要大于被分析元素的临界激发电压，一般选择加速电压为分析元素临界激发电压的2~3倍。
若加速电压选择过高，导致电子束在样品深度方向和侧向的扩展增加，使X射线激发体积增大，空间分辨率下降。
同时过高的加速电压将使背底强度增大，影响微量元素的分析精度。
(3)电子束流：特征X射线的强度与入射电子束流成线性关系。
为提高X射线信号强度，电子探针必须使用较大的入射电子束流，特别是在分析微量元素或轻元素时，更需选择大的束流，以提高分析灵敏度。
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x射线显微分析
• 它可检测微米级区域的成分含量。原子序 数从4～92的所有元素均可分析检出。检测 的最小含量为万分之一，波谱仪的分辨率高 于能谱仪。
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VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和 CrK2(0.229351nm)3根谱线清晰地分开。
但由于结构的特点，波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。
X射线显微分析
X射线能谱仪（EDS） X射线波谱仪（WDS） EDS与 WDS间的比较 X射线显微分析在材料科学研究中的应用
X射线能谱仪（EDS）
它时扫描电镜的重要附件之一，利用它可以对 试样进行元素定性、半定量和定量分析。其特 点是探测效率高，可同时分析多种元素。
工作原理
从试样中产生的X射线被Si(Li)半导体检测，得到 电荷脉冲信号经前置放大器和主放大器转换放大得到 X射线能量成正比的电压脉冲信号厚，送到脉冲处理 器进一步放大再经模数转换器转换成数字信号输出。
(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。
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。
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。
电子探针X射线显微分析(EPMA)
电解抛光原理示意图
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EBSD试样制备——离子束抛光
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样品
切割面
挡板 离子束
70
71/56
用途—截面抛光
用途—多相材料
C
W
金刚石复合材料
Si
Cr
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用途—大面积抛光
No Etch
Etch 10 min.
Etch 30 min.
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铝合金
机械抛光条件：硅溶胶；5kV，5h
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EBSD标定率：75.9%
上图所示为：镶嵌后的样品在 振动抛光机上的实际工作状态
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EBSD试样制备——电解抛光
• 优点：样品表面无变形层 • 缺点： • 并不适合于所有金属，特别是双相或多相合金 • 抛光不均匀或者形成凹坑或浮凸 • 比较难找到合适的抛光工艺参数 • 电解液污染和有毒，不易存储，对于不同材料需要配制不
同电解液。电解液的通用性差，使用寿命短和强腐蚀性。
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特点
1)对晶体结构分析的精度已使EBSD技术成为一种继X光衍射和 电子衍射后的一种微区物相鉴定新方法; (2)晶体取向分析功能使EBSD技术已成为一种标准的微区织构 分析技术; (3) EBSD方法所具有的高速(每秒钟可测定100个点)分析的特点 及在样品上自动线、面分布采集数据点的特点已使该技术在晶 体结构及取向分析上既具有透射电镜方法的微区分析的特点又 具有X光衍射(或中子衍射)对大面积样品区域进行统计分析的 特点; (4)进行EBSD分析所需的样品制备相对于TEM样品而言大大简 化。
=25 µm ;M ap4;S tep=0.7 µm ;G rid200x200
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Grain size analysis
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。
电子探针分析.ppt
(2) 线扫描分折
• 通常将电子束扫描线，特征X射线强度分布曲线重叠于二次电 子图象之上可以更加直观地表明元素含量分布与形貌、结构 之间的关系（参见图8-31）。
P
Ti Ca
(3) 面扫描分析
• 聚焦电子束在试样上作二维光栅扫描，X射线谱仪 处于能探测某一元素特征X射线状态，用谱仪输出 的脉冲信号调制同步扫描的显像管亮度，在荧光 屏上得到由许多亮点组成的图像，称为X射线扫描 像或元素面分布图像。
• 能谱仪虽然在分析元素范围、探测极限、分辨率等 方面不如波谱仪，但其分析速度快，可用较小的束 流和微细的电子束，对试样表面要求不如波谱仪那 样严格，因此特别适合于与扫描电子显微镜配合使 用。
• 目前扫描电镜与电子探针仪可同时配用能谱仪和波 谱仪，构成扫描电镜-波谱仪-能谱仪系统，使两种 谱仪优势互补，是非常有效的材料研究工具。
• 试样每产生一个X光子，探测器输出一个脉冲，显 像管荧光屏上就产生一个亮点。若试样上某区域 该元素含量多，荧光屏图像上相应区域的亮点就 密集。根据图像上亮点的疏密和分布，可确定该 元素在试样中分布情况。
• 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。
1、波谱仪（WDS）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
分光和探测原理
• X射线的分光和探测原理: • 如果我们把分光晶体作适当地弹性弯曲，
并使射线源、弯曲晶体表面和检测器窗口 位于同一个圆周上，这样就可以达到把衍 射束聚焦的目的。 • 此时，整个分光晶体只收集一种波长的X射 线，使这种单色X射线的衍射强度大大提高。
2波谱仪和能谱仪的比较量子效率改变301002515kev瞬时接收范围围谱仪能分辨的范围围50000cps全部有用能量范围最大记数速率在一条谱线上与分辨率有关使在全谱范围内得到最佳分辨时2000cps??5分析精度浓度10z10?15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典型数据收集时间?10min23min谱失真谱失真少少主要包括
电子探针分析
若特征X射线检测器 的波长设置在某一数值 (对应某一元素)，在电子 束扫描过程中，根据不 同微区发射该波长信号 的强弱，可以得出该种 元素的分布。
➊WDS
通过衍射分光原理，测量X射线的波长 分散（分布）及强度，这种方法称波 长分散射谱仪，简称：
Wavelength Dispersive Spectrometer
显然，对波长为0.05-10nm的特 征X射线，需要使用几块晶面间距 为0.1-5nm的晶体展谱，常用的晶体 有LiF、石英等。 波谱仪分辨率较高，适宜作元 素定量分析。但由于X射线利用率 低，分析速度慢，作一次元素的全 分析的时间需半个小时以上。
能谱仪的关键部件是Li漂移检 测器，习惯上称Si(Li)检测器，它是 一个特殊的半导体二极管，以Si(Li) 检测器作探头的能谱仪，实际上是 一整套复杂的电子装置。检测器输 出的电压脉冲讯号经场效应晶体管 放大后被馈送到单道或多道脉冲分 析器中按高度进行分类。然后由计 算机处理后分别显示记录。这样，
epma的分析方法微区定量分析根据定性分析结果确定定量分析元素的种类并制备各待测元素的纯元素标准试样然后先在分析试样的选定区域测量所含各元素特征x射线的强度i同样条件下测量各纯元素标准试样的特征x射线的强度i在一个微小区域内制备极均匀和极纯的标样是非常困难的待测元素x射线强度与该元素标准试样的x射线强度之比计算各元素的第一次近似重量百分浓度
例
某Ni-Co矿粒采用电子束分析,用标 准黄铁矿(其中含Fe：46.6%，S：53.4%) 作为测定样品中铁和硫的标准，再以纯 Ni和纯Co作为测定样品中Ni和Co的标 准特征X射线用Fe-Kα，S-Kα，Ni-Kα， Co-Kα，强度测量结果如下(已扣除本 底)。
IFe=10656计数/30秒 IS=158788计数/30秒 INi=71516计数/30秒 INi=71516计数/30秒 ICo=44870计数/30秒
扫描电子显微镜与电子探针显微分析课件
1．电子光学系统
•
扫描电子显微镜与电子探针显微分析
(1)电子枪 （electron gun）
• 其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能 量的电子束。
• 扫描电子显微镜电子枪与透射电子显微镜的电子 枪相似，只是加速电压比透射电子显微镜的低。
扫描电子显微镜与电子探针显微分析
(2)电磁透镜 （electromagnetic lens）
• 特征X射线是原子的内层电子受到激发以后，在能 级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的 一种电磁波辐射。
• 入射电子与核外电子作用，产生非弹性散射，外 层电子脱离原子变成二次电子，使原于处于能量 较高的激发状态，它是一种不稳定态。较外层的 电子会迅速填补内层电子空位，使原子降低能量， 趋于较稳定的状态。
扫描电子显微镜与电子探针显微分析
电子束与固体样品相互作用时产生 的物理信号
扫描电子显微镜与电子探针显微分析
一、背散射电子 （backscattering electron）
• 背散射电于是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分 入射电子。
• 其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。 • 弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大
第八章 扫描电子显微镜与电子 探针显微分析
扫描电子显微镜与电子探针显微分析
序
• 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope， 简称SEM）是继透射电镜（TEM）之后发展起来的一种 电子显微镜
• 扫描电子显微镜的成像原理和光学显微镜或透射电子 显微镜不同，它是以电子束作为照明源，把聚焦得很 细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，产生各 种与试样性质有关的信息，然后加以收集和处理从而 获得微观形貌放大像。
电子探针显微镜技术的应用
电子探针显微镜技术的应用电子探针显微镜技术是一种能够观察物质微观结构的高级显微技术。
它利用电子束与物质的相互作用来实现高分辨率成像和表征。
电子探针显微镜技术的应用非常广泛。
在材料科学、生命科学、化学、物理学、纳米科学等领域都有广泛的应用。
本文将介绍电子探针显微镜技术的基本原理和应用领域。
基本原理电子探针显微镜技术的基本原理是利用电子束与物质的相互作用来产生图像。
电子束在经过样品后，会受到样品内部的电子、光子、声子等相互作用而产生多种信号。
这些信号包括散射电子、透射电子、能量损失电子、辐射等。
不同信号的量和种类取决于样品的组成和结构。
散射电子是电子束与物质内部原子之间相互作用后发生的散射现象。
当电子束在样品表面散射时，会引起在样品表面生成散射电子成像。
因此，散射电子也可用于观察表面形貌和成分分布。
透射电子是电子束透过样品后，未被散射的电子。
它们可以用来探测样品内部的结构和成分。
能量损失电子是电子束在样品内部与物质原子相互作用后，失去能量的电子。
通过测量能量损失电子的能量损失，可以获得样品内部的元素成分信息。
电子探针显微镜技术的原理非常复杂。
但是，在实际应用中，只需要根据不同的应用需求选择适当的信号就可以了。
应用领域电子探针显微镜技术的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1. 材料科学：电子探针显微镜技术是研究材料中成分、微观结构和性能的重要手段。
它可以用于观察材料中的原子排布、晶体结构、纳米尺度的缺陷和界面等特征。
利用这些信息，可以预测与调控材料的性能，并且设计新的材料。
2. 生命科学：电子探针显微镜技术可以用于观察生物样品中的微观结构，如细胞和细胞器。
特别是透射电子显微镜，可以用来观察蛋白质、核酸等生物分子的结构与功能。
随着技术的不断发展，这种技术可以被用作生物立体成像，有助于深入了解细胞和生物分子的功能机制。
3. 化学：电子探针显微镜技术在化学领域的应用也越来越广泛。
它可以用来观察化学反应的微观机制，研究化学反应的动力学过程，预测化学反应的性能，开发新型催化剂等。
第三章 电子探针分析方法
第三章 电子探针分析方法第一节 方法原理 一、信息的产生及其特征二、图谱形成及分辨率三、定量分析四、定性分析第二节 仪器描述 一、仪器组成二、X射线谱仪－波谱仪三、能量色散谱仪四、能量分析仪－多道脉冲波高分析仪五、处理、显示系统第三节 应用示例一、成分分析二、状态分析¾信息的特征性本方法是基于聚焦电子束对被测原子内壳层电子的非弹性散射后发生的辐射跃迁（产生特征X 射线），其能量是电子跃迁前后所处能级的差值，即有：第一节 方法原理一、信息产生及其特征EE E h ∆=−=终态初态ν电子的能级结构决定于原子，是特征的。
因此，辐射的波长或能量也是特征的，具有指纹性9探测器窗口对分析元素的限制X射线显微分析方法，由于X射线的接收是通过一个铍制的窗口，铍窗对X射线存在吸收，能量小于约1keV的X射线基本上被吸收而探测不到而Z小的元素本身的X射线产额很低，因此普通的铍窗口探测器只能探测原子序数Z≥11（钠）的元素为能分析低Z的元素，1980年代以来国际上开发了所谓的无窗口探测器和极薄窗口探测器，或用对低能X射线吸收小的材料（如BN薄膜）制备窗口，可以对Z≥5（硼）的元素进行定性定量分析9分析灵敏度与原子序数关系从各系谱线产额随Z而变化的规律可知，分析的灵敏度也是随原子序数Z 增加而提高：Z>22，灵敏度为100ppm；10<Z<22，灵敏度为1000ppm；5<Z<10，灵敏度为10000ppm（1%）9分辨率决定于谱线的半高宽（FWHM）由探测器测到的信号（光电过程，将X射线量子转变为电脉冲信号）服从高斯分布（非对称），形成高斯峰，其峰的FWHM即谱仪的分辨率，是谱仪性能的重要指标。
FWHM除决定于不同谱线系外，还决定于探测器的类型（即与仪器有关）¾方法特点与局限特点微区小，达1∼30µm3（5∼30keV加速电压、束斑1∼5µm条件下）灵敏度高，绝对灵敏度为10-15g无损测定简单快速，对多元组成试样可一次显谱（全谱）可进行点、线、面成分分布测定缺点与局限对轻元素不灵敏，一般Z≥11（Na），若用BN薄膜窗口，可分析到硼不适于作大面积内平均成分分析对长波段X射线，难以找到合适的分光晶体和较理想的X光探测器仪器较昂贵，结构较复杂二、图谱形成及分辨率¾图谱形成当入射电子束进入试样，即试样中所有元素的不同线系特征X射线都可能会被激发和发射为了对特定元素进行有效检测，就必须首先对各个不同波长（或能量）的特征X射线进行鉴别分析，即进行展谱━━波长展谱或能量展谱，然后对各种波长（能量）特征X射线分别进行计算测量，形成图谱波谱━━以波长为依据进行展谱(Wavelength Dispersion Spectroscopy )能谱━━以能量为依据进行展谱(Energy Dispersion Spectroscopy)图谱作为成分分析的基本功能（或主要参数）有：定性判据：波长（或能量）的特征性，通过展谱后进行分析定量分析：选定波长（或能量）的信息强度，通过计算测量得到一个X光量子hν入射到气体管，因其能量不同，可能电离的Ar+-e’对数目不同，则输出的脉冲高度不同。
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
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不同分辨率的BN谱图
试样：BN (C、O），加速电压：3kV
125eV
130eV
140eV
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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。
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(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
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θ2
试样
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
因为分光晶体的d值是已知的，根据分光晶体与入 射X射线的夹角θ就可求出特征X射线的波长λ。
l = 2d · sinq
如果将分光晶体固定为某一角度，即可探测某种 波长的特征X射线。
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
虽然平面单晶体可以把各
种不同波长的 X 射线分光展 开，但就收集单波长 X 射线 的效率来看是非常低的。 此外，在波谱仪中， X 射 线信号来自样品表层的一个 极小的体积，可将其看做点 光源，由此点光源发射的 X 射线是发散的，故能够到达 分光晶体表面的，只是其中 极小的一部分，信号很微弱。 因此，这种检测 X 射线的方 法必须改进。
聚焦电子束
分光晶体
θ1 试样 θ1
由聚焦电子束激发产生的特征 X 射线照射到分光晶体上，波长符合 布拉格方程的 X射线将产生衍射进 入探测器而被接收。转动分光晶体， 改变 θ 角，可以将不同波长的特征 X射线分开，同时改变探测器的位 置和方向，就可把不同波长的 X射 线探测并记录下来。
探测器
θ2
这种波谱仪结构比直进式波谱 仪结构更为简单，出射方向改变 很大，在表面不平度较大的情况 下，由于 X 射线在样品内行进路 线不同，往往会因吸收条件变化 而造成分析上的误差。
回转式波谱仪
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
分光晶体的检测范围
一块分光晶体只能把一定波长范围的 X 射线分开。 分光晶体能够分散的 X 射线的波长范围决定于其衍 射面的晶面间距d和分光晶体衍射面与入射Ｘ射线的 夹角θ的可变范围。
电子探针显微分析
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电子探针显微分析
2 X射线波长分散谱仪
波谱仪的基本概念
WDS：用来测定特定波长的谱仪
X射线波长分散谱仪实际上是 X射线分光光度计。 其作用是把试样在电子束的轰击下产生的特征 X 射 线按波长不同分开，并测定和记录各种特征 X 射线 的波长和强度。根据特征 X 射线的波长和强度即可 对试样的元素组成进行分析。
材料现代测试方法
电子探针显微分析
电子探针显微分析
吴艳 新材料技术研究院
1
• 电子探针（ Electron Probe Microanalysis-EPMA ）的
主要功能是进行微区成分分析。它是在电子光学和 X射
线光谱学原理的基础上发展起来的一种高效率分析仪器。 • 其原理是：用细聚焦电子束入射样品表面，激发出样品 元素的特征X射线，分析特征X射线的波长（或能量）可 知元素种类；分析特征X射线的强度可知元素的含量。 • 其镜筒部分构造和 SEM 相同，检测部分使用 X 射线谱仪，
电子探针的基本概念
电子探针就是利用聚焦电子束与试样作用时产生 的特征 X 射线对试样微区的化学成分进行定性和定 量分析。
由于作用在试样上的电子束很细，形状如针，故 称之为电子探针。由于电子束很细，其作用范围很 小。因此，利用电子探针可以对试样的微小区域进 行化学成分的定性分析和定量分析。
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
根据波谱仪在测试过程中分光晶体运动轨迹的特 点，波谱仪有两种常见的布置形式，即直进式波谱 仪和回转式波谱仪。
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电子探针显微分析
直进式波谱仪工作原理
直进式波谱仪中，由聚焦电子束轰击 试样产生的 X 射线从 S 点发射出来。分 光晶体沿固定的直线 SC1 移动，并进行 相应的转动；探测器也按一定的规律移 动和转动。确保辐射源 S 、分光晶体弯 曲表面以及探测器始终维持在半径为 R 的聚焦圆上。显然，圆心位置会不断变 化。
根据布拉格方程 λ=2d· sinθ ，当 θ=0o 时， λ=0 ；当 θ=90o时，λ=2d。从理论上看，每块分光晶体能够分 散的X射线波长范围应为0~2d。
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电子探针显微分析
实际测试中，由于受到谱仪设计几何位置的的限 制，θ值过大时，晶面反射率太低；θ值过小时，一 是计数管损伤太厉害，二是空间位置也不能安排。 所以 θ 角大致是在 12o~65o 范围内。按此推算，分光 晶体能够分散的 X 射线波长范围大致是 0.4d~1.8d 之 间。
EPMA的侧重点在成分，而非形貌观测。 现在的EPMA为了 方便，一般也配个能谱, 能谱速度快, 可以做一般的常量元素。
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EPMA的主要特点
a)显微结构的分析； b)元素分析范围广，几乎做到全元素的分析；5B-92U c) 定量分析准确度高，能做“痕量”元素、轻元素及 有重叠峰存在时的分析； d)不损坏样品，分析速度快； e)用途广泛。被广泛用于冶金、地质、矿物、生物、医学、
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电子探针显微分析
为了提高测试效率，必须 采取聚焦方式。如果把分光 晶体作适当弯曲，并使射线 源、弯曲晶体表面和检测器 窗口位于同一个圆周上，这 样就可以达到聚焦的目的。 这种圆称为罗兰 (Rowland) 圆或聚焦圆。
波谱仪的全聚焦方式
此时，从点光源 S 发射出的呈发散状的符合布拉格条 件的同一波长的X射线，经晶体发射后聚焦于P点。这种 聚焦方式称为Johansson全聚焦，是目前波谱仪普遍采用 的聚焦方式。
L sin q 2R
(1)
将（1）式代入布拉格方程
l 2d sin q
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ可得：
(2)
Ld l R
(3)
d:分光晶体的晶面间距
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
分光晶体直线运动时，假如检测器在某一位置接 收到衍射束，即表明试样被激发的体积内存在相应 的元素。衍射束的强度和元素含量成正比。
用来检测X射线的特征波长（波谱仪）和特征能量（能
谱仪），以此对微区进行化学成分分析。
JXA-8530F电子探针外观图
外观紧凑、整洁
JXA-8530F电子探针外观图
东北大学分析测试中心
EPMA和SEM的区别
1、共同点：均可以得到二次电子像 (SEI)，背散射电子像(BSEI)， 用于寻找分析区域。 电子探针的束流 ( 指打在样品表面的电流 ) 要比扫描电镜大几 个数量级，造成电子探针的空间分辨率差，二次电子和背散射电 子分辨率差，如果要求不高电子探针可以当作扫描来用。 一般而言，电子探针的二次电子像分辨率为 5 ～ 6 nm，低于 扫描电镜的 2 ～ 3 nm 的二次电子像分辨率。
电子探针显微分析
合金钢波谱分析谱线图
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
直进式波谱仪的优点是X射线照射分光晶体的方 向是固定的，即出射角保持不变，这样可使X射线 穿出样品表面过程中所走的路线相同，即吸收条件 相等。
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电子探针显微分析
回转式波谱仪工作原理
回转式波谱仪中，聚焦圆的圆 心 O 不移动，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，以保证满足布拉格方程。
因为聚焦圆的半径 R是已知的，根据 测出的L1便可求出 θ1，再由布拉格方程 即可算出相对应的特征X射线波长λ1。
直进式波谱仪
罗兰圆半径不变，三点共圆，圆心变。
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
从几何关系来看，分光晶 体与试样的距离 L 、聚焦圆 的半径 R 以及入射 X 射线与 分光晶体衍射平面的夹角 θ 有以下关系：
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
主要内容
1、 电子探针的结构与工作原理
2、 X射线波长分散谱仪（波谱仪WDS）
3、 X射线能量分散谱仪（能谱仪EDS）
4、 波谱仪与能谱仪的比较 5、电子探针的基本功能 6、 电子探针对试样的要求
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
1 电子探针的结构与工作原理
如利用LiF晶体的（200）面网（d=2.013Å），理论检 测范围为0~4.03Å，但实际探测范围为0.89Å~3.5Å。
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电子探针显微分析
电子探针的结构
电子探针的结构 与扫描电镜的结构 非常相似。除了信 号检测处理系统不 同外，其余部分如 电子光学系统、扫 描系统、图像显示 记录系统和真空系 统、电源系统等几 乎完全相同。
高压电缆 电子枪 能谱仪 光镜 物镜光阑
波谱仪
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材料现代测试方法
和考古等领域。
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EPMA的主要应用
1、材料学中的应用 •断口观察镀层表面形貌分析和深度检测 •微区化学成分分析 •相平衡图的制定 •显微组织及超微尺寸材料的研究 2、微电子中的应用 焊点，电路板中微量元素的偏析定量研究，开焊原因分析，需定量分析偏 析富集元素
3、地质、矿物方面的应用 通常化学分析可以有效地确定矿物中特定的元素成分，X 射线衍射可以定性 和定量地给出矿物的晶体结构方面的信息。但是它们都不能解决一个根本 问题，即这些元素在一块矿石中的微观分布？一些贵金属和稀有金属是否 在某些特定的地质结构中富集？某些矿物是否和其他的矿物共生？电子探 针可以解决这些问题。
例如: 当聚焦圆的半径为140mm时，用LiF晶体为分光晶体， 以面网间距为0.2013nm的（200）晶面为衍射平面，在 L=134.7mm处，可探测到FeKα(λ=0.1937nm)的特征X射 线，在L=107.2mm处，可探测到CuKα（0.154nm）的特 征X射线。
Ld l R
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EPMA的主要应用
4、生物学、医学及法学中的应用
此情况下通常元素含量很低，而且需要精确定量，必须由电子探针完成。 •关节修复移植材料在周围组织中的扩散情况 •结石成分分析 •头发等中的微量元素分析（对于职业病鉴定，中毒分析等非常重要，通常 含量很低，而且需要精确定量，必须由电子探针完成） •枪弹残余物颗粒成分分析（有专业的枪击残留物软件，对于重大案件以及 需要精确证据的案件分析，必须由电子探针完成） •死因不明尸骨中铅的亮粒（通过电子探针精确定量分析，可以鉴别出铅的 亮粒为子弹残留物，死因为中枪，并可以比对出为那种子弹，这类工作只 有电子探针可以精确完成） •被盗被烧珍贵文物，可以通过电子探针鉴定文物表面结构以及元素含量。 •文件真伪鉴别（通过比对墨迹元素含量可以精确比对鉴别，要求精确定量 才可以进行鉴别比对）。纸，纸上颜料，油墨，墨水的成分分析，元素分 布图可划出其中不同的区域，与伪造文件比照。