第27讲 光电子能谱仪工作原理
能谱仪结构及工作原理
为了使硅中的锂稳定和降低FET的热噪声，平时和测量时都必须用液氮冷却EDS探 测器。保护探测器的探测窗口有两类，其特性和使用方法各不相同。
（1）铍窗口型（beryllium window type） 用厚度为8～10μm 的铍薄膜制作窗口来保持探测器的真空，这种探测器使用起
来比较容易，但是，由于铍薄膜对低能X射线的吸收，所以，不能分析比 Na（Z＝11）轻的元素。
此外，还有去掉探测器窗口的无窗口型（windowless type）探测器，它可以探 测B(Z＝5)以上的元素。但是，为了避免背散射电子对探测器的损伤，通常将这种无 窗口型的探测器用于扫描电子显微镜等低速电压的情况。
对于EDS 中使用的X 射线探测器，一般都是用高纯单晶硅中掺杂有微量锂的半导 体固体探测器（SSD:solid state detector）。SSD是一种固体电离室，当X 射线入 射时，室中就产生与这个X 射线能量成比例的电荷。这个电荷在场效应管（TEF: field effect transistor）中聚集，产生一个波峰值比例于电荷量的脉冲电压。用多道 脉冲高度分析器（multichannel pulse height analyzer）来测量它的波峰值和脉冲 数。这样，就可以得到横轴为X 射线能量，纵轴为X 射线光子数的谱图。
能谱仪结构及工作原理 能谱仪, 结构, 工作原理, 特征X射线, X射线探测器 X射线能量色散谱分析方法是电子显微技术最基本和一直使用的、具有成分分析功能 的方法，通常称为X射线能谱分析法，简称EDS或EDX方法。它是分析电子显微方法 中最基本、最可靠、最重要的分析方法，所以一直被广泛使用。
能谱仪的工作原理
能谱仪(EDS,Energy Dispersive Spectrometer)是用来对材料微区成分元素种类与含量分析，配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜的使用。
工作原理：当X射线光子进入检测器后，在Si（Li）晶体内激发出一定数目的电子空穴对。
产生一个空穴对的最低平均能量ε是一定的（在低温下平均为3.8ev），而由一个X射线光子造成的空穴对的数目为N=△E/ε，因此，入射X射线光子的能量越高，N就越大。
利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对，经过前置放大器转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小。
电流脉冲经过主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器，脉冲高度分析器按高度把脉冲分类进行计数，这样就可以描出一张X射线按能量大小分布的图谱。
X射线光电子能谱仪介绍
X射线光电子能谱仪介绍X射线光电子能谱仪是一种广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域的分析仪器，它主要用于研究材料的表面成分、结构和化学状态。
该仪器可以通过测量材料表面吸收X射线后产生的光电子能谱，进而分析材料的元素组成、化学键信息等。
X射线光电子能谱仪的基本原理是利用X射线轰击材料表面后产生的光电子来获取样品的信息。
当X射线照射在样品表面时，X射线能量会激发材料表面的原子电子跃迁至高能级轨道，产生光电子。
这些光电子的能量与原子的特性有关，通过测量光电子的能谱，可以得到材料中不同元素的信息。
X射线光电子能谱仪由X射线源、光电子能谱仪和数据处理系统等主要部分组成。
X射线源通常采用非晶硼靶X射线管或单晶硼靶X射线管，产生具有一定能量和强度的X射线束。
光电子能谱仪包括一个光电子分析区域、一个能量分辨区域和一个探测器，用于测量光电子的角分布和能谱信息。
数据处理系统通常包括数据采集卡、计算机和数据分析软件，用于采集和处理测量到的光电子能谱数据。
X射线光电子能谱仪可以提供丰富的分析信息，包括表面元素成分、化学键信息、表面形貌等。
通过测量样品的XPS谱图，可以确定样品中元素的种类、含量和化学状态，进而研究样品的特性和性能。
此外，X射线光电子能谱仪还可以用于薄膜和涂层的表征、催化剂的研究、界面分析等领域。
在实际应用中，X射线光电子能谱仪具有多种优点，如高灵敏度、高分辨率、非破坏性、定量分析准确等。
它可以应用于不同类型的样品，包括金属、半导体、陶瓷、聚合物等材料，适用于不同尺寸和形态的样品分析。
总的来说，X射线光电子能谱仪是一种重要的表面分析仪器，广泛用于材料科学、化学、生物学等领域的研究。
它为科研人员提供了强大的分析手段，有助于深化对材料表面的理解，推动科学研究和技术发展。
能谱仪的工作原理
能谱仪的工作原理
能谱仪是一种用于分析物质中元素成分的仪器。
它基于原子吸收光谱的原理进行操作。
其主要工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 光源：能谱仪使用一种光源产生一束连续可见光的光线。
通常使用的光源包括氢灯、钨灯等。
2. 光栅：将产生的白光经过光栅进行色散，使不同波长的光被分离出来。
光栅上的线条数量越多，则分离的波长越多，分辨率越高。
3. 样品室：样品室是放置待测物质的空间。
在分析前，样品需要经过特殊处理，如溶解或研磨成粉末。
4. 样品进样：将经过处理的样品进入样品室中。
进样时，样品会被蒸发，并形成一个原子气云。
5. 激发：通过一个充满能量的光源来激发样品中的原子。
激发后，原子会从基态跃迁到激发态。
6. 吸收：激发的原子处于激发态时，会与通过的光子发生共振吸收。
吸收的能量与原子的电子结构有关，而原子的电子结构与元素的独特特征有关，因此可以通过吸收光的特征来确定元素的存在。
7. 检测：通过检测器测量通过样品后光线的强度变化。
利用比
较进样前后吸收光的强度，可以得到吸收谱线。
检测器常用的有光电倍增管（PMT）或光电二极管（PD）。
8. 分析：将吸收谱线转换为能谱图，通过对比样本与已知标准的能谱图，可以确定样品中的元素种类和含量。
通过以上步骤，能谱仪可以准确分析样品中的元素成分，并提供有关元素含量的信息，为科学研究和工业控制提供了重要的帮助。
能谱仪原理
能谱仪原理能谱仪是一种用来分析物质成分的仪器，它能够通过测量物质放射出的能谱来确定物质的成分和结构。
能谱仪的原理主要包括激发、发射、分离和检测四个步骤。
首先，能谱仪通过激发物质的原子或分子，使其处于激发态。
这一步通常通过光、电、热等方式进行，将样品中的原子或分子激发至高能级，从而使其处于激发态。
接下来，激发态的原子或分子会发生跃迁，放出能量。
这些能量以特定的波长或频率的光子形式发射出来，这就是发射的过程。
根据不同元素的原子结构和能级分布，它们会发射出特定波长或频率的光子，这就形成了物质的能谱。
然后，能谱仪会对这些发射出来的光子进行分离。
分离的方法通常是利用光栅、棱镜或者干涉仪等光学元件，将不同波长或频率的光子分离开来，形成一个能谱图。
最后，能谱仪通过检测器来检测并记录这些分离开来的光子，得到物质的能谱图。
检测器通常是光电倍增管、光电二极管、CCD等，它们能够将光子转化为电信号，然后进行放大和记录。
总的来说，能谱仪的原理就是通过激发物质，使其发射出特定波长或频率的光子，然后将这些光子分离并检测，最终得到物质的能谱图。
通过分析这个能谱图，我们可以确定物质的成分和结构，从而实现对物质的分析和检测。
除了上述的基本原理外，现代能谱仪还可以结合其他技术，如质谱、光谱、色谱等，实现更精确、更全面的物质分析。
能谱仪在化学、材料、生物、环境等领域都有着广泛的应用，为科研和工业生产提供了重要的分析手段。
总之，能谱仪作为一种重要的分析仪器，其原理简单清晰，但应用却非常广泛，对于物质的分析和检测起着至关重要的作用。
希望通过本文的介绍，能够更加深入地了解能谱仪的原理和应用。
光电子能谱分析法基本原理
光电子能谱分析法基本原理光电子能谱分析法（Photoelectron Spectroscopy，简称PES）是一种常用的表征材料的表面化学成分和电子结构的技术手段。
它利用光电效应，通过测量电子从材料表面逸出时的动能来分析材料的电子结构。
PES的基本原理是根据光电效应，当光照射到金属或半导体表面时，光子与金属或半导体表面原子或分子发生相互作用，将部分能量转移给表面电子。
如果光子的能量大于电子的束缚能，则电子可以从材料表面逸出，形成光电子。
PES实验装置通常由以下几个部分组成：光源、光电样品、能量分辨光电子能谱仪和电子能量分析器。
光源通常选择高能紫外光源，因为紫外光具有较高的能量，能够满足电子逸出的需求。
光源产生的光经过透镜系统聚焦在样品表面。
样品由所要研究的物质构成，它可以是单晶、多晶、薄膜等形式。
光电样品的选择要根据具体的实验目的来确定。
能量分辨光电子能谱仪用于检测通过逸出的光电子信号，并将其转化为电信号。
电子能量分析器用于测量光电子的能量，并提供电子能谱。
在实验中，光子通过与表面原子或分子相互作用，将其能量转移给电子，使电子克服束缚势能逸出表面。
逸出电子的动能与初级光子的能量差有关：E_kin = hν - Φ其中，E_kin是逸出电子的动能，h是普朗克常数，ν是光子的频率，Φ是材料的逸出功。
逸出电子的动能与所施加的电场强度有关。
通过控制电场强度，可以调节电子的动能，进而对应不同的束缚能级进行分析。
PES实验中的光电子能谱提供了关于材料中电子的能量分布和态密度的丰富信息。
通过分析能谱图，可以确定材料的能带结构、元素组成、原子价态等重要参数。
例如，能谱图中的峰值对应不同能级的电子逸出，峰的位置和峰的强度可以揭示材料的能带结构和电子填充态。
同时，通过测定PES中的峰的位置和强度的变化，还可以研究材料的电子结构在外界条件变化下的响应和调控。
总结起来，光电子能谱分析法基于光电效应，通过测量光子与材料表面原子或分子的相互作用，进而测量逸出电子的动能，来研究材料的电子结构和化学成分。
能谱仪工作原理
能谱仪工作原理
能谱仪是一种用于分析物质成分和结构的仪器，它通过测量样品中不同元素的
能谱图谱来实现对样品的分析。
能谱仪的工作原理主要包括样品激发、能谱检测和数据处理三个部分。
首先，样品激发是能谱仪工作的第一步。
当样品受到激发能量时，其中的原子
和分子会处于高能级状态，这些高能级状态的原子和分子会发生跃迁，从而释放出特定的能量。
这些能量的释放形成了样品的能谱图谱，能谱图谱中的峰对应着不同元素的特征能量。
其次，能谱检测是能谱仪工作的第二步。
能谱检测是通过能谱仪中的探测器来
实现的，当样品释放出能量时，探测器会将这些能量转换成电信号。
这些电信号随后会被放大和处理，最终转化成能谱图谱。
能谱图谱中的峰的位置和强度可以反映出样品中不同元素的含量和种类。
最后，数据处理是能谱仪工作的第三步。
在数据处理过程中，能谱仪会将从探
测器中得到的信号进行数字化处理，然后通过计算机进行数据处理和分析。
计算机会将能谱图谱中的峰进行识别和定量分析，从而得出样品中不同元素的含量和种类。
同时，计算机还可以对能谱图谱进行峰形分析和背景扣除，提高分析结果的准确性和精确度。
综上所述，能谱仪的工作原理主要包括样品激发、能谱检测和数据处理三个部分。
通过这些步骤，能谱仪可以实现对样品中不同元素的分析和检测，为化学分析和材料表征提供了重要的技术手段。
能谱仪在化学、材料、环境等领域具有广泛的应用前景，对于推动科学研究和工程技术发展具有重要意义。
能谱仪原理
能谱仪原理能谱仪（Spectrometer）是一种通过测量物质或辐射发射、吸收、散射经过分析元件后的光谱来分析物质或能量的仪器。
能谱仪可以用于化学、物理、地球物理学等领域的研究，广泛应用于分析材料的成分、性能、结构以及同位素、核素、宇宙射线等的研究。
本文将对能谱仪原理进行详细的介绍。
一、光谱的基本原理光谱是指将光按照波长或频率分解为不同的组成部分的过程。
可见光谱是人眼可见的光线中的折射或反射后在色散系统中被分解的谱线。
光谱分为线谱、带谱和连续谱。
线谱是由一些锐利的亮线组成的谱线，如氢光谱中的红线、蓝线等；带谱是由一些比较宽的和不一定锐利的谱带组成的谱线，如分子带谱；连续谱是由一个范围内的所有波长和频率的光组成的谱线，如白炽灯的光谱。
光的波长和频率之间有一个线性关系：λ=c/v，其中λ为光的波长，v为光的频率，c是光速。
当光线从一种介质向另一种介质传播时，它们的波长λ和频率v都会发生改变，这就是所谓的折射。
折射是由于不同介质中光的速度不同，光线通过介质时受到速度的限制而发生改变。
能谱仪是一种通过测量物质或辐射发射或吸收经过分析元件（例如光栅、衍射晶体等）后的光谱来分析物质成分或辐射能量的仪器。
能谱仪主要由三部分组成：能量选择部分、信号检测部分和数据分析部分。
1. 能量选择部分能量选择部分主要作用是将某一特定波长或频率的光线从其他光线中分离出来，以便进行分析和检测。
其中包含一些元件，如衍射晶体、光栅等，这些元件可以使光线沿不同的方向散射。
而由于不同方向的光在经过分析元件之后有所区别，所以可以通过调整元件的位置来选择特定的光线。
2. 信号检测部分能量选择部分所选出的光线被转化成电信号并被送到信号检测部分。
这个部分主要由光电倍增管、电子多道分析器、数字量测器等组成。
光电倍增管使用光电效应将光子转化为电子并放大信号，多道分析器将不同能区段的信号分离出来并进行计数，数字量测器将计数信号转化为电信号进行数字化处理。
能谱仪的工作原理简答
能谱仪的工作原理简答
能谱仪是一种用于测量物质样品中元素组成的仪器。
它主要基于原子或分子的电子能级跃迁现象，利用能量的量子化特性进行分析。
能谱仪的工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 激发：能谱仪首先需要将样品中的原子或分子进行激发，使其处于一个高能级。
这可以通过电子束轰击、光照射或其他激发方法来实现。
激发后，部分原子或分子的电子将跃迁到更高能级。
2. 衰减：激发后的原子或分子在一个很短的时间内会回到低能级，释放出能量。
为了避免这些能量被周围环境吸收或散射，能谱仪通常会利用一个周围被抽成低压的环境来减少碰撞和散射。
3. 分离：能谱仪接下来会使用一个分离装置对不同能量的电子进行分离。
最常见的分离装置是质谱仪，通过磁场或电场对不同质量或电荷比的粒子进行分离。
这样可以将能量分散为不同的通道或信号。
4. 探测：分离后的电子进入能谱仪的探测器中，比如光电倍增管。
当电子进入探测器时，它们会撞击探测器表面的材料，产生电荷。
这些电荷经过放大、转换和记录，最终得到一个电压或电流信号。
5. 分析：通过分析和处理电压或电流信号，能谱仪可以得到样品中的能量分布情况。
这通常通过将信号与一个已知的标准光谱进行比较，以确定样品中存在的特定元素或化合物。
综上所述，能谱仪的工作原理是通过激发、衰减、分离、探测和分析等步骤，利用能量的量子化特性来分析物质样品中的元素组成。
能谱仪结构及工作原理
能谱仪结构及工作原理能谱仪（Spectrometer）是一种用于分析物质的仪器，能够测量物质的能量分布和光谱特征。
它广泛应用于光谱学、光学、化学、材料科学等领域。
一、能谱仪的结构能谱仪的结构主要包括以下几个部分：入射光源、光学系统、样品待测区、检测器、数据处理系统和输出设备。
1.入射光源：能谱仪的入射光源通常使用连续谱源（如白炽灯、钨丝灯）或单色光源（如激光器、滤波器的选择）来提供不同波长的光源。
2.光学系统：光学系统主要包括准直透镜和色散透镜。
准直透镜用于将入射光束变为平行光束，色散透镜用于对入射光进行色散。
3.样品待测区：样品待测区是样品与光谱仪接触的区域。
通常采用样品室或样品盒等形式。
4.检测器：能谱仪的检测器主要有光电倍增管（PMT）、半导体探测器（如硅、锗）和超导探测器。
不同的检测器适用于不同的波长范围，从紫外到红外都有相应类型的检测器。
5.数据处理系统：数据处理系统一般由计算机软件控制，用于采集、处理和分析测量得到的光谱数据。
可以通过计算机软件对光谱数据进行峰识别、光谱解析等操作。
6.输出设备：输出设备一般用于将处理后的光谱图像或结果输出，如打印机、显示器等。
二、能谱仪的工作原理能谱仪的工作原理主要是通过光的分光与能量的散射，然后通过检测器检测光的强度来分析物质的能谱特征。
1.分光：入射光经由准直透镜进入光学系统，在色散透镜的作用下，不同波长的光被分散并聚焦到不同位置。
这就是光谱特征的展示形式。
2.能量分布：待测区域的样品与入射光发生相互作用，例如吸收、散射等。
样品的不同成分和结构会对不同波长的光产生特征性的响应，形成能量分布的图像。
3.光强检测：经过样品后的光被检测器接收，检测器转换光的能量为电信号，并放大。
可采用光电倍增管、半导体探测器等检测器对光强进行检测。
4.数据处理和分析：检测器输出的电信号通过放大和滤波等处理后，被传送给数据处理系统，进一步进行峰识别、光谱解析等处理。
计算机软件可以对测量得到的光谱数据进行光谱解析、峰识别、曲线拟合等操作，从而得到物质的光谱特征。
能谱仪的原理
能谱仪的原理
能谱仪的原理是通过测量物质吸收或发射辐射的能量来确定其成分和结构。
它利用物质独特的能级结构使得特定波长或频率的辐射能量被吸收或发射，从而提供了有关物质的信息。
能谱仪通常包括辐射源、光学系统、检测器和数据处理系统。
辐射源产生特定波长或频率的辐射，光学系统确保辐射能够有效地通过，检测器用于测量吸收或发射辐射的能量，数据处理系统用于分析和解释测量结果。
在光学系统中，辐射经过色散元件（如光栅或棱镜）分散成不同波长的光束，并进入样品室。
样品与辐射发生作用后，部分能量被吸收，而其他波长的能量被透射或散射。
透射或散射的辐射再次经过光学系统，并最终到达检测器。
检测器可以是光电二极管、光电倍增管或光谱仪等，用于将光信号转化为电信号。
检测器测量的电信号强度与被测量样品吸收或发射的辐射能量有关。
数据处理系统会对检测器输出的信号进行分析和解释，得出样品的能谱信息。
通过能谱仪，可以研究物质的组成、结构和性质。
不同物质的能级结构是独特的，因此它们吸收或发射的辐射能量也是独特的。
利用这一特性，能谱仪可以用于化学、生物、材料等领域的研究和分析，有着广泛的应用价值。
能谱仪的原理
能谱仪的原理能谱仪是一种用于测量射线能谱的仪器，它能够分析射线的能量分布，从而得到样品的成分和结构信息。
能谱仪的原理主要基于射线与物质相互作用的过程，下面我们来详细介绍一下能谱仪的原理。
首先，能谱仪的基本构成包括探测器、放大器、多道分析器和数据采集系统。
当射线穿过样品时，会与样品内部原子相互作用，产生激发或电离，从而释放出能量。
这些能量会被探测器所探测到，并转化为电信号。
其次，探测器是能谱仪的核心部件，它能够将射线转化为电荷或光信号。
常见的探测器包括硅探测器、闪烁体探测器和闪烁闪烁体探测器。
不同类型的探测器对射线的响应方式不同，因此选用不同的探测器可以实现对不同能量范围的射线进行探测。
然后，放大器用于放大探测器输出的信号，以便后续的信号处理和分析。
多道分析器则用于对信号进行能谱分析，将不同能量的信号分离开来，并将其转化为数字信号。
最后，数据采集系统用于记录和分析多道分析器输出的数字信号，得到射线的能谱信息。
总的来说，能谱仪的原理主要是利用探测器对射线能量的探测和转化，通过放大器、多道分析器和数据采集系统对信号进行处理和分析，最终得到射线的能谱信息。
能谱仪在物质分析、核物理、地质勘探等领域有着广泛的应用，对于研究物质的成分和结构具有重要意义。
在实际应用中，需要根据具体的实验需求选择合适的能谱仪类型和参数，以及合适的探测器和分析方法。
同时，对于能谱仪的使用和维护也需要严格按照操作手册进行，以确保实验结果的准确性和可靠性。
综上所述，能谱仪的原理是基于射线与物质相互作用的过程，利用探测器、放大器、多道分析器和数据采集系统对射线能谱进行分析，从而得到样品的成分和结构信息。
能谱仪在科学研究和工程应用中具有重要的作用，对于推动相关领域的发展具有重要意义。
能谱仪工作原理
能谱仪工作原理
能谱仪（Spectrometer）是一种用来测量光谱的仪器。
它的工
作原理基于光的色散效应和光的一系列特性。
首先，能谱仪通过一个光源产生连续的光束。
这个光束会通过一个狭缝进入一个棱镜或者光栅，在这个过程中，光束会因为其波长不同而发生色散效应。
棱镜或者光栅会使得波长较短的光被弯曲的程度更大，而波长较长的光则被弯曲得更少。
接下来，被色散后的光束会通过一个检测器。
这个检测器能够测量不同波长的光的强度。
通过测量光的强度，能谱仪可以得到一个光谱图，其中包含了不同波长光的强度信息。
为了更准确地测量光谱，能谱仪通常使用一个准直器来使光束尽可能地垂直于检测器。
而为了增加测量的精度，能谱仪还需要校准。
校准是通过使用已知波长和强度的标准光源来进行，使得能谱仪能够将检测到的光的波长与已知的标准进行对比，从而确定被测光的波长。
总的来说，能谱仪的工作原理是利用光的色散效应、检测器的测量以及标准光源的校准来进行光谱的测量和分析。
通过测量光的波长和强度，能谱仪可以提供关于光的成分和特性的信息，广泛应用于物理、化学、生物学等领域。
能谱仪的工作原理
能谱仪的工作原理
能谱仪是一种用来测定物质成分的仪器，它可以通过测量物质的能谱来确定物
质的成分。
能谱仪的工作原理主要包括激发、发射和检测三个步骤。
首先，能谱仪通过激发样品中的原子或分子，使其处于激发态。
这一步通常是
通过能量较高的电子束、光束或其他激发源来完成的。
当样品中的原子或分子处于激发态时，它们会吸收外部能量，电子会跃迁到更高的能级，分子会振动或转动。
这些能级跃迁或振动转动所对应的能量差就是激发能，而这些激发态的原子或分子随后会发射出辐射。
其次，发射出的辐射会包含有关原子或分子的信息。
这些辐射可以是光谱线或
射线，它们的频率和能量与原子或分子的能级结构有关。
不同元素或分子的能级结构是不同的，因此它们发射出的辐射也是不同的。
通过测量这些辐射的频率和能量，就可以确定样品中的元素或分子的成分。
最后，能谱仪通过检测和分析发射出的辐射来确定样品的成分。
检测通常是通
过光电倍增管、光电二极管或其他探测器来完成的。
这些探测器可以将辐射转化为电信号，然后通过放大、滤波、数字化等处理手段，最终得到样品的能谱图像。
通过对能谱图像的分析，可以确定样品中的元素或分子的种类和含量。
总之，能谱仪通过激发、发射和检测三个步骤来工作，通过测量样品发射出的
辐射来确定样品的成分。
它在化学分析、材料表征、环境监测等领域有着广泛的应用，是一种非常重要的分析仪器。
能谱仪的工作原理
能谱仪的工作原理
能谱仪是一种用于解析物质组成的仪器。
它的工作原理是基于物质原子或分子受到激发后会发射出特定波长的光或吸收特定波长的光的特性。
能谱仪中的样品首先由激发源激发，激发源可以是电子束、离子束、激光束等。
激发后，样品中的原子或分子处于高能态，而且非稳定，它们会通过发射出特定波长的光回到稳定态。
这些发射的光被称为发射光谱。
发射光谱进入能谱仪后，首先通过一个入射狭缝被限制在一个小的空间范围内，然后通过一个光栅或其他色散元件分散为不同波长的光。
经过色散后，光通过另一个狭缝进入光电二极管或其他光探测器。
光探测器将接收到的光转换为电信号。
通过测量光的强度和频率，能谱仪可以确定发射光谱中各个波长的信号强度。
这些信号强度与样品中存在的元素或分子的种类和数量有关。
能谱仪还可以用于分析物质的吸收光谱。
在这种情况下，样品通过入射狭缝后，光通过样品并被吸收或减弱。
吸收光谱中被吸收的光与样品中存在的元素或分子种类和数量有关。
通过比较样品的发射光谱或吸收光谱与已知物质的光谱数据库，可以确定样品中的元素或分子组成。
这使得能谱仪成为一种重要的分析工具，在物质科学、生物科学、环境科学和化学领域有广泛的应用。
能谱仪的原理
能谱仪的原理
能谱仪是一种用于分析物质成分和结构的仪器，它通过测量不同能量的辐射或粒子来获取样品的信息。
能谱仪的原理主要基于能量的分析和探测，下面将详细介绍能谱仪的原理。
首先，能谱仪的原理基于能量分析。
当样品受到激发后，会发出特定能量的辐射或粒子。
能谱仪通过分析这些辐射或粒子的能量来确定样品的成分和结构。
这种能量分析可以通过不同的方法实现，比如光谱法、质谱法、X射线衍射法等。
其次，能谱仪的原理基于探测。
能谱仪需要使用高灵敏度的探测器来捕捉样品发出的辐射或粒子。
常见的探测器包括光电倍增管、硅探测器、闪烁体探测器等。
这些探测器能够将样品发出的辐射或粒子转化为电信号，并通过信号处理系统进行分析和记录。
此外，能谱仪的原理还涉及能谱仪的分辨能力。
能谱仪的分辨能力是指它能够分辨出不同能量的辐射或粒子的能力。
分辨能力越高，能谱仪对样品的分析就会更加精准和可靠。
除此之外，能谱仪的原理还包括样品的激发和激发源的选择。
样品的激发可以通过不同的方式实现，比如光激发、电子激发、离子激发等。
而激发源的选择也会对样品的分析产生影响，不同的激发源对不同类型的样品有不同的适用性。
总的来说，能谱仪的原理是基于能量的分析和探测，通过对样品发出的辐射或粒子的能量进行分析来获取样品的信息。
在实际应用中，能谱仪可以用于分析各种材料的成分和结构，广泛应用于化学、物理、生物等领域。
能谱仪的原理的深入理解对于正确操作和应用能谱仪具有重要意义。
光电子能谱仪
光电子能谱仪(XPS,UPS)FUNSOM 谢跃民20134214099 一、绪论[1-3]电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的表面分析技术。
光电子能谱是表面电子能谱中很重要的一部分，光电子能谱的历史可以一直追溯到1887年赫兹发现光电效应。
其后,相当长的一段时间内,光电发射现象一直是被研究的对象,直到爱因斯坦在1905年用量子理论成功解释了光电效应。
随后20世纪60年代，超高真空技术和微弱信号检测技术的发展为光电子能谱的诞生创造了条件,光电子能谱技术真正作为一种实验手段引起人们的重视。
1954 年瑞典科学家Kai Siegbahn 教授和他的研究小组在进行β电子能谱的研究过程中研制成世界上第一台双聚焦磁场式光电子能谱仪。
此后经过不断改进性能，精确测量了元素周期表中各元素的内层电子结合能，并清楚的看到有关谱峰。
瑞典的科学家于1965 年把这种方法叫做化学分析用电子能谱(Electron spectroscopy for chemical analysis)，简称ESCA。
由于ESCA 主要采用了铝和镁的特征软X 射线作为光源，后来人们就把这种方法称之为X 射线光电子能谱(X-ray photoelectronspectroscopy)，简称XPS。
1962 年，伦敦帝国学院的D. W. Turner 等人又创造使用了真空紫外光源的光子能谱仪。
这种能谱仪更适合于研究价带电子状态，正好与X 射线光电子能谱互相补充。
此方法被称为紫外光子能谱(Ultraviolet photoelectron spectroscopy), 简称为UPS。
多年来，XPS谱仪技术方面也取得了巨大的进展。
目前光子能谱已经被广泛应用各个领域，如物理学、化学、材料科学、表面科学等，尤其是XPS，已经成为一种常规的材料表面分析手段。
光子能谱技术的特点包括： 1.是一种非破坏性测量手段 2.一种表面灵敏的分析手段3.适合分析塑料和高分子聚合物 4. XPS有明确的化学位移，能用来研究元素的化学状态5.可测定元素的相对含量等等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第27讲教学目的：使学生了解光电子能谱的实验技术及其应用教学要求：了解光电子能谱仪的构造、工作原理及制样；熟悉光电子能谱的应用领域教学重点：XPS实验技术；X射线光电子能谱分析方法的原理及应用教学难点：XPS谱图能量校正第2节光电子能谱仪工作原理以X射线为激发源的光电子能谱仪主要由激发源、样品分析室、能量分析器、电子检测器、记录控制系统和真空系统等组成。
从激发源来的单色光束照射样品室里的样品，只要光子的能量大于材料中某原子轨道中电子的结合能，样品中的束缚电子就被电离而逃逸。
光电子在能量分析器中按其能量的大小被“色散”、聚集后被检测器接受，信号经放大后输入到记录控制系统，一般都由计算机来完成仪器控制与数据采集工作。
整个谱仪要有良好的真空度，一般情况下，样品分析室的真空度要优于10-5Pa，这一方面是为了减少电子在运动过程中同残留气体发生碰撞而损失信号强度，另一方面是为了防止残留气体吸附到样品表面上，甚至可能与样品发生反应。
谱仪还要避免外磁场的干扰。
这里主要讨论X射线光电子能谱对激发源、能量分析器和电子检测器的特殊要求。
图19 X射线光电子能谱仪基本构成示意图(1)X射线激发源用于电子能谱的X射线源，其主要指标是强度和线宽．．．．．。
一般采用Kα线，因为它是X射线发射谱中强度最大的。
Kα射线相应于L能级上的一个电子跃迁到K壳层的空穴上。
光电效应几率随X射线能量的减少而增加，所以在光电子能谱工作中，应尽可能采用软X射线（波长较长的X射线）。
在X射线光电子能谱中最重要的两个X射线源是Mg和Al的特征Kα射线（能量分别是1253.6eV和1486.6eV），其线宽分别为0.7eV和0.9eV。
由于Mg的Kα射线的自然宽度稍窄一点，对于分辨率要求较高的测试，一般采用该射线源。
如欲观测重元素内层电子能谱，则应采用重元素靶的X射线管。
电子能谱中用的X射线管与X射线衍射分析用的类似。
为了让尽可能多的X射线照射样品，X射线源的靶应尽量靠近样品，另外，X射线源和样品分析室之间必须用箔窗．．隔离，以防止X射线靶所产生的大量次级电子进入样品分析室而形成高的背底。
对Al和Mg的X射线而言，隔离窗材料可选用高纯度的铝箔或铍箔。
X射线也可以利用晶体色散单色化，X射线经单色化后，除了能改善光电子能谱的分辨率外，还除去了其他波长的X射线产生的伴峰，改善信噪比。
除了用特征X射线作激发源外，还可用加速器的同步辐射，它能提供能量从10eV到10keV连续可调的激发源。
这种辐射在强度和线宽方面都比特征X射线优越，更重要的是能够从连续能量范围内任意选择所需要的辐射能量值。
(2)电子能量分析器能量分析器是光电子能谱仪的核心部件。
其作用在于把具有不同能量的光电子分．．．．．．．．．．．．别聚焦并分辨开．．．．．．．．．．，一般利用电磁场．．．来实现电子的偏转性质。
电子能量分析器分磁场型和静电型．．．．，前者有很高的分辨能力，但因结构复杂，磁屏蔽要求严格，目前已很少采用。
商品化电子能谱仪都采用静电型能量分析．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．器．，它的优点是整个仪器安装比较紧凑体积较小．．．．．．．，外磁场屏蔽简单，易于安装调试。
常用的静电型能量分．．．．，真空度要求较低析器有球形分析器、球扇形分析器和简镜型分析器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．等，其共同特点是：对应于内外两面的电位差值只允许一种能量的电子通过，连续改变两面间的电位差值就可以对电子．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．能量进行扫描．．．．．．。
图20是半球形电子能量分析器的示意图。
半球形电子能量分析器由内外两个同心半球面构成，内、外半球的半径分别是r1和r2，两球间的平均半径为r；两个半球间的电位差为V，内球为正，外球为负。
若要使能量为E k的电子沿平均半径r轨道运动，则必须满足以下条件：式中: e电子电荷;c由球的内外径决定的谱仪常数[(r2/r1)- (r1/r2)]。
图20半球形电子能量分析器示意图由上式可知，如果在球形电容器上加一个扫描电压，同心球形电容器就会对不同能量的电子具有不同的偏转作用，从而把能量不同的电子分离开来。
这样就可以使能量不同的电子，在不同的时间沿着中心轨道通过，从而得到XPS 谱图。
能量分析器的分辨率与电子能量有关，它定义为：%100)/(⨯∆k E E ，表示分析器能够区分两种相近电子能量的能力，它与分析器的几何形状、入口及出口狭缝宽度和入口角α之间有以下关系：式中：E ∆为光电子谱线的半高宽即绝对分辨率；k E 为通过分析器电子的动能； W 为狭缝宽度。
由上式可知，在同等条件下，高动能电子进入能量分析器，将使仪器分辨率大大降低，表4是分析器绝对分辨率与电子动能的关系。
表7分析器绝对分辨率与电子动能的关系对XPS 分析来说，一般要求电子动能在1000eV 时的绝对分辨率在0.2eV 左右。
为了解决这个问题，常用减速透镜．．．．使电子在进入分析器之前先减速，以提高分辨率。
如：固定半球形电容器电压，使之成为单能选择器，用透镜电压扫描测定电子能谱。
目前，实验仪器大多采用固定通过能的方法，即使电子在进入能量分析器之前被减速后以一．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．个固定的动能值通过分析器．．．．．．．．．．．．。
用这种方式扫描，加在分析器上的电压不变而改变透镜电位。
仪器实验参数中有多个通过能供选择，常用的有：2、5、10、20、50、100、200eV等。
通过能大，强度高，但是分辨率低，要根据样品的测试要求来选择通过能。
球扇形分析器的结构和原理与球形分析器相似。
筒镜型电子能量分析器，由内外两个同轴圆筒组成，如图20所示。
电子发射源在两圆筒的公共轴S处，在内圆筒上切有一环形狭缝A，环平面垂直于圆筒的公共轴。
如果电子源和内圆筒同电位，电子束将以直线射到入口狭缝而进人两圆筒之间的电场区。
适当调节内外圆筒的电位差，就将使具有某一能量的电子被偏转通过出口狭缝B，进入内圆筒并聚焦于I点。
为了减少散乱的低能电子进入检测器，提高信噪比，改善分辨率，可将两个圆筒镜分析器串接起来。
图20圆筒镜分析器示意图(3)检测器原子和分子的光电离截面都不大，在XPS分析中所能检测到的光电子流非常弱。
要接受这样的弱信号，一般采用脉冲计数．．．．．来检测电子的数目。
．．．．的方法，即用电子倍增器现在的XPS仪所用的检测器主要是多通道检测器．．．．．．，以前用的单通道电子倍增器已不多见。
通道电子倍增器如图21所示，它由高铅玻璃或钛酸钡系陶瓷．．．．．．．．．．．管制成。
管的内壁具有二次发射特性。
其原理是，当具有一定动能的电子进入这种器件，打到内壁上后，它又打击出若干个二次电子，这些二次电子沿内壁电场加速，又打到对面的内壁上，产生出更多的二次电子，如此反复倍增，最后在倍增器的末端形成一个脉冲信号输出。
倍增器两端的电压约为3000伏左右。
如果把多个如图11所示的单通道电子倍增器组合在一起，就成了多通道电子倍增器，它能够提高采集数据的效率，并大大提高仪器的灵敏度。
电子能谱仪一般都有自动记录和自动扫描装置，并采用电子计算机进行程序控制和数据处理。
图21单通道电子倍增器电子倍增示意图2.4.2待测样品制备方法实践经验表明，要想获得一张正确的XPS谱图，首先必须采用正确的制样方法。
若采用的方法不当，所得停息不仅灵敏度低、分辨率差，有时甚至会给出错误的结果，从而导致整个实验失败。
XPS信息来自样品表面几个至十几个原子层，因此在实验技术上要保证所分析的样品表面能代表样品的固有表面。
目前的XPS分析主要是集中在固体样品方面，这里仅就固体样品的预处理和安装方法作一简介。
(1)无机材料的常用方法①溶剂清洗（萃取）或长时间抽真空，以除去试样表面的污染物。
②一般商品仪器都配有氛离子枪，可以用氟离子刻蚀法除去表面污染物。
③擦磨、刮剥和研磨。
④真空加热法。
(2)有机和高聚物样品的常用制样方法⑤压片法：软散的样品采用压片的方法。
⑥溶解法：将样品溶解于易挥发的有机溶剂中，然后将l～2滴溶液滴在镀金的样品托上，让其晾干或用吹风机吹干后测定。
⑦研压法：对不溶于易挥发有机溶剂的样品，可将少量样品研磨在金箔上，使其形成薄层，然后再进行测定。
(3) 样品安装的方法一般是把粉末样品粘在双面胶带上或压入钢箔（或金属网）内，块状样品可直接夹在样品托上或用导电胶粘在样品托上进行测定。
对块状样品来说，尺寸大小在1cm×lcm左右即可。
2.4.3 XPS谱图能量校正由于各种样品的导电性能不同，在光电子发射后，样品表面都有不同程度的正电荷聚集，影响样品的光电子的继续发射，导致光电子的动能降低，绝缘样品的光电子动能降低现象最为严重。
这使得光电子信号在XPS谱图上的结合能偏高，偏离其本征结合能值，严重时偏离可达10几个电子伏特（eV），一般情况下都偏高3~5eV的。
这种现象称为“静电效应．．．．”。
静电效应还会引起谱线宽化，它是谱图分析．．．．”，也称之为“荷电效应的主要误差来源之一。
受静电影响的谱线位置为谱线的表现位置．．．．。
为了准确无误地．．．．．．．，其能量为表观能量标识谱线的真实能量位置，必须检验样品的荷电情况，把静电引起的话线位移从表观能量中扣除，这一操作称之为“谱图能量校正．．．”。
．．．．．．”，也称之为“扣静电消除荷电的主要方法有消除法和校正法。
消除法包括有电子中和法和超薄法，校正法有外标法、内标法。
外标法主要有污染碳外标法、镀金法、石墨混合法、Ar气注入法等。
各种方法都有利有弊，这里仅就扩散泵油污染C1s外标法，基团内标法、超薄法讨论如下：1.污染C1s外标法它是利用谱仪抽真空扩散泵的油含有的碳作为能量校正，该法是目前XPS实验室里最常用的方法。
对于较厚的绝缘样品，若要采用该法作能量校正，最可靠的方法是把样品放置在XPS谱仪的分析室内，在10-6Pa的低压下，让缓慢出现的泵油挥发物的碳氢污染样品，在数小时内就可均匀地在样品表面上覆盖一层泵油挥发物，直到有明显的C1s信号为止，泵油挥发物的表面电势与样品相同。
这种油污染C1s的结合能定为284.6eV（文献上报道的还有285.0eV或284.6eV等）。
原则上讲，泵油污染的C1s线的结合能应该在消除静电的情况下，在各自的谱仪上准确测定。
样品本体中不含C或本体中的C与污染C的C1s线有较大的化学位移，或者本体C的C1s与污染C的C1s线完全重合，都可以采用油污染C1s外标法来校正谱线的能量位置。
对于那些本体含C，但本体C的C1s线既不和污染C1s重合，又与C1s线没有明显化学位移（比如大量的有机聚合物材料），采用污染C1s线进行谱线能量校正，会导致大的误差。