第五章 X射线能谱(波谱)分析技术

λ＝B／（Z—C ）2
式中 B和C为常数，对于每个线系，它们的值不同；
λ为特征X射线的波长。
（c）X射线谱线系
（d）谱线权重
虽然许多可能的跃迁能够填补壳层中出现的空位，从而产生 不同能量的X射线，例如Kα和Kβ，就有多达25条不同的L谱 线，每种类型的跃迁的几率，也有相当大的差别。我们用 “谱线权重”表示形成某系谱线的相对几率，即引起某壳层 电离的几率。
式中 K值与材料参数有关，n值在1．2到1．7之间变化。
在铝、铜和金中，Al Kα、Cu Kα、Cu Lα和Au Lα谱线的 X射线产生范围与束能量的函数关系
5.2 能量谱仪
莫塞莱定律 莫塞莱（Mosely 1913，1914）发现，由辐射 跃迁而发射的X射线，因为它特定能量（和波长）表示了某 个被激发元素的特征。壳层的能级随原子序数的不同而变化， 因此即使相邻原子序数的原子其壳层间的能级差也有显著的 变化，各种元素的特征X射线波长λ与原子序数Z之间的关系 可以用下式表示：
5.4 波谱仪（WDS）与能谱仪（EDS）的对比
波谱仪（WDS）的能量分辨率（优于10eV）、检测 限（0.1～0.001％WT）、定量分析精度（0.1～0.2 ％）比较高，但它要求试样表面平整光滑、其分析 速度较慢（30分钟左右）、其空间分辨率较低（最 小分析区域Φ1μm以上）；能谱仪（EDS）的能量 分辨率（优于140eV）、检测限（1～0.5％WT）、 定量分析精度（5～0.5％）比较低，但它对试样表 面没有特别的要求（可分析凸凹不平的试样）、其 分析速度快（1分钟即可完成采谱、定性、定量分 析）、其空间分辨率较高（最小分析区域Φ数百 Å～0.1μm）。 波谱仪（WDS）检测元素范围是：4Be～92U；早期 的能谱仪（EDS）只能检测11Na～92U范围内的元素， 现在的能谱仪也能对轻元素进行检测，检测元素范 围为：4Be～92U。
X射ຫໍສະໝຸດ Baidu能谱仪的结构原理
5.3 波长谱仪
布拉格（Bragg）方程 : 射线是波长很短的电磁波 , X光子 以θ入射角射入晶面发生衍射 。
2dsinθ=nλ
式中 λ--特征X射线波长 θ--衍射X射线与衍射晶面夹角（布 拉格角） d--分光晶体晶面间距 n--衍射级数，为整数1、2、……
X射线波谱仪的结构原理
（a）临界电离能
当一个电子离开某个壳层并且从原子中出射时，就发生电 离，由于主壳层和次壳层的能量是严格确定的，所以从某个壳 层激发出一个电子所需的最小能量也是确定值，该值称为临界 电离能（或X射线吸收能）。每个主壳层和次壳层需要不同的临 界电离能。
（b）特征X射线的能量
莫塞莱（Moseley，1913，1914）： 由辐射跃迁而发射的X射线称为特征X射线，因为它的特 定能量（和波长）表示了某个被激发元素的特征。壳层的能 级随原子序数的不同而变化，因此即使相邻原子序数的原子 其壳层间的能级差也有显著的变化。
hc

式中：
K(Z )
K、h、 ――为常数 C―光速 Z ―原子序数 ―波长
只要能测出特征X射线的波长，便可求出原子序数Z，进 而确定试样特征X射线发射区中所含的化学元素。
特征X射线的能量与波长的关系
E h
式中
c

E―X光子能量 ―特征X射线波长 C―光速 H―普朗克常数
测量X射线光子能量和测量X射线波长是等价的。 以布拉格衍射为依据利用分光晶体，对特征X射线波长进行 分光，一般称波长色散法，所用仪器叫X射线波谱仪（WDS）； 用半导体检测器对特征X射线能量进行分光，称能量色散法， 所用仪器叫X射线能谱仪（EDS）。
特征X射线
X射线作为电磁辐射，其能量E与波长λ的关系
λ＝hc／eE＝1．2398／E（nm）
式中: h为普朗克常数，c为光速，e为电子电荷， E是以keV为单位的能量，λ的单位为nm。 由于用作X射线显微分析的谱仪包括波长谱仪 (WDS)和能量谱仪(EDS)，所以通常用波长(nm或Å) 或者能量(keV)单位描述X射线。
对谱线权重进行分析，可以看出每个元素只有相当少的一组强 X射线谱线，许多跃迁虽然都可能发生，但在分析中通常只能 测定这些“主要谱线”。某个线系的一些弱谱线有可能存在于 未知谱中，知道这点非常重要，否则会把这些低强度谱线误解 为样品中的微量元素。
三、X射线产生的深度
特征X射线大部分产生在相互作用区内，这个相互作 用区是由于电子在固体中的散射而形成的。为了预计X射 线的产生深度，或“X射线的产生范围”和X射线源的大小 （X射线空间分辨率），必须知道电子的穿透情况。电子 的穿透范围可用下式表示：
X射线微区分析应注意的几个问题
检测限： WDS: 0.1～0.001％WT
EDS: 1～0.5％WT 结果归一化： 弱峰、重叠峰的定性：
I cm ~ i Z[( / min ) 1] ~ i Z (Eo E) / E
一、连续谱X射线
在任何能量E或波长λ处的X射线连续谱的强度Icm由 Kramers（1923）给出:
式中 i为电流，
为靶的平均原子序数。
连续辐射强度随原子序数的上升而增加，是因为与低原 子序数的原子相比，重原子实（核与内层电子）中的库仑场 强度较高的缘故，连续谱强度还直接随电子束的数量发生变 化，即随束流iB直接变化。因为连续谱形成各被测特征信号 的背底，所以连续谱辐射的高度对确定某个元素的最小检测 限起着重要作用,通常认为连续谱有碍于分析。
第五章 X射线能谱（波谱）分析技术
5.1 X射线（波谱）分析的理论基础
X射线的产生： 连续X射线 电子束在原子实（由原子核与紧密束
缚的电子组成）的库仑场中减速，形成能量连续的X射线谱， 其能量从零延伸到入射电子束的能量值 电子束与内壳层电子相互作用驱出 束缚电子，使原子处于激发态，并在电子壳层内留出一个空位。 在随后的去激过程中，某个外层电子发生跃迁填充这个空 位．这个跃迁过程伴随着能量的变化，原子以发射X射线或者 发射一个俄歇（俄歇（Auger））电子的形式释放能量。由于 发射X射线的能量与原子中确定能级间的能量差有关，所以这 种X射线称为特征X射线
二、特征X射线
一个高能电子束与原子相互 作用，引起一个内层电子发射， 该原子在随后的去激过程中产 生特征X射线。具有足够能量 的电子束可驱出内层（K、L或 M）的电子，使原子处于电离 或激发态。电子在电离后约重 10-12s内复原到基态（最低能 量状态）。在复原过程中，电 子从某一壳层跃迁到另一壳层， 这些跃迁导致某种可能的结果： 激发态原子的多余能量将以电 磁波辐射的光子形式释放出来。 该光子的能量等于在跃迁过程 中有关壳层间的能量差，对于 内层电子的跃迁，该光子的能 量正好处于X射线电磁波的谱 段内。