电子探针分析
电子探针分析方法 结构与工作原理
电子探针分析方法结构与工作原理一、引言电子探针分析方法是一种常用的表面分析技术，可以用于研究材料的表面形貌、化学成分和电子结构等。
本文将详细介绍电子探针分析方法的结构和工作原理。
二、电子探针分析方法的结构电子探针分析方法主要由以下几个部分组成：1. 电子枪电子枪是电子探针分析仪器中的核心部件，它产生高能电子束。
电子枪通常由阴极、阳极和加速电极等组成。
阴极发射电子，经过加速电极加速后形成电子束。
2. 聚焦系统聚焦系统用于将电子束聚焦到一个小的区域，以提高分辨率。
聚焦系统通常由一组磁铁和透镜组成，通过调节磁场和电场来实现电子束的聚焦。
3. 电子探测器电子探测器用于检测电子束与样品相互作用后产生的信号。
常用的电子探测器包括二次电子探测器和能量色散X射线谱仪。
二次电子探测器可以获得样品表面的形貌信息，而能量色散X射线谱仪可以获得样品的化学成分信息。
4. 样品台样品台是用于支撑和定位样品的平台。
样品台通常具有多个自由度的运动，以便于对样品进行精确定位和调整。
三、电子探针分析方法的工作原理电子探针分析方法的工作原理基于电子束与样品相互作用后产生的信号。
主要包括以下几个步骤：1. 电子束的生成与聚焦电子束由电子枪产生，并经过聚焦系统聚焦到一个小的区域。
聚焦系统通过调节磁场和电场来实现电子束的聚焦，以提高分辨率。
2. 电子束与样品的相互作用电子束与样品相互作用后，会发生多种物理与化学过程，如电子散射、电子俘获、电子激发等。
这些相互作用会产生二次电子、背散射电子、X射线等信号。
3. 信号的检测与分析电子探测器用于检测电子束与样品相互作用后产生的信号。
二次电子探测器可以获得样品表面的形貌信息，而能量色散X射线谱仪可以获得样品的化学成分信息。
通过对信号的检测与分析，可以得到关于样品表面形貌、化学成分和电子结构等方面的信息。
4. 数据处理与图像重建获得的信号经过数据处理与图像重建，可以得到样品的表面形貌图像、元素分布图像等。
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。
电子探针分析原理
重元素玻璃EDS谱线图
该玻璃含有Pb、 Ta、Ba、Si、O等 主要组分，以及Bi、 Al等微量组分
二、波谱定性分析
• 基本原理：在电子束的轰击下，样品产生组成元素的特征X 射线，然后由谱仪的分光晶体分光，计数管接收并转换成脉 冲信号，最后由计数器显示，或由记录仪记录下试样组成元 素的特征X射线全谱。
Ci Ii k C(i) I(i)
式中，Ci和C(i)分别为样品和标样中i元素的浓度，Ii和I(i) 分别为样品和标样中i元素的X射线强度。
二、定量分析数据的预处理
（一）背景修正 实验测得的特征X射线强度必须扣除连续X射线所造成的背
景强度，即进行背景修正。 测定背景值的方法有如下几种： (1)如果背景强度是X射线波长的线性函数，则在谱峰两侧偏
对于定量分析来说，这样的处理是远远不够的。这是因为X 射线强度比与元素浓度比之间并非呈简单的线性关系。造 成这种非线性关系的因素包括内因和外因两方面。
内因：①试样和标样对入射电子的原子序数效应；②试样和 标样对X射线的吸收效应；③试样和标样对X射线的荧光 效应。
外因：电子入射角、X射线的出射角以及电子加速电压等。 因此，在尽量保证外因影响最弱的情况下，就必须进行内因
一、能谱定性分析
• 根据探测器（正比计数管、闪烁计数管）输出脉冲幅度与 入射X射线在检测器中损耗能量之间的已知关系来确定X 射线能量。
• 分析原理：（1）样品中同一元素的同一线系特征X射线的 能量值是一定的，不同元素的特征X射线的能量值各不相 同。（2）利用能谱仪接收和记录样品中特征X射线全谱， 并展示在屏幕上。（3）然后移动光标，确定各谱峰ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ能 量值，通过查表和释谱，可测定出样品组成。
电子探针分析原理
等组成
电 子 光 学 系 统 与 X 射 线 谱 仪 结 构 图
X射线谱仪
电子枪
电磁透镜 物镜光阑
探针电流检测器 微物镜样品
电 子 光 学 系 统 详 细 剖 面 图
灯丝 栅极 阳极
第五节 电子探针定性分析
• 定性分析是指确定未知样品所含有的在 检测极限范围内的所有元素。 • 电子探针定性分析包括①波长色散X射线 光谱法(wavelength-dispersive X-ray spectrometry,WDS)，②能量色散X射线 光谱法(energy-dispersive X-ray spectrometry,EDS)。EDS的检测极限为 0.1wt%±，WDS的检测极限大部分为 100ppm，极理想情况下可达10ppm。
nBSE iBSE nB iB
式中，nBSE为背散射电子数，nB为入射电子数，iB为入 射电流，iBSE为背散射电流。
• 1、背散射系数与原子序数之间的关系
• 研究表明，电子的背散射作用随原子序数增加而增 强。统计结果显示背散射系数与原子序数（Z）之间 存在良好的相关关系：
0.0254 0.016Z 1.8610 Z 8.3107 Z 3
当入射电子轰击样品时，因为受到原子核库仑 场的作用而急剧减速，在减速过程中会产生 电子能量损失，于是就辐射出X射线，这种 辐射作用称为韧致辐射(bremsstrahlung)。 由于在原子核库仑场作用下入射电子的速度变 化是连续的，辐射出的X射线的能量也是连 续的，可以从0KeV至样品原子的能量，所 以称为连续X射线。 因此，当电子束轰击样品时，因为受到原子核 库仑场的作用发生韧致辐射而形成的具有连 续能量变化的X射线称为连续X射线。 在电子探针分析时，连续X射线表现为背景。
electron probe analysis
electron probe analysis电子探针分析是一种用电子束照射材料并测量产生的各种信号来分析样品成分的高级技术。
它是一种精密而强大的分析方法，广泛应用于材料科学、地质学、生命科学等领域。
本文将深入探讨电子探针分析的原理、应用和发展趋势。
原理及仪器：电子探针分析的核心原理是基于电子与物质相互作用的过程。
当高能电子束照射到样品表面时，电子会与原子中的电子发生相互作用，导致样品发射出多种信号，包括X射线、二次电子、和退火电子。
通过测量这些信号的性质和数量，可以确定样品中的元素、结构和组分。
电子探针分析的仪器主要由电子枪、样品室、X射线谱仪和控制系统等组成。
电子枪产生高能电子束，照射到样品表面；样品室用于支持和定位样品；X射线谱仪检测和分析样品发射的X射线。
控制系统则负责调整仪器参数，以获取准确的分析结果。
应用领域：电子探针分析广泛应用于材料科学、地质学、金属学等多个领域。
在材料科学中，它常用于分析金属、陶瓷、半导体等材料的成分和微观结构。
在地质学中，电子探针分析可用于研究岩石和矿物的成分，提供关于地质过程和历史的重要信息。
在金属学中，电子探针分析可用于质量控制和材料研究，确保金属产品符合特定的标准。
技术优势：与传统的化学分析方法相比，电子探针分析具有许多技术优势。
首先，它具有极高的空间分辨率，能够在微米尺度上进行分析。
其次，电子探针分析不需要样品的特殊制备，适用于各种形状和尺寸的样品。
此外，它具有多元素分析的能力，可以同时检测多个元素，提高了分析的效率。
发展趋势：随着科技的不断进步，电子探针分析技术也在不断发展。
未来的发展趋势包括提高空间分辨率、降低分析的检测限、推动样品制备技术的创新等。
同时，与其他先进的分析技术结合，如扫描电子显微镜和能谱技术，将进一步拓展电子探针分析在科学研究和工业应用中的应用范围。
电子探针分析作为一种强大而高效的分析技术，对于材料研究和质量控制具有重要意义。
通过深入了解其原理、仪器、应用和未来发展趋势，我们可以更好地理解这一技术的优势和局限性，促进其在不同领域的广泛应用。
实验6 电子探针(能谱仪)结构原理及分析方法
实验6 电子探针（能谱仪）结构原理及分析方法一、实验目的与任务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1Pm的细焦电子束，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第十四章，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、实验方法及操作步骤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-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。
电子行业11电子探针分析
电子行业 11 电子探针分析1. 简介在电子行业中，探针是一种常用的测试工具。
它可以用来检测电路中的信号或是检测电子设备的性能。
在本文中，我将介绍电子行业中常见的电子探针以及它们的应用。
2. 电子探针类型2.1 空气探针空气探针是一种常见的电子探针。
它通常由金属尖头和手柄组成，用于接触电路中的信号。
空气探针可以通过触点接收电路中的信号，并将其传输到测试仪器中进行分析。
空气探针常用于测量电路中的电压、电流和频率等参数。
2.2 刚性探针刚性探针是另一种常见的电子探针。
与空气探针不同，刚性探针使用硬的金属尖头来接触电路中的信号。
刚性探针通常用于测量小尺寸电子元件或者在封装较为复杂的电路上进行精确的测量。
刚性探针的尖头通常非常细小，可以准确地进行信号接触。
2.3 逻辑分析探针逻辑分析探针是一种特殊的电子探针，用于分析数字电路中的信号。
逻辑分析探针通常通过引脚或者针脚连接到电路的输出端口上，然后将信号传输到逻辑分析仪进行分析。
逻辑分析探针可以用于检测和分析电路中的高低电平、时序以及通信协议等。
2.4 海绵探针海绵探针是一种特殊的电子探针，其尖头以海绵的形式设计。
海绵探针通常用于敏感的电子元器件测量，可以减少尖头对电路的损伤。
海绵探针的尖头通常非常柔软，可以适应不同形状的元器件。
3. 电子探针的应用3.1 电路测试电子探针常用于电路测试中。
通过使用电子探针，我们可以轻松地检测电路中的信号，并将其传输到测试仪器中进行分析。
电子探针的使用可以帮助我们发现电路中的故障，并准确地测量电路的性能。
3.2 元器件测量电子探针可以用于精确测量元器件的参数。
例如，我们可以使用刚性探针来测量电阻、电容和电感等元器件的数值。
通过测量这些参数，我们可以准确地了解元器件的性能。
3.3 信号分析逻辑分析探针可以用于分析数字电路中的信号。
通过使用逻辑分析探针，我们可以了解电路中的高低电平、时序以及通信协议等。
这对于开发和调试数字电路非常有用。
第六章电子探针显微分析详述
能谱仪
能谱仪
Carbon Calcium
Silicon Overlaying
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
波谱仪（WDS） 用几块分光晶体 顺序进行分析 4Be～92U
与分光晶体有关，~5 eV
波谱仪和能谱仪的比较
Superposed EDS and WDS spectra from BaTiO3. The EDS spectrum shows the strongly overlapped Ba La-Ti Ka and Ba L1-Ti K peaks. The WDS peaks are clearly resolved.
滑，分析速度较慢，需要用较大的束流，从而容易引起样品 和镜筒的污染。
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。
1．电子探针仪的分析方法
(1) 定点定性分析
能谱谱线的鉴别可以用以下二种方法： (1)根据经验及谱线所在的能量位置估计某一峰或
几个峰是某元素的特征X射线峰，让能谱仪在荧 光屏上显示该元素特征X射线标志线来核对； (2)当无法估计可能是什么元素时，根据谱峰所在 位置的能量查找元素各系谱线的能量卡片或能量 图来确定是什么元素。
几何收集效率
分析精度 (浓度>10%，Z>10)
电子探针分析技术
被电子轰击的微区是X-ray源， X-ray分光、
聚焦、被检测器接受，有两种方式：
电子束
C3 C2
2Θ3
• X-ray照射分光晶体的方向固定，可使
X-ray穿出样品表面过程中所走的路线
2Θ2 C1 2Θ1
D1 O3
S
样品 O2
O1
D2
完全相同，即吸收条件相等。分光晶体 沿直线运动时，晶体本身应产生相应的 转动，使不同波长的X-ray满足布拉格 条件，位于聚焦圆周上滑动的探测器能 接受到衍射线。
检测器D
入射电子束 各种波长X射线
λ2 λ Θ2 λ1
Θ Θ1
Ψ
• （一）工作原理：在电子探针中
X-ray是由样品表面以下一个 μm及纳米数量级的作用体积内
dhkl
激发出来的，若含有多种元素，
则可以激发出各个相应元素的特
分光晶体
征X-ray。若在样品上方水平放 置一块具有适当晶面间距的晶体，
入射X-ray的波长、入射角、晶 面间距符合布拉格条件，就会发
• 元素 重量 原子
•
百分比 百分比
• O K 32.28 51.03
• Al K 40.81 38.26
• Cu K 26.91 10.71
•
• 总量 100.00
第十六章 其它显微分析方法简介
• 目的：了解几种表面分析仪器的工作原理和应用。 • 重点、难点：理解解离子探针、低能电子衍射、俄歇电子
• Cu K
27.82 14.56
•
• 总量 100.00
陶瓷表面镀铜
• 谱图处理 : • 没有被忽略的峰
• 处理选项 : 所有经过分析的元素 (已归一化) • 重复次数 = 3
第十五章电子探针显微分析
分光晶体
试样
探测器
第一节 电子探针仪的结构与工作原理
二、波长分散谱仪 (一) 工作原理 入射束
分光晶体
探测器
试样
第一节 电子探针仪的结构与工作原理
二、波长分散谱仪 (一) 工作原理 入射束
分光晶体
探测器
试样
第一节 电子探针仪的结构与工作原理
二、波长分散谱仪 (一) 工作原理 入射束
第二节 电子探针仪的分析方法及应用
一、定性分析 1. 点分析
B
D C
A
Al 1.33 Ti 3.26 Y 93.64 Nb 1.77
Al 33.71 Ti 5.42 Y 60.87
Al 28.10 Ti 58.96 Nb 12.94
Al 32.45 Ti 54.21 Nb 13.34
图13-9 元素的点分析
点分析主要用于物相的元素组成分析， 第一节 电子探针仪的结构与工作原理
入结合射定束量分析结果，
如图15-5所示，回转式波谱仪检测不同波长X射线时，分 量为 E 的X光子进入检测器后，将激发N个电子-空穴对，产
分光晶体
第一节 电子探针仪的结构与工作原理
电子探针的信号检测系统是X射线谱仪， 检测X射线波长的谱
分光晶体
探测器
试样
第一节 电子探针仪的结构与工作原理
二、波长分散谱仪 (一) 工作原理 入射束
分光晶体
探测器
试样
第一节 电子探针仪的结构与工作原理
二、波长分散谱仪 (一) 工作原理
如图15-5所示，回转式波谱仪检测不同波长X射线时，分 光晶体在聚焦圆周上移动，检测器以相应的2倍的角速度在同
电子探针分析的原理及应用
电子探针分析的原理及应用1. 什么是电子探针分析电子探针分析（EDXA）是一种非破坏性的元素分析技术，它利用电子探针对样品进行扫描，测量样品中元素的组成和分布。
通过分析样品中的元素含量和空间分布，可以获取有关样品化学成分、晶体结构和元素显微区域分布的信息。
电子探针分析广泛应用于材料科学、地质学、生物学等领域。
2. 电子探针分析的原理电子探针分析基于以下几个基本原理：•触发效应：电子束与物质相互作用时，会激发样品中的原子和分子，从而引发一系列物理过程，包括发射特定的X射线。
•特征X射线产生：当电子束与样品相互作用时，通过电子-原子相互作用，快速电子会被样品中的原子击中，产生特定能量的X射线。
•X射线分析：通过检测和分析这些特征X射线的能量和强度，可以确定样品中含有的元素种类和相对含量。
3. 电子探针分析的应用电子探针分析在材料科学、地质学、生物学等领域有广泛的应用，例如：3.1 材料科学•化学成分分析：电子探针分析可以用于材料的化学成分分析，帮助确定材料中各种元素的含量。
•晶体结构分析：通过电子探针分析，可以确定晶体样品的晶格结构和晶体缺陷的类型和分布。
•材料质量控制：电子探针分析可以用于材料的质量控制，例如通过检测材料中的杂质含量来保证材料的品质。
3.2 地质学•矿石分析：电子探针分析可以用于地质样品中矿石的元素分析，帮助矿物学家了解地质样品中的元素含量和分布。
•岩石成分分析：通过电子探针分析，可以确定岩石样品中各种元素的含量和分布，从而了解岩石的成因和演化历史。
•地球化学研究：电子探针分析可以用于地球化学研究，例如通过分析地沟壁岩样品中的元素含量，可以了解地质过程中的地球化学反应。
3.3 生物学•细胞成分分析：电子探针分析可以用于生物样品中细胞成分的分析，例如细胞内的元素含量和分布。
•组织结构分析：通过电子探针分析，可以对组织样品进行测量，获得组织内各种元素的含量和分布情况。
•生物样品分析：电子探针分析可以用于生物样品的元素分析，例如血液样品中的元素含量。
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。
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电子探针是一种常用的表面分析仪器，主要用于研究材料的表面形貌、表面成分和表面结构。
本实验主要介绍电子探针的结构原理及常用的分析方法。
一、电子探针的结构原理电子探针主要由以下组成部分构成：1.电子枪：电子枪是产生并加速电子束的装置。
它由阴极、阳极和栅极组成，通过电子枪产生的电场和磁场将电子束加速并定向到样品表面。
2.样品台：样品台是用于固定样品的平台，通常具有微调功能，可调整样品的位置和角度。
3.探头：探头是连接电子枪与样品的部分，主要由电子透镜和对象器组成。
4.电子探测器：电子探测器用于检测样品表面反射、散射或发射的电子，将其转化为电信号并进行放大和处理，最终形成图像或谱图。
5.显示器与计算机：将电子探测器输出的信号通过显示器显示，并通过计算机进行数据处理和图像生成。
电子探针的工作原理是利用电子束与样品表面相互作用产生的信号来分析样品的性质。
当电子束照射到样品表面时，会与样品中的原子、分子和晶体产生相互作用，引起样品表面的不同反应。
根据样品与电子束之间的相互作用类型，电子探针可以分为以下几种分析方法。
二、电子探针常用的分析方法1.电子能谱分析：电子能谱分析是电子探针的主要应用之一，它是通过测量样品反射或散射的电子能谱来研究样品的成分和结构。
电子能谱可以提供样品中元素的信息、元素化学状态、表面形貌等多种信息。
通过比对标准样品的能谱图，可以确定待测样品中的元素组成及含量。
2.扫描电镜观察：扫描电镜是利用电子束与样品表面相互作用产生的信号来观察样品表面形貌的方法。
相比传统的光学显微镜，扫描电镜具有更高的分辨率和更大的放大倍数。
通过调整扫描电镜的参数，可以获得样品表面的高分辨率图像，观察样品的形貌、纹理和微观结构。
3.能谱成像：能谱成像是将电子探针的能谱分析与扫描电镜观察相结合的一种方法。
通过在样品表面进行连续的电子能谱分析，可以获得样品表面不同位置的元素组成信息。
将这些信息与扫描电镜获得的图像相结合，就可以得到具有元素分布和形貌信息的能谱成像图像。
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。
电子探针分析
2R sin 2
式中ρ 为入射狭缝至接收狭缝的距离； R为聚焦圆半径。
由图可看出：
SC1 C1D1 2 R sin 1 SC2 C2 D2 2 R sin 2
即当晶体位于θ 角时，晶体与 光源之间的距离：
L 2 R sin
d d R 由于sin θ<1，所以： 2 R,即d d 2
1 Fi ......(6) IF 1 IA
式中 IA为A元素特征X射线强度， IF为荧光X射线强度.
将以上各项修正因素代入式(3)得:
RA S AB FA X A 1 Ci Ki RAB S A FAB X AB 1 I F IA
迭代运算 根据第一次校正浓度，再经过几 次迭代运算校正后得到一个收敛的近 似值。大量成分精确已知的标准样品， 采取ZAF校正程序进行定量分析结果表 明，校正后的元素浓度和真实浓度之 间误差可达1～2%，这对大多数应用来 说已是够准确的。定量校正计算的手 续相当繁琐，通常都是用计算机运算 处理。
由于电子探针的X射线源相当于一 个点源，而晶体有一定尺寸，如采用 平面晶体，则晶体面上各处入射角不 同，所以实际的波谱仪采用有一定聚 焦作用的弯曲面晶体，X射线源、晶 体和检测器三者位于半径为R的圆周 上（该圆称罗兰圆或聚焦圆）。
如图所示， 晶体先弯曲成曲 率半径为2R的柱 面，即晶面(h,k,l) 的曲率半径为2R， 然后再研磨成外 形曲率半径为R 的检测晶体。
3) ZAF修正法 样品中组成元素的百分含量与样品 激发区内该元素产生的特征X射线成正 比，但是，在特征X射线从产生到逸出 表面的过程中，其强度会发生一定变化. 目前认为，这种变化由：
样品中各组成元素的原子序数(Z) 元素本身与元素间的吸收(A) 荧光效应(F) 三种主要因素决定。因此,要获得准确 的电子探针定量分析结果，必须进行这 三种因子的修正计算。这种修正计算方 法叫ZAF法，修正计算的总公式为：
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
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
11电子探针分析
波谱仪和能谱仪的比较
操作特性 对表面要求
波谱仪（WDS） 能谱仪（EDS）
平整，光滑
较粗糙表面也适用
典型数据收集时间 10 min
2~3 min
谱失真 最小束斑直径
少 ~ 200 nm
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
探测极限
0.01~0.1%
0.1~0.5%
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。
回转式波谱仪
• 聚焦圆的中心O固定，分光晶体和检测器在圆周上 以1：2的角速度运动来满足布拉格衍射条件。
• 这种谱仪结构简单，但由于分光晶体转动而使X射 线出射方向变化很大，在样品表面不平度较大的情 况下，由于X射线在样品内行进的路线不同，往往 会造成分析上的误差。
• 另一种是利用特征X射线能量不同来展谱，的能量色散谱仪， 简称能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer）。
一、电子探针仪的结构与工作原理
• 电子探针仪的结构示 意图见右图，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。
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
• 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。
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能谱仪的结构
能谱仪的工作原理
• 由试样出射的具有各种能量的X光子(图8-29)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。 • 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。
• • • • • • • • • • • 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。 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0.1m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接高压正端和前置放大器的场效应管相 连接。
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。 • 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。
波谱仪和能谱仪的比较
量子效率 瞬时接收范 围 最大记数速 率 分析精度 (浓度>10%， Z>10) 改变，< 30% ~ 100% (2.5~15 keV)
谱仪能分辨的范 全部有用能量范围 围 ~ 50000 cps 与分辨率有关，使在 (在一条谱线上) 全谱范围内得到最佳 分辨时，< 2000 cps 1~5% 5%
(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- 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。
(2) 线扫描分折
• 使聚焦电子束在试样观察区内沿一选定直线（穿
越粒子或界面）进行慢扫描，X射线谱仪处于探测 某一元素特征X射线状态。
• 显像管射线束的横向扫描与电子束在试样上的扫
描同步，用谱仪探测到的X射线信号强度（计数率）
调制显像管射线束的纵向位置就可以得到反映该
元素含量变化的特征X射线强度沿试样扫描线的分 布。
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。 • 最终得到以通道（能量）为横坐标、通道计数 （强度）为纵坐标的X射线能量色散谱，并显示于 显像管荧光屏上。下图为NaCl的扫描形貌像及其 能量色散谱。
•
四、电子探针仪的分析方法及应用
• 1．电子探针仪的分析方法
• 电子探针分析有四种基本分析方法：定点定性分 析、线扫描分析、面扫描分析和定点定量分析。
• 准确的分析对实验条件有两大方面的要求。 • 一是对样品有一定的要求：如良好的导电、导热 性，表面平整度等；
• 二是对工作条件有一定的要求：如加速电压，计 数率和计数时间，X射线出射角等。
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。 • 有关X射线探测器的结构及工作原理可参看“多晶 体X射线衍射分析方法”一章，此处不再重复。
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。
回转式波谱仪
• 聚焦圆的中心O固定，分光晶 体和检测器在圆周上以1：2的 角速度运动来满足布拉格衍射 条件。 • 这种谱仪结构简单，但由于分 光晶体转动而使X射线出射方 向变化很大，在样品表面不平 度较大的情况下，由于X射线 在样品内行进的路线不同，往 往会造成分析上的误差。
波谱仪和能谱仪的比较
操作特性
分析方式
波谱仪（WDS）
用几块分光晶体 顺序进行分析
能谱仪（EDS）
用Si(Li) EDS 进行多元素同时分 析 Z≥6 (无窗)
分析元素范围
分辨率
几何收集效率
Z≥4 Z≥11 (铍 窗) 与分光晶体有关， 与能量有关， ~5 eV 145~150 eV (5.9 keV) 改变，< 0.2% < 2%
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
能谱定性分析
•
微区成分分析
•
能谱定性分析
• 能谱谱线的鉴别可以用以下二种方法： • (1)根据经验及谱线所在的能量位量估计某 一峰或几个峰是某元素的特征X射线峰，让 能谱仪在荧光屏上显示该元素特征X射线标 志线来核对； • (2)当无法估计可能是什么元素时，根据谱 峰所在位置的能量查找元素各系谱线的能 量卡片或能量图来确定是什么元素。
能谱定性分析
• X射线能谱定性分析与定量分析相比，虽然比较简 单、直观，但也必须遵循一定的分析方法，能使 分析结果正确可靠。 • 一般来说，对于试样中的主要元素（例如含量＞ 10％）的鉴别是容易做到正确可靠的；但对于试 样中次要元素（例如含量在0.5-10％）或微量元 素（例如含量＜0.5％）的鉴别则必须注意谱的干 扰、失真、谱线多重性等问题，否则会产生错误。
波谱谱仪测试结果
2、能谱仪结构和工作原理
• 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。
锂漂移硅Si(Li)探测器
• 能谱仪使用锂漂移硅Si(Li)探测器，结构如图。
锂漂移硅Si(Li)探测器
电子探针显微分析
电子探针X射线显微分析
• 电子探针X射线显微分析（简称电子探针显微分析） （Electron Probe Microanalysis，简称EPMA） 是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析， 它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分， 因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为 有用的分析方法。 • 电子探针镜筒部分的结构大体上和扫描电子显微 镜相同，只是在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。
聚焦圆
• 两种X射线聚焦的方法。第一种方法称为约翰(Johann)型 聚焦法(a)，虚线圆称为罗兰圆（Rowland circle）或聚 焦圆。
聚焦圆
• (b)聚焦方式叫做约翰逊 (Johansson)型聚焦法。 • 这种方法是把衍射晶面曲率半径 弯成2R的晶体，表面磨制成和聚 焦圆表面相合(即晶体表面的曲 率半径和R相等)，这样的布置可 以使A、B、C三点的衍射束正好 聚焦在D点，所以这种方法也叫 做完全聚焦法。
直进式谱仪
• 直进式谱仪的特点:分 光晶体从点光源S向外 沿着一直线运动，X射 线出射角不变，晶体通 过自转改变角。聚焦 圆的中心O在以S为中心， R为半径的圆周上运动。 • 结构复杂，但X射线照 射晶体的方向固定，使 X射线穿出样品表面过 程中所走的路线相同， 也就是吸收条件相同。
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。在X射线谱仪中使用的分光晶体 还必须能弯曲成一定的弧度、在真空中不发生变 化等。 • 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。
使用范围
• 1、高分子、陶瓷、混凝土、生物、矿物、纤维等 无机或有机固体材料分析. • 2、金属材料的相分析、成分分析和夹杂物形态成 分鉴定. • 3、可对固体材料的表面涂层、镀层进行分析，如： 金属化膜表面镀层的检测. • 4、金银饰品、宝石首饰的鉴别，考古和文物鉴定， 以及刑侦鉴定等领域. • 5、进行材料表面微区成分的定性和定量分析，在 材料表面做元素的面、线、点分布分析。
波谱仪和能谱仪的比较
• 综上所述，波谱仪分析的元素范围广、探测极限小、 分辨率高，适用于精确的定量分析。其缺点是要求 试样表面平整光滑，分析速度较慢，需要用较大的 束流，从而容易引起样品和镜筒的污染。 • 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。
一、结构与工作原理
• 电子探针仪的结构示 意图见图. • 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