能谱仪的结构、原理及使用
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原理
重庆华硕建设有限公司
图2 入射电子束在试样内的扩散
二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
重庆华硕建设有限公司
（3）峰/背比（P/B）
❖ 按照札卢泽克（Zaluzec）理论，探测到的薄膜试 样中元素的X射线强度N的表示式如下：
N=(IσωpN0ρCtΩ)/4επM
式中：
I——入射电子束强度；
细节决定成败 价值源于自我
重庆华硕建设有限公司
一、实验目的 细节决定成败 价值源于自我
重庆华硕建设有限公司
❖结合场发射扫描电镜Sirion 200附件GENESIS60E型X-射 线能谱仪，了解能谱仪的结构及工作原理。
❖ 结合实例分析，熟悉能谱分析方法及应用。
❖ 学会正确选用微区成分分析方法及其分析参数的选择 。
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
原理
重庆华硕建设有限公司
（6）元素的面分布分析方法
用扫描像观察装置，使电子束在试样上做二 维扫描，测量特征X射线的强度，使与这个强度对 应的亮度变化与扫描信号同步在阴极射线管CRT 上显示出来，就得到特征X射线强度的二维分布的 像。
三、实验步骤与方法 细节决定成败 价值源于自我
原理
重庆华硕建设有限公司
（2）空间分辨率
图2示出入射电子束的直径和电子束在试样内 的扩展，即X射线产生区域的示意图。
在分析电子显微镜的分析中，电子束在试样 中的扩展对空间分辨率是有影响的，加速电压、入 射电子束直径、试样厚度、试样的密度等都是决定 空间分辨率的因素。
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
❖ X射线探测器的种类和原理
展成谱的方法：
❖X射线能量色散谱方法(EDS:energy dispersive X-ray spectroscopy)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
❖X射线波长色散谱方法(WDS：wavelength dispersive X-ray spectroscopy)
在分析电子显微镜中均采用探测率高的EDS 。从试样产生的X射线通过测角台进入到探测器中 。
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。
❖超薄窗口型（UTW type : ultra thin window type ）
它吸收X射线少，可以测量C(Z＝6)以上的比较 轻的元素。
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
原理
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❖EDS的分析技术
（1）X射线的测量
当用强电子束照射试样，产生大量的X射线时 ，系统的漏计数的百分比就称为死时间Tdead,它可 以用输入侧的计数率RIN和输出侧的计数率ROUT来 表示：
Tdead＝（1－ROUT/RIN）×100％
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
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图1 EDS系统框图
二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
重庆华硕建设有限公司
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:
❖铍窗口型（beryllium window type）
重庆华硕建设有限公司
❖ 样品和电子扫描显微镜
（1）为了得到较精确的定性、定量分析结果，应该 对样品进行适当的处理，尽量使样品表面平整、光 洁和导电。
三、实验步骤与方法 细节决定成败 价值源于自我
重庆华硕建设有限公司
（2）调整电子扫描显微镜的状态，使X射线EDS探
测器以最佳的立体角接收样品表面激发出了特征X 光子。
❖ 调理电镜加速电压。
❖ 调整工作距离、样品台倾斜角度以及探测器臂长。
❖ 调整电子束对中和束斑尺寸，使输入计算率达到最 佳。
σ——离化截面；
ω——荧光产额；
ρ——密度；
p——关注的特征X射线产生的比值；
N0——阿弗加德罗常数；
C——化学组成（浓度）（质量分数，％）；
t——试样厚度； ；
Ω——探测立体角
ε——探测器效率； 。
M——相对原子质量
二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
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（4）定性分析
原理
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❖ ①自动定性分析
自动定性分析是根据能量位置来确定峰位， 直接单击“操作/定性分析”按钮，即可实现自动定 性分析，在谱的每个峰的位置显示出相应的元素符 号。
❖ ②手动定性分定性分析
自动定性分析优点是识别速度快，但由于能谱 谱峰重叠干扰严重，自动识别极易出错为此分析者 在仪器自动定性分析过程结束后，还必须对识别错 了的元素用手动定性分析进行修正。
上，电子轨道内出现的空位被外壳层轨道的电子填 入时，作为多余的能量放出的就是特征X射线。
❖ 特点：特征X射线具有元素固有的能量，所以，将 它们展开成能谱后，根据它的能量值就可以确定元 素的种类，而且根据谱的强度分析就可以确定其含 量。
二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
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二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
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（5）定量分析
定量分析是通过X射线强度来获取组成样品材 料的各种元素的浓度。根据实际情况，人们寻求并 提出了测量未知样品和标样的强度比方法，再把强 度比经过定量修正换算呈浓度比。最广泛使用的一 种定量修正技术是ZAF修正。本软件中提供了两种 定量分析方法：无标样定量分析法和有标样定量分 析析法。
为保证定性分析的可靠性，采谱时必须注意 两条：
第一，采谱前要对能谱仪的能量刻度进行校 正，使仪器的零点和增益值落在正确值范围内；
第二，选择合适的工作条件，以获得一个能 量分辨率好，被分析元素的谱峰有足够计数、无杂 峰和杂散辐射干扰或干扰最小的EDS谱。
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
原理
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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。
二、能谱仪结构及工作
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原理
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❖特征X射线的产生
❖ 产生：内壳层电子被轰击后跳到比费米能高的能级
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图2 入射电子束在试样内的扩散
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（3）峰/背比（P/B）
❖ 按照札卢泽克（Zaluzec）理论，探测到的薄膜试 样中元素的X射线强度N的表示式如下：
N=(IσωpN0ρCtΩ)/4επM
式中：
I——入射电子束强度；
细节决定成败 价值源于自我
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一、实验目的 细节决定成败 价值源于自我
重庆华硕建设有限公司
❖结合场发射扫描电镜Sirion 200附件GENESIS60E型X-射 线能谱仪，了解能谱仪的结构及工作原理。
❖ 结合实例分析，熟悉能谱分析方法及应用。
❖ 学会正确选用微区成分分析方法及其分析参数的选择 。
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
原理
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（6）元素的面分布分析方法
用扫描像观察装置，使电子束在试样上做二 维扫描，测量特征X射线的强度，使与这个强度对 应的亮度变化与扫描信号同步在阴极射线管CRT 上显示出来，就得到特征X射线强度的二维分布的 像。
三、实验步骤与方法 细节决定成败 价值源于自我
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（2）空间分辨率
图2示出入射电子束的直径和电子束在试样内 的扩展，即X射线产生区域的示意图。
在分析电子显微镜的分析中，电子束在试样 中的扩展对空间分辨率是有影响的，加速电压、入 射电子束直径、试样厚度、试样的密度等都是决定 空间分辨率的因素。
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
❖ X射线探测器的种类和原理
展成谱的方法：
❖X射线能量色散谱方法(EDS:energy dispersive X-ray spectroscopy)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
❖X射线波长色散谱方法(WDS：wavelength dispersive X-ray spectroscopy)
在分析电子显微镜中均采用探测率高的EDS 。从试样产生的X射线通过测角台进入到探测器中 。
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。
❖超薄窗口型（UTW type : ultra thin window type ）
它吸收X射线少，可以测量C(Z＝6)以上的比较 轻的元素。
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
原理
重庆华硕建设有限公司
❖EDS的分析技术
（1）X射线的测量
当用强电子束照射试样，产生大量的X射线时 ，系统的漏计数的百分比就称为死时间Tdead,它可 以用输入侧的计数率RIN和输出侧的计数率ROUT来 表示：
Tdead＝（1－ROUT/RIN）×100％
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
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图1 EDS系统框图
二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
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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:
❖铍窗口型（beryllium window type）
重庆华硕建设有限公司
❖ 样品和电子扫描显微镜
（1）为了得到较精确的定性、定量分析结果，应该 对样品进行适当的处理，尽量使样品表面平整、光 洁和导电。
三、实验步骤与方法 细节决定成败 价值源于自我
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（2）调整电子扫描显微镜的状态，使X射线EDS探
测器以最佳的立体角接收样品表面激发出了特征X 光子。
❖ 调理电镜加速电压。
❖ 调整工作距离、样品台倾斜角度以及探测器臂长。
❖ 调整电子束对中和束斑尺寸，使输入计算率达到最 佳。
σ——离化截面；
ω——荧光产额；
ρ——密度；
p——关注的特征X射线产生的比值；
N0——阿弗加德罗常数；
C——化学组成（浓度）（质量分数，％）；
t——试样厚度； ；
Ω——探测立体角
ε——探测器效率； 。
M——相对原子质量
二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
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（4）定性分析
原理
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❖ ①自动定性分析
自动定性分析是根据能量位置来确定峰位， 直接单击“操作/定性分析”按钮，即可实现自动定 性分析，在谱的每个峰的位置显示出相应的元素符 号。
❖ ②手动定性分定性分析
自动定性分析优点是识别速度快，但由于能谱 谱峰重叠干扰严重，自动识别极易出错为此分析者 在仪器自动定性分析过程结束后，还必须对识别错 了的元素用手动定性分析进行修正。
上，电子轨道内出现的空位被外壳层轨道的电子填 入时，作为多余的能量放出的就是特征X射线。
❖ 特点：特征X射线具有元素固有的能量，所以，将 它们展开成能谱后，根据它的能量值就可以确定元 素的种类，而且根据谱的强度分析就可以确定其含 量。
二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
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二、能谱仪结构及工作原理 细节决定成败 价值源于自我
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（5）定量分析
定量分析是通过X射线强度来获取组成样品材 料的各种元素的浓度。根据实际情况，人们寻求并 提出了测量未知样品和标样的强度比方法，再把强 度比经过定量修正换算呈浓度比。最广泛使用的一 种定量修正技术是ZAF修正。本软件中提供了两种 定量分析方法：无标样定量分析法和有标样定量分 析析法。
为保证定性分析的可靠性，采谱时必须注意 两条：
第一，采谱前要对能谱仪的能量刻度进行校 正，使仪器的零点和增益值落在正确值范围内；
第二，选择合适的工作条件，以获得一个能 量分辨率好，被分析元素的谱峰有足够计数、无杂 峰和杂散辐射干扰或干扰最小的EDS谱。
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
原理
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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。
二、能谱仪结构及工作
细节决定成败 价值源于自我
原理
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❖特征X射线的产生
❖ 产生：内壳层电子被轰击后跳到比费米能高的能级