第十一章 电子探针显微分析

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11-1 电子探针显微分析的特点
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.显微结构分析 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 5.微区离子迁移研究
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一. 显微结构分析
电子探针是利用0.5μm－1μm的高能电子束激发所分析 的试样，通过电子与试样的相互作用产生的特征X 射线、二 次电子、吸收电子、 背散射电子及阴极荧光等信息来分析 试样的微区内(μm范围内)成份、形貌和化学结合状态等特 征。电子探针成分分析的空间分辨率（微区成分分析所能分 析的最小区域）是几个立方μm范围， 微区分析是它的一个 重要特点之一, 它能将微区化学成份与显微结构对应起来， 是一种显微结构的分析。而一般化学分析、 X 光荧光分析 及光谱分析等，是分析试样较大范围内的平均化学组成，也 无法与显微结构相对应, 不能对材料显微结构与材料性能关 系进行研究。
电子探针仪的构造和扫描电镜相似
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一、电子探针的仪器构造
电子探针的主要组成部份为:
1.电子光学系统
2.X射线谱仪系统
3.试样室
4.电子计算机
5.扫描显示系统
6.真空系统等
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1. 电子光学系统
电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、消像散器和扫描线圈 等。其功能是产生一定能量的电子束、足够大的电子束流、 尽可能小的电子束直径，产生一个稳定的X 射线激发源。 （a）电子枪 电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。它的主要作用 是产生具有一定能量的细聚焦电子束(探针)。从加热的钨灯 丝发射电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一个10μm～ 100μm交叉点（Crossover)，再经过二级会聚透镜和物镜 的聚焦作用，在试样表面形成一个小于1μm 的电子探针。 电子束直径和束流随电子枪的加速电压而改变， 加速电压 可变范围一般为1kV～30kV。
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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.
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分光和探测原理
X射线的分光和探测原理: 特征X 射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同元素就对应 不同的特征X 射线波长，如果不同X 射线入射到晶体上，就 会产生衍射，根据Bragg公式： 可以选用已知面间距d的合适晶体分光，只要测出不同特征射线 所产生的衍射角2θ，就可以求出其波长λ，再根据公式就可 以知道所分析的元素种类，特征X 射线的强度是从波谱仪的 探测器(正比计数管)测得。根据以上原理制成的谱仪称为波 长色散谱仪(WDS)。 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。
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二. 元素分析范围广
电子探针所分析的元素范围一般从硼(B)—— 铀(Ｕ)，因为电子探针成份分析是利用元素的特 征X 射线，而氢和氦原子只有K 层电子，不能产 生特征X 射线，所以无法进行电子探针成分分析。 锂(Li)和铍(Be)虽然能产生X 射线，但产生的特 征X 射线波长太长，通常无法进行检测，少数电 子探针用大面间距的皂化膜作为衍射晶体已经可 以检测Be元素。能谱仪的元素分析范围现在也和 波谱相同，分析元素范围从硼(B)——铀(Ｕ)。
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（b）电磁透镜
电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠近电子枪的透镜称会聚透 镜，会聚透镜一般分两级，是把电子枪形成的10μm－ 100μm 的交叉点缩小1－100 倍后，进入试样上方的物镜， 物镜可将电子束再缩小并聚焦到试样上。为了挡掉大散射 角的杂散电子，使入射到试样的电子束直径尽可能小，会 聚透镜和物镜下方都有光阑。
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三Biblioteka Baidu 定量分析准确度高
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，但由于所分析的体积小，所以检测的 绝对感量极限值约为10-14g，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%。
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五. 微区离子迁移研究
多年来，还用电子探针的入射电子束注入试样来 诱发离子迁移，研究了固体中微区离子迁移动力 学、离子迁移机理、离子迁移种类、离子迁移的 非均匀性及固体电解质离子迁移损坏过程等，已 经取得了许多新的结果。
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11-2 电子探针仪的构造和工作原理
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二、X 射线谱仪
常用的X射线谱仪有两种： 一种是利用特征X射线的波长不同来展谱，实现对 不同波长X射线分别检测的波长色散谱仪，简称波 谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer ， 简称WDS） 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，简称EDS）。
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四. 不损坏试样、分析速度快
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，对含10个元素以下的试样定性、定量分析， 新型电子探针在30min左右可以完成，如果用EDS 进行定性、定量分析，几分种即可完成。对表面 不平的大试样进行元素面分析时，还可以自动聚 焦分析。 电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样分析 后，可以完好保存或继续进行其它方面的分析测 试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证据等 的稀有试样分析尤为重要。
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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。