X射线衍射仪与能谱仪综合介绍
x射线能谱仪原理
x射线能谱仪原理
X射线能谱仪是一种用于分析材料的结构和组成的仪器。
它的原理基于X射线的特性。
X射线是一种高能电磁辐射，具有很短的波长和很高的能量。
当X射线通过物质时，它们与物质中的原子相互作用。
X射线能谱仪利用了两个主要的原理：X射线的吸收和X射线的散射。
在X射线吸收方面，当X射线通过物质时，它们会与物质中的电子相互作用，导致电子从内层壳层跃迁到外层壳层。
这个跃迁过程释放出能量，形成特定的X射线谱线。
通过检测这些特定的X射线谱线，可以确定物质中存在的元素。
在X射线散射方面，当X射线与物质中的原子发生碰撞时，它们会散射出去。
散射X射线的能量和角度与物质中的原子结构有关。
通过测量散射X射线的能量和角度，可以推断出物质的结构和晶体中的原子排列方式。
X射线能谱仪通过将X射线通过样品，然后利用能量敏感的探测器来收集和分析散射和吸收的X射线。
根据收集到的X 射线能谱，可以确定物质中的元素、元素的浓度、晶体的结构等信息。
总结起来，X射线能谱仪的原理是利用X射线与物质相互作
用的吸收和散射特性，通过检测和分析散射和吸收的X射线能谱，来确定样品中的元素和结构信息。
X射线衍射仪与能谱仪综合介绍
XRF9－功能指标
测量时间：60～ 300s 测量对象：块状固体、固体粉末、液体 元素分析范围 ：Al～U 同时分析元素数量：30 含量分析范围 ：1ppm~99% 样品三维运动控制精度：1mm 样品监视镜头数量：3（俯视、侧视、放大） 样品台尺寸：400(L)×100(W)×100(H)mm
4.680
2
23.620
23.617
24.681
4.802
3
23.617
23.614
24.684
4.761
4
23.615
23.612
24.686
4.734
5
23.614
23.611
24.688
4.706
6
23.614
23.611
24.688
4.706
7
23.619
23.616
24.682
4.788
8
原则：在一定的入射光强度和衍射几何参数下，一个物 相的各个衍射线的强度是一定的、可以计算的。各物相 的含量固定时，各物相的衍射线的强度比是固定的。测 量各物相的衍射线的强度比，求出各物相的百分含量。
物相定量分析
例3：物相定量分析（K值外标法）
K值定量具体方法（举例说明）：
设混合物中含有1号和2号两种物相，测得它们峰强度为I1和
XRF9－技术指标
项目 稳定性 重复性 激发功率 探测器分辨率 X射线辐射剂量
代表元素检出限（ppm，塑料基体）
代表元素检出限（ppm，铝基体）
主机重量 输入条件
指标 <3％ <5％ 50W 149eV <1μSv/h
X射线衍射仪技术(XRD)
一站式的材料检测、分析与技术咨询服务X射线衍射仪技术（XRD）1、X 射线衍射仪技术（XRD）X射线衍射仪技术(X-ray diffraction，XRD)。
通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。
X射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。
当某物质(晶体或非晶体)进行衍射分析时,该物质被X射线照射产生不同程度的衍射现象,物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱。
X 射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。
因此,X射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法,已逐步在各学科研究和生产中广泛应用。
2. X射线衍射仪技术（XRD）可为客户解决的问题（1）当材料由多种结晶成分组成，需区分各成分所占比例，可使用XRD物相鉴定功能，分析各结晶相的比例。
（2）很多材料的性能由结晶程度决定，可使用XRD 结晶度分析，确定材料的结晶程度。
（3）新材料开发需要充分了解材料的晶格参数，使用XRD可快捷测试出点阵参数，为新材料开发应用提供性能验证指标。
（4）产品在使用过程中出现断裂、变形等失效现象，可能涉及微观应力方面影响，使一站式的材料检测、分析与技术咨询服务用XRD可以快捷测定微观应力。
（5）纳米材料由于颗粒细小,极易形成团粒,采用通常的粒度分析仪往往会给出错误的数据。
采用X射线衍射线线宽法(谢乐法)可以测定纳米粒子的平均粒径。
3. X射线衍射仪技术（XRD）注意事项（1）固体样品表面＞10×10mm，厚度在5μm以上，表面必须平整，可以用几块粘贴一起。
（2）对于片状、圆拄状样品会存在严重的择优取向，衍射强度异常，需提供测试方向。
（3）对于测量金属样品的微观应力（晶格畸变），测量残余奥氏体，要求制备成金相样品，并进行普通抛光或电解抛光，消除表面应变层。
X射线衍射仪(XRD)
X 射线衍射仪（XRD ）1、X 射线衍射仪（XRD ）原理当一束单色 X 射线照射到晶体上时，晶体中原子周围的电子受X 射线周期变化的电场作用而振动，从而使每个电子都变为发射球面电磁波的次生波源。
所发射球面波的频率与入射的X 射线相一致。
基于晶体结构的周期性，晶体中各个原子（原子上的电子）的散射波可相互干涉而叠加，称之为相干散射或衍射。
X 射线在晶体中的衍射现象，实质上是大量原子散射波相互干涉的结果。
每种晶体所产生的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律。
根据上述原理，某晶体的衍射花样的特征最主要的是两个：（1）衍射线在空间的分布规律；（2）衍射线束的强度。
其中，衍射线的分布规律由晶胞大小，形状和位向决定，衍射线强度则取决于原子的品种和它们在晶胞的位置，因此，不同晶体具备不同的衍射图谱。
在混合物中，一种物质成分的衍射图谱与其他物质成分的存在与否无关，这就是利用X 射线衍射做物相分析的基础。
X 射线衍射是晶体的“指纹”，不同的物质具有不同的X 射线衍射特征峰值(点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等)，结构参数不同则X 射线衍射线位置与强度也就各不相同，所以通过比较X 射线衍射线位置与强度可区分出不同的物质成分。
布拉格方程，其中n 为衍射级数图1.1 布拉格衍射示意图布拉格方程反映的是衍射线方向和晶体结构之间的关系。
对于某一特定的晶体而n λ=2dsin θ言，只有满足布拉格方程的入射线角度才能够产生干涉增强，才会出现衍射条纹，这就是XRD谱图的根本意义所在。
对于晶体材料，当待测晶体与入射束呈不同角度时，那些满足布拉格衍射的晶面就会被检测出来，体现在X射线衍射（XRD）图谱上就是具有不同的衍射强度的衍射峰。
对于非晶体材料，由于其结构不存在晶体结构中原子排列的长程有序，只是在几个原子范围内存在着短程有序，故非晶体材料的X射线衍射（XRD）图谱为一些漫散射馒头峰。
应用已知波长的X射线来测量θ角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量θ角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料中查出试样中所含的元素。
X射线衍射仪介绍及图像简要处理
X射线衍射分析仪X射线衍射仪实物图及结构示意图图1-1.X射线衍射仪实物图图1-2.X射线衍射仪系统方框图1.X射线衍射分析仪重要组成系统1.1.X射线发生器X射线发生器由X射线管和高压发生器两部分组成。
X射线管包括灯丝和靶，灯丝产生电子，电子与靶撞击产生X射线；高压发生器产生高达几万伏的电压，用以加速电子撞击靶。
靶包括封闭靶和转靶，封闭靶是把灯丝和靶封闭在真空玻璃球内，，封闭靶功率比较低，一般为3KW；转靶需要附加高真空系统，功率较高，通常高于12KW，可提高对含量少、灵敏度低的样品的检出限。
X射线发生装置示意图及发生器结构示意图：图1-3.X射线发生装置示意图图1-4.X射线发生器结构示意图1.2.测角仪测角仪包括样品台，狭缝系统，单色化装置，探测器（光电倍增管）等，用于测量样品产生衍射的布拉格角。
测角仪的轴动比即样品轴θ和测角轴2θ的同轴转动比为1:2.测角仪基本结构图如图1-1；图1-5.测角仪基本结构示意图1.S1，S2-索拉狭缝；2.SS-防散射狭缝；3.RS-接收狭缝；4.DS-发散狭缝；测角仪分类图：图1-6.测角仪分类图1.3.X 射线衍射信号检测系统X射线衍射仪可用的辐射弹射器有正比计数器、闪烁计数器、Si半导体探测器等，常用的探测器是正比计数器和闪烁计数器，用来检测衍射强度和衍射方向，通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。
闪烁计数器原理图：图1-7.闪烁器原理图1.4.X 射线衍射图处理分析系统现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统, 它们的特点是自动化和智能化。
数字化的X射线衍射仪的运行控制以及衍射数据的采集分析等过程都可以通过计算机系统控制完成。
计算机主要具有三大模块：a.衍射仪控制操作系统：主要完成粉末衍射数据的采集等任务；b.衍射数据处理分析系统：主要完成图谱处理、自动检索、图谱打印等任务；c.各种X射线衍射分析应用程序：(1)X射线衍射物相定性分析，(2)X射线衍射物相定量分析，(3)峰形分析，(4) 晶粒大小测量，(5)晶胞参数的精密修正，(6)指标化，(7)径向分布函数分析等。
X射线能谱仪(EDS)
电子能量为25KV时，通过氧气的平均自由程
环境扫描电镜的特点(一)
平均碰撞次数(m)定义三类不同的散射
Minimal Scattering Scatter <5% （ 0< m< 0.05 ）
Partial Scattering Scatter 5% to 95% （ 0.05< m< 3）
半定量分析
无标样定量分析
无标样定量分析是X射线显微分析的一种快 速定量方法。强度比 K＝IS/IStd。 表达式中IStd是标样强度，它是由纯物理计 算，或用标样数据库给定的，适应于不同的 实验条件。其计算精度不如有标样定量分 析。
二、X射线能谱仪基本功能
EDS的分析方法－点分析
电子束（探针）固定 在试样感兴趣的点 上，进行定性或定量 分析。该方法准确度 高，用于显微结构的 成份分析，对低含量 元素定量的试样，只 能用点分析。
EDS的分析精度
“电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则”国家标准 定量结果及允许误差 对定量结果必须正确选取有效位数。EDS定量分析结果， 小数点后保留一位，原始数据可以多保留一位。 EDS分析的相对误差 (含量＞20%wt）的元素， 允许的相对误差 <5% (3 %wt<含量<20%wt的元素，允许的相对误差<10% (1 %wt<含量<3%wt的元素，允许的相对误差<30% (0.5%wt<含量<1%wt的元素，允许的相对误差<50%
X + e- → X+ + 2e-
环境扫描电镜的特点(二)
消除绝缘样品表面电荷积累的解释
- - - - gas
- - - - gas
设备1X射线光电子能谱仪
设备1 X射线光电子能谱仪设备2 紫外光化学反应器一、技术规格及要求1设备的总体要求1.1安全—全系列风扇冷却设计，无冷却水危险性,无高压危险。
1.2经济—长时效灯管，平均寿命约3000 小时(2537A 灯管)，光强度约 1.65x10 Photons/sec/cm (2537 灯管)。
*1.3多功能—可随时更换不同波长灯管(1849/2537A, 2537A, 3000A, 3500A, 4150A, 5750A)。
2．主要技术参数*2.1样品室尺寸:直径16寸,深12寸*2.2灯管数1849/2537Aº：16根2537 Aº： 16根3000 Aº： 16根3500 Aº： 16根4190 Aº： 16根5750 Aº： 16根*2.3反应器放置方式：垂直与水平放置2.4冷却方式：风冷2.5样品支撑杆：1根2.6电源：220V,50Hz3．设备组成：反应器主机 1台灯管 96支冷却风扇 1个样品支架 1个旋转木马 1个供电电源 1个4．附件和易损件清单：灯管5.仪器使用环境和安装条件：电压：220V±10%频率：50Hz使用环境：无特殊要求电压波动范围：±10%二、人员培训；.1人员培训：①技术培训内容：由卖方免费对买方、操作者、维修人员进行设备操作、维修保养的培训，保证买方能熟练正确地使用设备。
如在买方现场验收过程中发生故障，重新开始计算质保期时间。
②上述验收与培训所发生的费用由卖方负责。
三、售后服务要求：1、设备质量保证期为12个月（自用户最终验收签字生效之日算起）；质保期内由于卖方设计、制造、运输、安装及调试原因造成的零部件损坏，卖方无偿予以更换；由于用户原因造成的零部件损坏，卖方有偿提供备件，并免费更换。
2质保期满后卖方为买方优惠供应备件与易损件(只收成本费、不能高于双方签署技术协议所列清单内价格)。
X射线光电子能谱及其应用简介
XPS应用
化合态识别
❖化合态识别-光电子峰
S的2p峰在不同化学状态下的结合能值
XPS应用
化合态识别
XPS应用
化合态识别
❖化合态识别-光电子峰
Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之间的距离
XPS应用
化合态识别
❖化合态识别-光电子峰
C1s在不同化学状态下半峰高宽的变化
CF4
C6H6
CO
CH4
半 峰 高 宽 0.52
0.57
0.65
0.72
(eV)
THANkS
结合能( Eb)：电子克服原子核束缚和周围电子的作
用，到达费米能级所需要的能量。
费米（Fermi）能级：T=0K固体能带中充满电子的最高能级
真空能级：K电子达到该能级时完全自由而不受核的作用
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XPS的基本原理
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XPS基本原理
对于固体样品，计算结合能的参考点不 是选真空中的静止电子，而是选用费米 能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗 的能量为结合能 Eb，由费米能级进入 真空成为自由电子所需的能量为功函数 Φ，剩余的能量成为自由电子的动能Ek，
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筒镜形电子能量分析器
筒镜分析器示意图
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真空系统
电子能谱仪的真空系统有两个基本功能。
1、使样品室和分析 器保持一定的真空 度，以便使样品发 射出来的电子的平 均自由程相对于谱 仪的内部尺寸足够 大，减少电子在运 动过程中同残留气 体分子发生碰撞而 损失信号强度。
hv=Ek+Eb+Φ
X射线光谱与电子能谱分析法
X射线光谱与电子能谱分析法首先，我们来看一下X射线光谱的原理和应用。
X射线光谱是指物质在X射线照射下，通过对X射线的吸收和辐射进行分析来获取物质结构和性质的方法。
这种方法主要依赖于物质对X射线的吸收和散射过程，通过对X射线吸收谱、荧光谱和散射谱的分析可以得到物质的化学成分和晶体结构。
因此，X射线光谱在材料科学、地质学、化学等领域被广泛应用。
X射线光谱的应用非常广泛。
例如，在材料科学中，通过X射线光谱可以研究材料的晶体结构和相变行为，从而了解材料的力学性能和热学性能。
在地质学中，可以通过X射线光谱来分析岩石和矿物的成分和结构，从而帮助地质学家了解地球的历史演变和地质构造。
在化学中，可以通过分析X射线吸收谱来确定化合物中的元素种类和含量，从而揭示化学反应的机理和热力学性质。
接下来，我们来看一下电子能谱的原理和应用。
电子能谱是指通过测量物质中电子能级的分布情况来研究物质结构和性质的方法。
这种方法主要利用物质中原子和分子的电子能级的离散性，通过测量电子的能级和能量来研究物质的能带结构和价带特性。
因此，电子能谱在固体物理学、化学和生物学等领域被广泛应用。
电子能谱的应用也非常广泛。
例如，在固体物理学中，可以通过电子能谱来揭示材料的电子结构和能带特性，从而理解材料的导电机制和光学性质。
在化学中，可以通过电子能谱来研究分子的轨道结构和化学反应的机理，从而探索分子的化学性质和反应性质。
在生物学中，可以通过电子能谱来研究蛋白质和DNA分子的结构和功能，从而了解生物分子的结构和功能。
最后，我们来比较一下X射线光谱和电子能谱这两种分析方法。
首先，X射线光谱主要研究物质的晶体结构和元素成分，而电子能谱主要研究物质的电子能带结构和能带特性。
其次，X射线光谱需要通过X射线的吸收和辐射来分析物质，而电子能谱则是通过电子的能级和能量来分析物质。
另外，X射线光谱通常需要使用X射线生成设备和光谱仪器，而电子能谱则需要使用电子能谱仪进行测量。
X射线能谱仪工作原理及谱图解析1X射线能谱仪分析原理X射线能谱
X射线能谱仪工作原理及谱图解析1、X射线能谱仪分析原理X射线能谱仪作为扫描电镜的一个重要附件，可被看成是扫描电镜X射线信号检测器。
其主要对扫描电镜的微区成分进行定性、定量分析，可以分析元素周期表中从B-U的所有元素信息。
其原理为：扫描电镜电子枪发出的高能电子进入样品后，受到样品原子的非弹性散射，将能量传递给该原子。
该原子内壳层的电子被电离并脱离，内壳层上出现一个空位，原子处于不稳定的高能激发态。
在激发后的10-12s内原子便恢复到最低能量的基态。
在这个过程中，一系列外层电子向内壳层的空位跃迁，同时产生X射线，释放出多余的能量。
对任一原子而言，各个能级之间的能量差都是确定的，因此各种原子受激发而产生的X射线的能量也都是确定的（图1）。
X射线能谱仪收集X射线，并根据其能量对其记数、分类，从而对元素进行定性、定量分析。
图1. 粒子间相互作用产生特征X射线本所能谱仪型号为：BRUKER X-Flash 5010，有四种检测模式：点扫描，区域扫描，线扫描，面扫描。
2、能谱仪检测模式介绍及参数解读2.1 点扫描及区域扫描模式图2 X射线能谱仪点扫描（A）、选区扫描（B）报告点扫描与选区扫描主要用于对元素进行定性和定量分析，确定选定的点或区域范围内存在的所有元素种类，并对各种元素的相对含量进行计算。
能谱检测对倍数要求不高，不同倍数条件下检测结果差异不大，关键在于选取检测的部位。
一般选择较大的块体在5000倍以下检测，因为X射线出射深度较深，除金属或陶瓷等非常致密的材料外，一般的块体在20kV加速电压下，X射线出射深度2μm左右，且点扫描的范围也在直径2μm左右。
因此块体太小或倍数过大，都会造成背景严重，测量准确度下降。
此外，最好选择比较平整的区域检测，因为电子打在坑坑洼洼的样品表面，X射线出射深度差别较大，定量信息不够准确。
特别低洼的区域，几乎检测不到信号，或信号很弱，得到的结果也便不准确。
第三，电子束与轻元素相会作用区域较大，干扰更强，因此轻元素的定量比重元素更加不准确。
X射线荧光能谱仪基础
X-射线荧光能谱仪介绍自从1895年伦琴发现X-射线以来，产生的X-射线仪器多种多样。
但是进入80年代，由于20世纪末，半导体材料和计算及技术的迅速发展，出现了Si(Li) 探测器技术和能量色散分析技术。
最近十几年在国际上一种新的多元素分析仪器迅速发展起来。
已经成为一种成熟的，应用广泛的分析仪器。
他就是X-射线荧光能谱仪,全称为：能量色散X-射线荧光光谱仪。
以下介绍一下这种仪器的情况：一. X-荧光能谱技术基本理论1．X-荧光物质是由原子组成的，每个原子都有一个原子核，原子核周围有若干电子绕其飞行。
不同元素由于原子核所含质子不同，围绕其飞行的电子层数、每层电子的数目、飞行轨道的形状、轨道半径都不一样，形成了原子核外不同的电子能级。
在受到外力作用时，例如用X-光子源照射，打掉其内层轨道上飞行的电子，这时该电子腾出后所形成的空穴，由于原子核引力的作用，需要从其较外电子层上吸引一个电子来补充，这时原子处于激发态，其相邻电子层上电子补充到内层空穴后，本身产生的空穴由其外层上电子再补充，直至最外层上的电子从空间捕获一个自由电子，原子又回到稳定态（基态）。
这种电子从外层向内层迁移的现象被称为电子跃迁。
由于外层电子所携带的能量要高于内层电子，它在产生跃迁补充到内层空穴后，多余的能量就被释放出来，这些能量是以电磁波的形式被释放的。
而这一高频电磁波的频率正好在X波段上，因此它是一种X射线,称X-荧光。
因为每种元素原子的电子能级是特征的，它受到激发时产生的X-荧光也是特征的。
注意，这里的X-荧光要同宝石学中所描述的宝石样品在X射线照射下所发出可见光的荧光概念相区别。
2．X荧光的激发源为使被测物质产生特征X-射线，即X-荧光，需要用能量较高的光子源激发。
光子源可以是X-射线，也可以是低能量的γ-射线，还可以是高能量的加速电子或离子。
对于一般的能谱技术，为了实现激发，常采用下列方法。
a. 源激发放射性同位素物质具有连续发出低能γ-射线的能力，这种能力可以用来激发物质的X荧光。
能谱仪结构及工作原理
后跳到比费米能高的能级上，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。高能级的电子落入空位时，要遵从所谓的选择 规则（selection rule），只允许满足轨道量子数l 的变化Δl＝±1 的特定跃迁。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。
另外，从空位在内壳层形成的激发状态变到基态的过程中，除产生X射线外，还放 出俄歇电子。一般来说，随着原子序数增加，X射线产生的几率（荧光产额）增大， 但是，与它相伴的俄歇电子的产生几率却减小。因此，在分析试样中的微量杂质元素 时可以说，EDS 对重元素的分析特别有效。
2． X射线探测器的种类和原理 对于试样产生的特征X 射线，有两种展成谱的方法：X 射线能量色散谱方法
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。
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
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。
X射线光电子能谱综述
目录1 引言[1] (2)2 方法原理 (3)3 仪器结构和工作原理 (4)3.1 XPS谱仪的基本结构 (4)3.2超高真空系统 (4)3.3 快速进样室 (5)3.4 X射线激发源 (5)3.5 离子源 (5)3.6 能量分析器 (5)3.7 计算机系统 (6)4 实验技术 (6)4.1 样品的制备技术 (6)4.1.1样品的大小 (6)4.1.2 粉体样品 (6)4.1.3 含有有挥发性物质的样品 (6)4.1.4 表面有污染的样品 (6)4.1.5 带有微弱磁性的样品 (7)4.2 离子束溅射技术 (7)4.3 样品荷电的校准 (7)4.4 XPS的采样深度 (8)4.5 XPS谱图分析技术 (8)4.5.1表面元素定性分析 (8)4.5.2 表面元素的半定量分析 (9)4.5.3表面元素的化学价态分析 (9)4.5.4 元素沿深度方向的分布分析 (10)4.5. 5 XPS伴峰分析技术 (12)5 同步辐射近常压光电子谱及其应用[2] (15)5.1 APXPS的发展过程 (16)5.2 同步辐射APXPS实验技术的工作原理 (17)5.3 APXPS的应用5.3.1 分子在单晶表面的吸附研究 (20)5.3.2 纳米催化剂研究 (20)5.3.3 电化学研究 (20)6 结语[3] (21)7 参考文献 (21)X射线光电子能谱分析综述1 引言[1]固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。
目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。
AES分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。
SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。
但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。
x射线光电子能谱原理基础知识
X射线光电子能谱技术的优势 与局限性
X射线光电子能谱技术的优势
样品无损分析
X射线光电子能谱技术可以在不损伤样品的情况下进行表面成分的 分析，非常适合对珍贵样品进行分析。
无需标准样品
相对于其他分析方法，X射线光电子能谱技术无需标准样品进行对 比，即可对未知样品进行成分鉴定。
高灵敏度和准确性
X射线光电子能谱技术具有高灵敏度和准确性，可以检测到样品中 微小的成分变化。
x射线光电子能谱原理基础知 识
汇报人： 2023-11-11
目录
• X射线光电子能谱技术简介 • X射线光电子能谱技术的基本原理 • X射线光电子能谱仪的基本结构与工作原理 • X射线光电子能谱技术的实验方法与应用 • X射线光电子能谱技术的优势与局限性
X射线光电子能谱技术简介
定义与原理
X射线光电子能谱技术是一种表面分析技术，通过测量样品表 面原子或分子的光电子能量分布，推断样品的化学组成、化 学键结构等信息。
技术改进与优化
随着科学技术的不断发展，X射线光电子能谱技术也在不 断改进和优化，提高其检测灵敏度和准确性。
联用技术应用
未来，X射线光电子能谱技术将更多地与其他分析方法联 用，如色谱、质谱等，以实现更复杂的样品分析。
微观结构分析
随着纳米科技的发展，X射线光电子能谱技术将在微观结 构分析方面发挥更大的作用，为材料科学、生物医学等领 域提供更多有价值的信息。
X射线光电子能谱技术的原理基于光电效应，当X射线照射到 样品表面时，光子与样品相互作用，使原子或分子从表面释 放出光电子，测量这些光电子的能量分布可以得到样品的化 学信息。
X射线光电子能谱的应用范围
材料科学
用于研究材料表面的化学组成、元素分布、 化学键结构等。
X射线能谱仪的原理介绍
X射线能谱仪的原理介绍在许多材料的研究与应用中，需要用到一些特殊的仪器来对各种材料从成分和结构等方面进行分析研究。
其中，X射线能谱仪(XPS)就是常用仪器之一。
下面详细介绍一下X射线能谱仪的基本原理、结构、优缺点及应用。
X射线光电子能谱(XPS)也被称作化学分析用电子能谱(ESCA)。
该方法是在六十年代由瑞典科学家KaiSiegbahn教授发展起来的。
由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，KaiSiegbahn获得了诺贝尔物理奖。
三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。
XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。
XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。
目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种主要的表面分析工具。
基本原理X射线能谱仪为扫描电镜附件，其原理为电子枪发射的高能电子由电子光学系统中的两级电磁透镜聚焦成很细的电子束来激发样品室中的样品，从而产生背散射电子，二次电子、俄歇电子、吸收电子、透射电子、X射线和阴极荧光等多种信息。
若X射线光子由Si(Li)探测器接收后给出电脉冲讯号，由于X射线光子能量不同(对某一元素能量为一不变量)经过放大整形后送人多道脉冲分析器，通过显象管就可以观察按照特征X射线能量展开的图谱。
一定能量上的图谱表示一定元素，图谱上峰的高低反映样品中元素的含量(量子的数目)这就是X射线能谱仪的基本原理。
结构能谱仪由半导体探测器、前置放大器和多道脉冲分析器组成。
它是利用X射线光子的能量来进行元素分析的。
X射线光子有锂漂移硅Si(Li)探测器接收后给出电脉冲信号，该信号的幅度随X 射线光子的能量不同而不同。
脉冲信号再经放大器放大整形后，送入多道脉冲高度分析器，然后根据X射线光子的能量和强度区分样品的种类和高度。
X射线能谱仪的优点与缺点1、X射线能谱仪的优点(1)能快速、同时对除H和He以外的所有元素进行元素定性、定量分析，几分钟内就可完成；可以直接测定来自样品单个能级光电发射电子的能量分布，且直接得到电子能级结构的信息。
X射线能谱
X-射线的性质
波粒二重性 X-射线以光速传播，在电、磁场中不发生偏转 X-射线会使气体、液体、固体电离 X-射线有散射、吸收、荧光特性 X-射线可使感光材料曝光 X-射线与物质相互作用可以改变一些晶体结构
1.X射线信号产生
1.X射线信号产生
1.X射线信号产生
1.X射线信号产生
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ZAF 定量修正方法
(1) 原子序数效应的修正 由于试样的平均原子序数和标样的原子序数不同， 入射电子在受到样品减速过程中，由卢瑟福散射而 重新射出样品的电子数及电子被减速(阻碍)的程度 均不同，即进入样品中激发X 射线的电子数不同。 对于原子序数不同造成的这种影响进行修正，称为 原子序数效应的修正。一般说来，平均原子序数大， 则进入样品的深度小，而背射电子的数目多。
The A and F factors could be ignored and only the Zcorrection would be necessary.
小结
1. X射线信号产生 • 连续X-射线、电子能级和与特征X-射线 2. X射线能谱仪（EDS） • EDS探测器 • 能量分辨率、X-射线的空间分辨率 3. X射线能谱分析技术 • 定性分析 • 定量分析
ZAF 定量修正方法
(2) 吸收效应的修正 从试样内部产生的X 射线射出表面时，要受到样 品本身的吸收， 由于标样和试样所组成的元素种 类和含量不同，因此对X 射线的吸收程度也不同， 必须加以修正，这项修正称为吸收修正，在定量 分析中这是一项主要修正。
ZAF 定量修正方法
(3) 荧光效应的修正 入射电子射入试样后，会产生不同元素的特征 X 射线和连续X 射线。当其波长比被分析元素(如A 元素)特征X 射线短时，会 激发出A 元素的二次X 射线，即荧光X 射线。由于荧光X 射线 和特征X 射线波长相同，检测时无法区别， 故定量分析时必 须扣除荧光X 射线强度，这种修正称为荧光效应的修正。 上述三种修正总称为ZAF 修正，CA 和KA 的关系为: CA＝KAZAF 式中 Z 为原子序数修正因子，A 为吸收修正因子，F 为荧光 修正因子。
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XRF9－软件
样品运动控制 能谱获取系统 图谱处理系统
定性 能量及强度校准 定量方法建立（灵敏度、标准曲线） 输出文件版面格式设计
XRF9－软件
XRF9－软件
XRF9－安全设计
样品室与照射工作舱独立 样品室开关操作具备感应触点 射线光闸连锁控制 指示灯提示
XRF9－样品前处理
XRF7－便携X射线能谱仪
X能谱仪器的构成（小型便携）
XRF7技术指标
元素分析范围：铝(Al)～铀(U) 元素含量分析范围：1 ppm--99.99% 测量时间：<300秒 整机功率：40W 重量：1.7kg 测量对象：块状固体、液体、固体粉末 X射线辐射剂量<1μSv/h 重复性：RSD<4％
X射线
X射线与物质的相互作用
北京普析X射线分析仪器
两大类：
X射线衍射仪
多晶：XD2、XD3、XD6 单晶：无
X射线荧光分析仪
能谱色散：XRF7、XRF8、XRF9 波长色散：无
X射线能谱仪产品系列
XRF7
➢XRF7便携能量色散X射线荧光分析仪
XRF8
➢XRF8全反射X射线荧光分析仪
45kg AC 220V/5A，0~40℃，湿度<80%
XRF9－功能指标
测量时间：60～ 300s 测量对象：块状固体、固体粉末、液体 元素分析范围 ：Al～U 同时分析元素数量：30 含量分析范围 ：1ppm~99% 样品三维运动控制精度：1mm 样品监视镜头数量：3（俯视、侧视、放大） 样品台尺寸：400(L)×100(W)×100(H)mm
样品形态 粉状试样 液体样品
处理
不处理（装入容器中） 压力机加压成型 熔化、玻璃珠化
滤纸取样干燥
前处理装置
---------模块压机 玻璃珠试样制 作装置
干燥装置
块状样品 不处理（平坦处放置测定部位） -------------
有机体样 品
表面研磨、切削 硝化处理
研磨机 硝化装置
XRF9－应用领域
XRF9
➢XRF9能量色散X射线荧光分析仪
X射线荧光激发原理
X射线荧光激发原理
基本原理：
原子在受到X射线源照射作用时，某层轨道上飞 行的电子如果被X射线束打中，该电子会向更低能级 轨道发生跃迁，能级差造成的多余能量被释放出来， 以电磁波的形式发出。而这一高频电磁波的频率同样 在X波段上，因此它也是一种X射线，称X-荧光。
因为每种元素原子的电子能级是特征的，它受到 激发时产生的X-荧光也是特征的。 探测器根据不同 能量特征对所有收集的X荧光能量谱线进行甄别，并 根据荧光强度大小进行定量，这就是能谱仪分析的主 要理论依据。
X射线能谱分析应用特点
样品前处理简单（固体、粉末、薄片） 适用分析的元素范围广（一般Na～U） 多元素同时分析，检出限ppm级 分析快速，几分钟完成测试 耗材、附件及周边设备简单
塑料外壳、电路板等聚合物中Br、Cl、Pb、Hg、Cd测定 陶瓷、焊锡等其他样品的Cd、Pb、Hg、Br、Cr的测定 矿石、金属冶炼、铜阳极、铸铁、金银首饰、宝石鉴定 石油元素检测、各种催化剂、陶瓷材料 血液、体液、毛发、药品等微量元素分析 工业排放污水、土壤中重金属测量 水泥、钢材元素分析
XRF9－技术指标
项目 稳定性 重复性 激发功率 探测器分辨率 X射线辐射剂量
代表元素检出限（ppm，塑料基体）
代表元素检出限（ppm，铝基体）
主机重量 输入条件
指标 <3％ <5％ 50W 149eV <1μSv/h
Cr：5、Br：2 .5、Cd：4、Hg：4、Pb：5
Cr：8、Mn：3.5、Sr：3、Sn：6、Pb：4
全反射X射线能谱
全反射X射线能谱分析图谱示意
全反射X射线能谱
技术指标
多元素同时分析
从11号元素Na到92号元素U，一次同时分析近30种元素；
检出限低
最低绝对检出限：ng～pg级（ 10－9 ～ 10－11 g ） ； 最低相对检出限：ppb级；
样品用量少
可对固体、粉末、液体、悬浮物、过滤物、大气飘尘、薄膜 样品等进行定性、定量分析，样品用量μL、μg级；
XRF9－结构
XRF9－原理框架
XRF9－台式X射线荧光能谱仪
先进的多光束可调节系统 高分辨率探测器 采用XYZ三维运动样品台 大型样品分析室 CCD摄像及自动定位系统 自动调节双层六通道滤光系统
XRF9－配置规格
高压电源：50kV/1mA（SPELLMAN进口） X光管：Ag靶（国产， Mo/W/Rh可选） 滤光片：6通道自动调节 样品台：120mm*120mm 三维运动控制 探测器：Si-PIN（AMPTEK进口） 信号处理系统： PX-4 （AMPTEK进口） 数据处理系统：XRF9 防护机柜：连锁防护
测量时间短
30秒～600秒
前处理简单，直接测量
粉末样品、悬浮液样品等有平面的样品都可直接进行分析；
使用功率小于0.5kW，安全可靠。
XRF7－应用领域
RoHS指令电子信息产品有害物质检测 环境保护行业（自来水、污水污泥等） 农业（土壤中元素的快速测定） 地矿、冶金 合金回收 考古以及材料行业 轻工、食品
XRF8 －全反射X射线荧光能谱仪
全反射X射线能谱
仪器的特点－与传统X射线能谱仪的区别
全反射X射线能谱
全反射X射线能谱分析图谱示意
X射线荧光与衍射分析仪器技术
北京普析通用仪器有限责任公司
提纲
X射线原理 仪器分类 能谱仪技术应用介绍 衍射仪技术应用介绍
X射线
1895年伦琴发现X射线。 X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比 可见光短得多，介于紫外线与射线之间，约为10–2到 102埃的范围 。X射线的频率大约是可见光的103倍， 所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多，表现 出明显的粒子性。由于X射线具有波长短光子能量大 这个基本特性，所以，X射线光学 (几何光学和物理光 学) 虽然具有和普通光学一样的理论基础，但两者的 性质却有很大的区别，X射线与物质相互作用时产生 的效应和可见光迥然不同。