2-EPMA分析原理

二、EPMA分析原理

z EPMA分析特点

z1、微区（微米范围）显微结构分析

z2、元素分析范围广：硼(B)~铀(Ｕ)

z3、定量准确度高

z4、检测限低（日常工作）: WDS:0.01%左右;（EDS:0.1%左右）

z5、不损坏试样、分析速度快

z EPMA是利用束径0.5~1μm的高能电子束，激发出试样微米范围的各种信息，进行成份、结构、形貌和化学结合状态等分析。成分分析的空间分辨率（微束分析空间特征的一种度量，通常以激发体积表示）是几个立方微米范围，微区分析是EPMA的一个重要特点之一, 它能将微区化学成分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。

z元素分析范围广

电子探针的WDS、EDS所分析的元素范围一般都从硼(B)到铀(U)。氢和氦原子只有K层电子，不能产生特征X射线。锂(Li)虽然能产生X射线，但产生的特征X射线波长太长，无法进行检测。电子探针用大面间距的合成膜作为衍射晶体已经可以检测Be元素，现在EDS也可以分析Be，但因为Be的X射线产额非常低，谱仪窗口对Be的X射线吸收严重，透过率只有6％左右，所以Be 含量低时很难检测到。

z定量分析准确度高

EPMA是目前微区元素定量分析最准确的仪器，检测极限(特定分析条件下，能检测到元素或化合物的最小量值）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，有时可以达到ppm级。由于所分析的体积小，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%以上时，其相对误差通常小于2%。

z不损坏试样、分析速度快

EPMA可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EPMA测量试样的时间约需30min。如果用EDS进行定性、定量分析，几min即可完成测量。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、宝石、古陶瓷、古钱币及犯罪证据等稀有试样的分析尤为重要。

z EPMA分析的基本原理

EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的试样表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与试样相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。

z电子与固体试样的交互作用

一束细聚焦的电子束轰击试样表面时，入射电子与试样原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用，并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信息，如二次电子、背散射电子、吸收电子、阴极发光和特征X射线等。

z电子与物质相互作用

z二次电子的特点

入射电子与试样中弱束缚价电子非弹性散射结果而发射的电子，称二次电子。

z1、能量比较低(小于50eV)，仅在试样表面5~10nm深度内才能逸出表面。

z2、图像无阴影效应；

z3、易受试样表面状态、电场和磁场的影响；

z4、SE的产额δ≒K/cosθ，K为常数，θ为入射电子束与试样表面法线之间的夹角，θ角越大，产额越高，所以对试样表面状态非常敏感；SE的产额还与加速电压、试样组成等有关。

z5、二次电子用于观察表面形貌、电畴和磁畴等。

z背散射电子特点

z背散射电子是指入射电子与试样相互作用经多次散射后，重新逸出试样表面的高能电子。其能量接近于入射电子能量( E0)。背散射电子的产额随试样的原子序数增大而增加，I∝Z2/3-3/4。所以，背散射电子信号的强度与试样的化学组成有关，即与组成试样的各元素平均原子序数Z有关。

z分辨率远低于SEI。

z BE、SE的信号强度与Z的关系

z 背散射电子成分像的主要用途

观察单晶表面生长条纹和生长台阶

z 观察未腐蚀试样的抛光面元素及相分布,确定成分分析点

z 析出相的观察与分析

z 导电性差的试样形貌观察时，BEI 优于SEI 。

z 特征X 射线的产生

z 特征X-射线：原子内壳层电子被电离后，由较外层电子向内壳层跃迁产

生的具有特征能量的电磁辐射。高能电子入射到试样时，试样中元素的原子内壳

层(如K 、L 壳层)电子将被激发到较高能量的外壳层，如L 或M 层，或直接将内

壳层电子激发到原子外，使该原子系统的能量升高（激发态），原子较外层电子

将迅速跃迁到有空位的内壳层，以填补空位降低原子系统的总能量，并以特征X

射线或Auger 电子的方式释放出多余的能量。

z 原子的K 层电子被激发，L 3层电子向K 层跃迁，产生的特征X 射线称K α1，

M 层电子向K 层跃迁产生的X 射线称K β

z 元素与特征X 射线波长的关系

电子探针和扫描电镜用WDS 或EDS 进行定性和定量分析时，就是利用电子束轰击试样所产生的特征X 射线。每一个元素都有一个特征X 射线波长与之对应：

)(σ−=Z K v 。

电子束加速电压V 0＝（2~3）×V k 时，产生的特征X 射线强度最高，根据所分析的元素不同，V 0通常用10 k~30kV 。

z 定性分析的基本原理

用波谱或能谱，测量入射电子与试样相互作用产生的特征X 射线波长，

从而对试样中元素进行定性分析。

z 定性分析的基础是Moseley 关系式:

z )(σ−=Z K v （λ＝C /ν）

z 式中ν为元素的特征X 射线频率，Z 为原子序数，K 与σ均为常数，C 为

光速。

z 当σ≈1时，λ与Z 的关系式可写成:

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)

1(1021.1−×=Z λ Å 组成试样的元素(对应的原子序数Z )与它产生的特征X 射线波长(λ)有单值关

系，即每一种元素都有一个特定波长的特征X 射线与之相对应，它不随入射电

子的能量而变化。如果用X 射线波谱仪测量电子激发试样所产生的特征X 射线

波长的种类，即可确定试样中所存在元素的种类。