(仪器分析)12.4电子能谱与电子探针
电子探针的分析原理及构造
电子探针在找矿方面的应用一、电子探针-基本概念电子探针仪是 X射线光谱学与电子光学技术相结合而产生的。
1948年法国的R.卡斯坦制造了第一台电子探针仪。
1958年法国首先制造出商品仪器。
电子探针仪与扫描电子显微镜在结构上有许多共同处。
70年代以来生产的电子探针仪上一般都带有扫描电子显微镜功能，有的还附加另一些附件，使之除作微区成分分析外，还能观察和研究微观形貌、晶体结构等。
用波长色散谱仪（或能量色散谱仪）和检测计数系统，测量特征X射线的波长（或能量）和强度，即可鉴别元素的种类和浓度。
在不损耗试样的情况下，电子探针通常能分析直径和深度不小于1微米范围内、原子序数4以上的所有元素；但是对原子序数小于12的元素，其灵敏度较差。
常规分析的典型检测相对灵敏度为万分之一，在有些情况下可达十万分之一。
检测的绝对灵敏度因元素而异，一般为10-14～10-16克。
用这种方法可以方便地进行点、线、面上的元素分析，并获得元素分布的图象。
对原子序数高于10、浓度高于10％的元素，定量分析的相对精度优于±2％。
电子探针仪主要包括：探针形成系统 (电子枪、加速和聚焦部件等)、X射线信号检测系统和显示、记录系统、样品室、高压电源和扫描系统以及真空系统。
二、电子探针-结构特点电子探针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。
电子探针主要由电子光学系统（镜筒），X射线谱仪和信息记录显示系统组成。
电子探针和扫描电镜在电子光学系统的构造基本相同，它们常常组合成单一的仪器。
电子光学系统该系统为电子探针分析提供具有足够高的入射能量，足够大的束流和在样品表面轰击殿处束斑直径近可能小的电子束，作为X射线的激发源。
II-3-大型仪器鉴定之一电子探针、XRF、XRD
测定充填处理红宝石的结果显示充填物为
铅玻璃。
宝石鉴定常用大型仪器
电子探针
X荧光
X衍射
扫描电镜
透射电镜
红外
拉曼
X荧光原理
X射线照射到样品表面，产生特征X射线，根
据所得的特征X射线确定样品的元素组成。
X射线
原子
荧光(特征X射线)
定性分析与定量分析
X荧光定性分析
宝石鉴定方法
第三章 大型仪器鉴定
宝石鉴定大型仪器
对一般宝石品种的鉴定工作只需借助常规仪器即
可。
但随着人工生长与改善宝石技术的迅速提高，其
产品与天然相似物间的识别越来越难，有时为了
准确地鉴定，或者开展对宝石的研究工作，均需
动用大型仪器。
大型仪器不但购置和运转的成本高，而且常对样
品有损伤，应谨慎使用。
测量角度的重现性 ±0.001゜(θ)
扫描角度范围
-6～＋163゜（2θ）， -180～＋180゜（ θ ）
特点：
连锁安全结构
配备高速运转（10.00°/min）
高精度角度重现性（±0.0001°）
水平型测角仪，能够测定超大型样品、液体样品。
独立2轴驱动，可进行掠入射测量。
高温附件（25℃～1200℃）
料的成份会有一些不同。利用XRD,可进行陶
瓷、绘画考古,如产地及真伪的鉴别。
案例一：江苏新沂县花厅出土了两类陶器，一类属大汶口文
化，而另一类属良渚文化。刘方新等利用X射线衍射对这两
_扫描电镜与电子探针分析
_扫描电镜与电子探针分析扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和电子探针分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）是现代材料科学和纳米技术领域中广泛应用的两种重要分析技术。
本文将分别介绍扫描电镜和电子探针分析的原理、仪器结构和应用。
一、扫描电镜（SEM）扫描电镜是一种基于电子束的显微镜，通过聚焦的电子束对样品表面进行扫描，获得高分辨率的图像。
相比传统光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度聚焦能力。
SEM的工作原理如下：1.电子源：SEM使用热阴极电子枪产生的高速电子束。
电子束由一根细丝产生，经过加热后电子从细丝上发射出来。
2.透镜系统：电子束经过电子透镜系统进行聚焦和调节。
透镜系统包括几个电磁透镜，用于控制电子束的聚焦和扫描。
3.样品台：样品台用于固定样品并扫描表面。
样品通常需要涂覆导电性材料，以便电子束可以通过样品表面。
4.探测器：SEM使用二次电子和背散射电子探测器来检测从样品表面散射的电子。
这些探测器可以转化为图像。
SEM可以提供高分辨率的表面形貌图像，并通过电子束的反射和散射来分析样品的成分、孔隙结构和晶体结构等。
其应用广泛，包括材料科学、纳米技术、电子器件等领域。
二、电子探针分析（EDS）电子探针分析是一种基于X射线的成分分析技术，常与扫描电镜一同使用。
EDS可以对样品的元素成分进行快速准确的定性和定量分析。
其工作原理如下：1.探测器：EDS使用一个固态半导体探测器来测量从样品发射的X射线。
当样品受到电子束轰击时，样品中的元素原子被激发并发射出特定能量的X射线。
2.能谱仪：EDS使用能谱仪来分析探测到的X射线，该仪器能够将X 射线能量转换成电压信号，并进行信号处理和分析。
3.能量分辨率：EDS的精度取决于能谱仪的能量分辨率，分辨器的能量分辨率越高，分析结果越准确。
4.谱库：EDS使用事先建立的元素谱库进行定性和定量分析。
电子探针
5、电子探针应用
• (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。
• 能谱仪的优点: • (1)分析速度快 • (2)灵敏度高 • (3)谱线重复性好. • 能谱仪的缺点: • (1)能量分辨率低,峰背比低. • (2)工作条件要求严格
4.1能谱仪
4.2波谱仪
• 波谱仪全称为波长分散谱仪(WDS). • 在电子探针中,X射线是由样品表面以下 m数量级的作
用体积中激发出来的,如果这个体积中的样品是由多种 元素组成,则可激发出各个相应元素的特征X射线. • 被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现 分光(色散),即不同波长的X射线将在各自满足布拉格方 程的方向上被(与分光晶体以2:1的角速度同步转动的) 检测器接收.
5、电子探针应用
• （1）定点定性分析
• 定点定性分析是对试样某一选定点（区域）进行定性 成分分析，以确定该点区域内存在的元素。
• 其原理如下：用光学显微镜或在荧光屏显示的图像上 选定需要分析的点，使聚焦电子束照射在该点上，激 发试样元素的特征X射线。
• 用谱仪探测并显示X射线谱。根据谱线峰值位置的波长 或能量确定分析点区域的试样中存在的元素。
circle）或聚焦圆。 • 全聚焦法（b）
3、工作原理
• 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。
电子探针分析方法 结构与工作原理
电子探针电子探针所谓电子探针是指用聚焦很细的电子束照射要检测的样品表面，用X射线分光谱仪测量其产生的特征X射线的波长和强度。
由于电子束照射面积很小，因而相应的X射线特征谱线将反映出该微小区域内的元素种类及其含量。
显然，如果将电子放大成像与X射线衍射分析结合起来，就能将所测微区的形状和物相分析对应起来(微区成分分析)，这是电子探针的最大优点。
/bbs/redirect.php?fid=22&tid=3788&goto=nextnewset电子探针分析方法子探针分析方法利用电子探针分析方法可以探知材料样品的化学组成以及各元素的重量百分数。
分析前要根据试验目的制备样品，样品表面要清洁。
用波谱仪分析样品时要求样品平整，否则会降低测得的X射线强度。
一定性分析1 点分析用于测定样品上某个指定点的化学成分。
下图是用能谱仪得到的某钢定点分析结果。
能谱仪中的多道分析器可使样品中所有元素的特征X射线信号同时检测和显示。
不像波谱仪那样要做全部谱扫描，甚至还要更换分光晶体。
2 线分析用于测定某种元素沿给定直线分布的情况。
方法是将X射线谱仪（波谱仪或能谱仪）固定在所要测量的某元素特征X射线信号（波长或能量）的位置上，把电子束沿着指定的方向做直线轨迹扫描，便可得到该元素沿直线特征X射线强度的变化，从而反映了该元素沿直线的浓度分布情况。
改变谱仪的位置，便可得到另一元素的X射线强度分布。
下图为50CrNiMo 钢中夹杂Al2O3的线分析像。
可见，在Al2O3夹杂存在的地方，Al的X射线峰较强。
3 面分析用于测定某种元素的面分布情况。
方法是将X射线谱仪固定在所要测量的某元素特征X射线信号的位置上，电子束在样品表面做光栅扫描，此时在荧光屏上便可看到该元素的面分布图像。
显像管的亮度由试样给出的X射线强度调制。
图像中的亮区表示这种元素的含量较高。
下图为34CrNi3Mo钢中MnS夹杂物的能谱面分析图像。
（a）S的面分析像(b) Mn的面分析像二定量分析定量分析时，先测得试样中Y元素的特征X射线强度IY，再在同一条件下测出已知纯元素Y的标准试样特征X射线强度IO。
仪器分析方法分类总结
光学分析法
光谱法
原子光谱法
原子发射光谱法AES
原子吸收光谱法AAS
火焰原子吸收法FAAS
石墨炉原子吸收法GFAAS
石英炉原子化法
原子荧光光谱法AFS
X射线荧光光谱法
分子光谱分析法
紫外可见-分光光度法UV-vis
红外吸收光谱法IR
分子荧光光谱法
分子磷光光谱法
光声光谱法
Raman（拉曼）光谱法
化学发光法
核磁共振波谱法NMR
电子顺磁共振波谱法
非光谱法
折射法
干涉法
散射浊度法、
旋光法
X射线衍射法
X射线荧光分析法
X射线光电子能谱(XPS)
饿歇电子能谱
紫外光电子能谱
电子衍射法
电化学分析法
电导分析法
电位分析法
电解分析法
库仑分析法
伏安分析法
极谱分析法
色谱分析法
气相色谱法GC
高效液相色谱法HPLC
超临界流体色谱
薄层色谱分析法
纸色谱法
毛细管电泳法
其他分析方法
质谱法MS
流动注射分析法
热分析法
热重分析法
差热分析法
差示扫描量热分析法
核分析方法
放射化学分析法
同位素稀释法
电子显微镜分析法
透射电子显微镜分析法
扫描电子显微镜分析法
电子探针显微分析法
《材料分析测试技术》试卷(答案) (1)
《材料分析测试技术》试卷（答案）一、填空题：（20分，每空一分）1. X射线管主要由阳极、阴极、和窗口构成。
2. X射线透过物质时产生的物理效应有：散射、光电效应、透射X射线、和热。
3. 德拜照相法中的底片安装方法有：正装、反装和偏装三种。
4. X射线物相分析方法分：定性分析和定量分析两种；测钢中残余奥氏体的直接比较法就属于其中的定量分析方法。
5. 透射电子显微镜的分辨率主要受衍射效应和像差两因素影响。
6. 今天复型技术主要应用于萃取复型来揭取第二相微小颗粒进行分析。
7. 电子探针包括波谱仪和能谱仪成分分析仪器。
8. 扫描电子显微镜常用的信号是二次电子和背散射电子。
二、选择题：（8分，每题一分）1. X射线衍射方法中最常用的方法是（ b ）。
a．劳厄法；b．粉末多晶法；c．周转晶体法。
2. 已知X光管是铜靶，应选择的滤波片材料是（b）。
a．Co ；b. Ni ；c. Fe。
3. X射线物相定性分析方法中有三种索引，如果已知物质名时可以采用（c ）。
a．哈氏无机数值索引；b. 芬克无机数值索引；c. 戴维无机字母索引。
4. 能提高透射电镜成像衬度的可动光阑是（b）。
a．第二聚光镜光阑；b. 物镜光阑；c. 选区光阑。
5. 透射电子显微镜中可以消除的像差是（ b ）。
a．球差；b. 像散；c. 色差。
6. 可以帮助我们估计样品厚度的复杂衍射花样是（a）。
a．高阶劳厄斑点；b. 超结构斑点；c. 二次衍射斑点。
7. 电子束与固体样品相互作用产生的物理信号中可用于分析1nm厚表层成分的信号是（b）。
a．背散射电子；b.俄歇电子；c. 特征X射线。
8. 中心暗场像的成像操作方法是（c）。
a．以物镜光栏套住透射斑；b．以物镜光栏套住衍射斑；c．将衍射斑移至中心并以物镜光栏套住透射斑。
三、问答题：（24分，每题8分）1.X射线衍射仪法中对粉末多晶样品的要求是什么？答：X射线衍射仪法中样品是块状粉末样品，首先要求粉末粒度要大小适中，在1um-5um之间；其次粉末不能有应力和织构；最后是样品有一个最佳厚度（t =2.分析型透射电子显微镜的主要组成部分是哪些？它有哪些功能？在材料科学中有什么应用？答：透射电子显微镜的主要组成部分是：照明系统，成像系统和观察记录系统。
电子探针波谱仪和能谱仪在材料分析中的应用及对比
第３９卷第２期２０２０年４月电㊀子㊀显㊀微㊀学㊀报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙＳｏｃｉｅｔｙＶｏｌ ３９ꎬＮｏ ２２０２０￣０４文章编号:１０００￣６２８１(２０２０)０２￣０２１８￣０６㊀㊀电子探针波谱仪和能谱仪在材料分析中的应用及对比李明辉１ꎬ２ꎬ郜鲜辉１ꎬ吴金金１ꎬ魏慧欣１ꎬ罗慧倩１ꎬ宋武林１ꎬ２∗(华中科技大学１.分析测试中心ꎻ２.材料科学与工程学院ꎬ湖北武汉４３００７４)摘㊀要㊀㊀作为微区分析的有效手段ꎬ电子探针(ＥＰＭＡ)在材料成分的定性㊁定量㊁线分析以及元素面分布的分析方面等有着广泛的应用ꎮ特别是随着技术的不断进步ꎬ场发射型电子探针在同时获得高分辨率的图像和精确的成分分析方面有显著的优势ꎬ为材料分析提供了更多的可能性ꎮ本文以岛津ＥＰＭＡ－８０５０Ｇ型场发射型电子探针在材料分析中的典型应用为例ꎬ结合配备的能谱仪附件ꎬ对利用电子探针波谱仪和能谱仪进行材料的成分分析进行介绍和对比ꎮ另外ꎬＥＰＭＡ－８０５０Ｇ型电子探针配置的背散射电子探测器性能优异ꎬ能够初步观察材料的晶粒取向信息ꎬ可以用来分析和判断ＥＢＳＤ样品的前期制样效果ꎬ进一步扩展了电子探针在材料分析方面的应用ꎮ关键词㊀㊀场发射电子探针ꎻ波谱仪ꎻ能谱仪ꎻ成分分析ꎻ晶粒取向中图分类号:Ｐ５７５ １ꎻＯ６５７ ６１ꎻＯ６５７ ６２ꎻＴＢ３㊀㊀文献标识码:Ｂ㊀㊀ｄｏｉ:１０ ３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００￣６２８１.２０２０.０２.０１８收稿日期:２０１９－１０－０８ꎻ修订日期:２０１９－１０－３０作者简介:李明辉(１９９０－)ꎬ女(汉族)ꎬ河南人ꎬ工程师ꎬ在读博士.Ｅ￣ｍａｉｌ:ｍｈｌｉ１９９１＠１２６.ｃｏｍ∗通讯作者:宋武林(１９６４－)ꎬ男(汉族)ꎬ湖南人ꎬ教授ꎬ博士研究生导师.Ｅ￣ｍａｉｌ:ｗｕｌｉｎｓ＠１２６.ｃｏｍ㊀㊀电子探针(ＥＰＭＡ)在材料分析方面的优势越来越突出ꎬ可用于样品的表面形貌观察和微区成分分析ꎬ在材料的定性分析㊁定量分析㊁线分析和面分析等方面应用广泛[１－３]ꎮ此外ꎬＥＰＭＡ还可观察样品表面的二次电子像㊁背散射电子像㊁吸收电子像和Ｘ￣Ｒａｙ像等ꎮＥＰＭＡ对块体样品表面要求磨平抛光处理ꎬ可以得到高分辨的背散射电子像ꎬ呈现出微米级甚至纳米级的微观相分布的成分差异现象ꎬ十分有利于分析区域的精确定位和准确分析[４]ꎮ本文所述的电子探针为日本岛津公司生产的场发射型电子探针ＥＰＭＡ－８０５０Ｇꎬ搭载先进的场发射电子光学系统和高性能Ｘ射线谱仪ꎮ图像质量得到大幅度的提升ꎬ且具有卓越的空间分辨率和稳定的大束流ꎬ尤其配备了能谱仪附件进行成分的快速分析ꎮＥＰＭＡ－８０５０Ｇ可实现样品表面微区成分的定性点分析㊁定量点分析㊁线分析和面分析等ꎬ也可对轻元素以及含量较低的元素进行精确检测和分析ꎮ电子探针是目前微区成分分析最有效的工具之一ꎬ广泛应用于金属及合金㊁半导体㊁地质㊁化工㊁能源㊁环境㊁陶瓷㊁玻璃㊁稀土氧化物㊁高分子㊁生物㊁医学㊁考古和刑侦等各领域[５－９]ꎮ电子探针波谱仪的成分分析原理如下:一束细聚焦的电子束轰击样品表面时ꎬ入射电子与样品的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用ꎬ并激发出反应样品形貌㊁结构和成分的各种信号ꎬ如二次电子㊁背散射电子㊁吸收电子㊁阴极发光和特征Ｘ射线等ꎮ波谱仪(ＷＤＳ)利用分光晶体色散特征Ｘ射线的波长来确定不同的元素ꎬ并测定Ｘ射线的强度确定相应元素的含量ꎮ组成样品的元素(原子序数Ｚ)与它产生的特征Ｘ射线波长(λ)有对应关系ꎬ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ꎬ它不随入射电子的能量而变化ꎮＷＤＳ具有四个特点:微区分析㊁元素分析范围宽㊁定量分析的准确度高以及分析中不损坏试样等[１０]ꎮ能谱仪(ＥＤＳ)主要对微区成分进行定性分析ꎬ其原理为电子枪发射出的高能电子束激发样品表面ꎬ产生的一定能量的特征Ｘ射线ꎬ不同元素产生的特征Ｘ射线能量不同ꎬ所以可通过检测不同光子的能量确定元素的种类ꎬ之后根据ＥＤＳ谱图上的峰强度反映出样品中元素含量的高低[１１]ꎮ通常ＥＤＳ定性点分析的速度较快ꎬ本文所述的ＥＤＡＸＯｃｔａｎｅＳｕｐｅｒ型能谱仪在１０~３０ｓ之内就可得出材料的成分信息ꎮ而ＷＤＳ需要切换谱仪系统到合适的分光晶体ꎬ之后分光晶体在罗兰圆的方向上做回转运动得到㊀第２期李明辉等:电子探针波谱仪和能谱仪在材料分析中的应用及对比㊀㊀全谱信息ꎬ整个定性分析过程通常至少需要几分钟的时间ꎮＥＤＳ对中等浓度的元素可得到良好的分析精度ꎬ但对 痕量 元素㊁轻元素和有重叠峰存在时的分析其精度不高ꎮＥＤＳ获得全谱的速度快ꎬ做点分析时非常方便ꎬ但做线分析和面分析的效果不如ＷＤＳ[１２]ꎮ和ＷＤＳ的谱峰相比ꎬＥＤＳ的谱峰较宽ꎬ峰背比相对较小ꎬ因此探测灵敏度就差些ꎮ特别是对于低含量元素和超轻元素的分析ꎬＷＤＳ的峰背比高ꎬ对低含量元素的分析明显优于ＥＤＳꎮ通常ꎬＥＤＳ的浓度检测极限要比ＷＤＳ大１０倍ꎮ此外ꎬＥＤＳ的能量分辨率差ꎬ超轻元素的Ｋ谱线附近有大量重元素的Ｌ㊁Ｍ及Ｎ系谱线的干扰ꎮ虽然随着技术的进步ꎬＥＤＳ在谱线处理方面已取得很大进展ꎬ但由于对Ｍ系之后的谱线重叠系数的计算仍比较困难ꎮ低能区的背景也较难估计ꎬ所以对低含量和超轻元素的分析仍较困难[１３]ꎮ本文通过电子探针波谱仪和配备的能谱仪附件对材料进行微区分析ꎬ介绍两者在点分析和面分析方面的分析特点ꎬ并通过测试数据进行对比ꎮ通常ꎬ微区成分分析的步骤如下:首先通过能谱仪快速获得材料中未知相的成分ꎬ然后利用波谱仪进行点分析可以进一步确定未知相的成分信息ꎮ对于某一微区成分可进行精确定量分析ꎬ在此暂不赘述ꎮ通过线分析或者元素面分布图可得到各元素在某一区域内的分布情况ꎮ此外ꎬ利用ＥＰＭＡ－８０５０Ｇ型电子探针卓越的背散射探头可清晰地观察样品的背散射电子图像以及晶粒取向信息ꎮ１㊀实验本文中所用材料为丝状的钨合金ꎮ样品制备过程如下:首先ꎬ将钨丝通过热镶嵌包埋进黑色树脂中进行固化ꎻ然后依次使用３００＃㊁６００＃㊁１０００＃的砂纸磨平样品表面ꎻ最后ꎬ分别使用９μｍ和３μｍ的高级金刚石悬浮液对钨丝样品进行抛光ꎬ从而得到表面平整的样品进行后续的成分分析ꎮ本文所述的使用ＥＰＭＡ－８０５０Ｇ进行定性分析以及面分析的加速电压(Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｖｏｌｔａｇｅ)均为１５ｋＶꎬ束流(Ｂｅａｍｃｕｒｒｅｎｔ)均为１００ｎＡꎬ束斑大小(Ｂｅａｍｓｉｚｅ)均为ＭＩＮꎮ２㊀实验结果与讨论２ １㊀ＷＤＳ和ＥＤＳ的定性点分析能力对比本文选取钨丝样品的基体中夹杂的第二相作为分析对象ꎬ分析区域的背散射电子像如图１所示ꎮ使用附件ＥＤＳ进行第二相点分析的谱图结果如图２ａ所示ꎮ而使用ＷＤＳ进行第二相点分析的谱图结果如图２ｂ所示ꎮＥＤＳ和ＷＤＳ的点分析测得的元素种类及其含量定性结果如表１所示ꎮ图１㊀定性分析区域(白色方框内)ꎮＢａｒ＝１μｍＦｉｇ.１㊀Ｔｈｅｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓａｒｅａ(ｗｈｉｔｅｂｏｘ).表１㊀ＥＤＳ和ＷＤＳ测得分析区域的元素种类及含量结果Ｔａｂｌｅ１㊀ＴｈｅｅｌｅｍｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓａｒｅａａｎａｌｙｚｅｄｂｙＥＤＳａｎｄＷＤＳ元素种类ＥＤＳ/(ｗｔ.％)ＷＤＳ/(ｗｔ.％)Ｃ１３ ２０４ ４３Ｏ２１ ７８１５ ６５Ｗ７ ８８３ ２６Ｚｒ５７ １４７０ ８３Ｙ ３ ６８Ｌａ ０ ７１Ｈｆ １ ４３图２和表１的定性分析结果表明ꎬ和ＷＤＳ的四通道全谱分析结果相比ꎬＥＤＳ未检测出第二相中较低含量的元素Ｙ㊁Ｌａ和Ｈｆꎮ这是由于对于低含量元素如Ｌａ和ＨｆꎬＥＤＳ探测的灵敏度较差ꎬ峰背比较低ꎮＥＤＳ的浓度检测极限要比ＷＤＳ大１０倍[１３]ꎮ但对于中等含量的Ｙ元素ꎬＥＤＳ未检出则可能是由于Ｚｒ元素和Ｙ元素的原子序数相邻ꎬ被激发出的Ｘ射线光子能量较为接近ꎬＬα线系的谱峰位置分别为２ ０４２ｅＶ(Ｚｒ)和１ ９２２ｅＶ(Ｙ)ꎬ所以Ｚｒ和Ｙ的特征峰在ＥＤＳ的全谱线中发生重叠ꎬ导致未标出Ｙ元素的特征峰ꎮ此外ꎬＥＤＳ测得Ｃ和Ｏ这两个轻元素的含量和ＷＤＳ的结果差异明显ꎬ这是因为ＥＤＳ能量分辨率不佳ꎬ超轻元素的Ｋ谱线易受到大量的重元素的高次线的干扰造成的ꎮ相比于图２ａ中ＥＤＳ的谱图结果ꎬ图２ｂ中ＷＤＳ测得元素的谱峰较窄ꎬ不同元素的谱峰之间几乎不会重叠ꎮ由于ＷＤＳ的波长分辨率较高ꎬ能够有效地９１２㊀㊀电子显微学报㊀Ｊ.Ｃｈｉｎ.Ｅｌｅｃｔｒ.Ｍｉｃｒｏｓｃ.Ｓｏｃ.第３９卷图２㊀ａ.ＥＤＳ定性分析谱图ꎻｂ.ＷＤＳ定性分析全谱图ꎮＦｉｇ.２㊀ａ.ＴｈｅｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆＥＤＳꎻｂ.ＴｈｅｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｓｐｅｃｔｒｕｍｓｏｆＷＤＳ.区分特征Ｘ射线的能量值比较接近的元素ꎬ避免了ＥＤＳ中经常出现的谱峰重叠而无法准确标定元素的现象ꎮＷＤＳ的全谱中出现了更多级跃迁产生的峰位ꎬ通过识别和对比特征峰可更加精确的判断某一元素存在与否ꎮＷＤＳ的能量分辨率比ＥＤＳ高一个数量级ꎬ而且ＷＤＳ可检测的元素成分含量下限为０ ０１％ꎬ是能谱仪检测下限的１０倍(１/１０)ꎮ因此ꎬ元素含量很低时只能利用波谱仪进行分析ꎬ从而有效避免元素的漏测和误标ꎬ使得到的元素分析结果更加准确可信[１４]ꎮ２ ２㊀ＷＤＳ和ＥＤＳ元素面分析能力对比电子探针ＷＤＳ的元素面分析原理是把波谱仪设置在某一要分析元素的特征Ｘ射线波长位置ꎬ利用电子束扫描附件或样品台移动使电子束在指定区域做面扫描ꎬ逐点记录Ｘ射线的强度得到该元素在指定区域的面分布情况ꎮ面分析可以体现一个区域内某元素的分布情况ꎮ由于ＥＤＳ的能量分辨率低于ＷＤＳꎬ有些含量较低的元素或者浓度差异较小的元素之间的特征Ｘ射线能量差异比较小ꎬ因此０２２㊀第２期李明辉等:电子探针波谱仪和能谱仪在材料分析中的应用及对比㊀㊀图３㊀在图１所示的区域分别利用ＷＤＳ和ＥＤＳ得到的元素面分布图ꎮ其中ꎬａ和ｂ分别是利用ＷＤＳ和ＥＤＳ测得的Ｏ元素的面分布图ꎬ而ｃ和ｄ分别是利用ＷＤＳ和ＥＤＳ测得的Ｚｒ元素的面分布图ꎮＢａｒ＝２μｍＦｉｇ.３㊀Ｅｌｅｍｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｒｅａｉｎｆｉｇｕｒｅ１ꎬａａｎｄｂｓｈｏｗＯｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎａｌｙｚｅｄｂｙＷＤＳａｎｄＥＤＳｍａｐｐｉｎｇꎬｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙꎬｃａｎｄｄｓｈｏｗＺｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎａｌｙｚｅｄｂｙＷＤＳａｎｄＥＤＳｍａｐｐｉｎｇꎬｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.不能很好地显示出元素的分布差异情况ꎬ特别是当元素含量很低或者原子序数较小的时候ꎬ表现更为明显[３]ꎮ如图３所示ꎬＷＤＳ面分布图分辨率更高ꎬ对元素分布反映更加真实和准确ꎬ分析结果更加可信ꎮ在相同的加速电压下ꎬ对于原子序数较低的Ｏ元素ꎬ虽然其含量较高ꎬ但ＥＤＳ面分布图(图３ｂ)只能大致反映Ｏ元素在分析区域的分布情况ꎬ而无法反应元素分布的细节ꎮ由于ＥＰＭＡ－８０５０Ｇ配备场发射灯丝和高性能的谱仪系统ꎬＷＤＳ面分析结果不仅可以反映微米级别的成分差异ꎬ甚至可以体现出纳米级别的第二相颗粒中的元素分布情况ꎮ对于原子序数和含量都较高的Ｚｒ元素ꎬＷＤＳ测试结果(图３ｃ)和ＥＤＳ测试结果(图３ｄ)比较接近ꎬ但ＥＤＳ面分布结果同样无法精确反映出微区内的成分差异ꎮ在进行元素面分析时ꎬ能谱仪无法清晰地显示出元素的分布差异情况ꎮ特别是当元素的含量很低时ꎬ表现更为明显ꎮ如含量较高的Ｏ元素ꎬＥＤＳ的测试结果还能基本查看元素的分布情况ꎬ但对于含量更低的ＹꎬＥＤＳ的测试结果就基本无法使用ꎮ不仅如此ꎬ对于Ｏ元素而言ꎬ夹杂物中心和边缘的浓度差异可以通过ＷＤＳ的面分布结果来体现ꎬ而ＥＤＳ的面分布图则缺乏更多细节的信息ꎬ具有较低的分辨率ꎮ２ ３㊀晶粒取向初步分析除了成分分析功能之外ꎬＥＰＭＡ－８０５０Ｇ的电子背散射像可以初步观察晶体的取向信息ꎬ同时结合二次电子像分析夹杂物形态ꎬ然后通过ＥＤＳ和ＷＤＳ联用分析未知相的成分及分布特征ꎬ从而对材料的组织和成分有深入地解析ꎬ对材料的全方位分析提供新的思路ꎮ如图４所示ꎬ虽然ＥＰＭＡ未配备ＥＢＳＤ附件ꎬ但钨合金中晶粒的取向信息以及基体中分布的第二相形态及分布特征均由ＥＰＭＡ的背散射电子像清晰地反映出来ꎮ此外ꎬ相比于图ａ和ｂ区域ꎬ图ｃ和ｄ对应的区域中的晶粒和第二相颗粒均较大ꎬ由此可以初步判断不同区域的钨丝变形程度不同ꎮ通过观察样品的晶粒取向信息ꎬ可以为进一步利用扫描电镜配备的ＥＢＳＤ得到精确的取向分析结果提供初步依据ꎮ１２２㊀㊀电子显微学报㊀Ｊ.Ｃｈｉｎ.Ｅｌｅｃｔｒ.Ｍｉｃｒｏｓｃ.Ｓｏｃ.第３９卷图４㊀细丝状钨合金的背散射电子像ꎮＢａｒ＝２μｍＦｉｇ.４㊀ＴｈｅＢＳＥｉｍａｇｅｓｏｆｔｕｎｇｓｔｅｎａｌｌｏｙ.３ 结论综上所述ꎬ相比于能谱仪ꎬ波谱仪在成分分析方面具有很多优势ꎮ首先在定性分析方面ꎬＷＤＳ的能量分辨率较高ꎬ定性分析能力较强ꎬ可以得到微区的元素种类和成分半定量结果ꎮＷＤＳ能够准确检测出超轻元素和微量元素等ꎬ并能有效区分能谱仪中谱峰易重叠的元素ꎬ避免元素的漏测和误标ꎮ其次在元素面分析方面ꎬＷＤＳ的面分布图分辨率更高ꎬ元素分布特征更加明晰可信ꎮ特别是在元素含量较低或者成分差异较小的微区面分布方面ꎬＷＤＳ的优势更为明显ꎬ面分布图能够反映更多的细节ꎮ此外ꎬ利用ＥＰＭＡ的背散射探头初步分析晶体大小和取向信息ꎬ可作为ＥＢＳＤ测试前的准备工作并初步确认制样效果ꎮＥＰＭＡ在综合分析材料的微区形貌和成分方面优势明显ꎬ可以结合ＥＰＭＡ的二次电子探头和背散射电子探头分析样品的形貌信息ꎬ发现和判断孔隙㊁坑洞㊁夹杂物或者弥散分布相的信息ꎮ正因如此ꎬＥＰＭＡ已成为微区成分分析最强大的手段之一ꎬＷＤＳ和ＥＤＳ的联用使ＥＰＭＡ在材料分析方面的应用更加广泛和深入ꎮ总之ꎬ通过在电子探针上配备能谱仪附件ꎬ使得波谱仪和能谱仪能够联用ꎬ进而完全实现微区成分分析功能ꎮＥＰＭＡ的背散射电子检测器非常灵敏ꎬ能够得到高分辨的背散射电子像ꎬ在不使用ＥＤＳ或者ＷＤＳ的情况下能够分辨和快速判断各种相的分布情况ꎮ因此ꎬ可以利用能谱仪进行成分的快速定性分析ꎬ然后利用波谱仪进行精确定性分析和进一步的定量分析ꎬ最后对元素分布进行线扫描和面扫描获得成分分布信息ꎬ从而实现对微区成分进行全面准确的掌握ꎬ为材料的设计和解析提供思路ꎮ随着技术的发展进步和应用的广泛深入ꎬ电子探针会在材料分析领域发挥更大的作用ꎮ参考文献:[１]㊀ＣＨＥＮＧＨＷꎬＬＥＮＧＢꎬＣＨＥＮＫꎬｅｔａｌ.ＥＰＭＡａｎｄＴＥＭｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒｔｅｌｌｕｒｉｕｍｃｏｒｒｏｓｉｏｎｏｆＮｉ－１６Ｍｏ－７Ｃｒ－４Ｆｅｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ[Ｊ].ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅꎬ２０１５ꎬ９７:１－７.[２]㊀ＡＧＡＮＧＩＡꎬＰＲＺＹＢＹＬＯＷＩＣＺＷꎬＨＯＦＭＡＮＮＡ.ＴｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｍａｐｐｉｎｇｏｆｐｙｒｉｔｅｆｒｏｍＡｒｃｈｅａｎｇｏｌｄｄｅｐｏｓｉｔｓ￣ＡｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎＰＩＸＥａｎｄＥＰＭＡ[Ｊ].ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＢꎬ２０１５ꎬ３４８:３０２－３０６.２２２㊀第２期李明辉等:电子探针波谱仪和能谱仪在材料分析中的应用及对比㊀㊀[３]㊀贾彦彦ꎬ赵同新ꎬ李哲夫.微束分析仪器在金属材料研究中的应用[Ｊ].电子显微学报ꎬ２０１７ꎬ３６(３):２９３－２９９.[４]㊀秦玉娟ꎬ张天付ꎬ胡圆圆ꎬ等.电子探针背散射电子图像在碳酸盐岩微区分析中的意义[Ｊ].电子显微学报ꎬ２０１３ꎬ３２(６):４７９－４８４.[５]㊀ＳＨＯＶＡＬＳ.ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＬＡ￣ＩＣＰ￣ＭＳꎬＥＰＭＡａｎｄＲａｍａｎｍｉｃｒｏ￣ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｍｅｔｈｏｄｓｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆＩｒｏｎＡｇｅＰｈｏｅｎｉｃｉａｎＢｉｃｈｒｏｍｅｐｏｔｔｅｒｙａｔＴｅｌＤｏｒ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｃｈａｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ:Ｒｅｐｏｒｔｓꎬ２０１８ꎬ２１:９３８－９５１.[６]㊀ＷＥＩＳＳＹꎬＧＲＩＦＦＩＮＷＬꎬＥＬＨＬＯＵＳꎬｅｔａｌ.ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎＬＡ￣ＩＣＰ￣ＭＳａｎｄＥＰＭＡａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｄｉａｍｏｎｄｓ[Ｊ].ＣｈｅｍｉｃａｌＧｅｏｌｏｇｙꎬ２００８ꎬ２５２(３/４):１５８－１６８.[７]㊀ＭＵＫＨＥＲＪＥＥＡＲꎬＶＥＮＫＡＴＥＳＨＡＳꎬＦＡＲＥＥＤＵＤＤＩＮ.Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆｍａｇｎｅｔｉｔｅ￣ａｐａｔｉｔｅｆｒｏｍａｌｂｉｔｉｔｅａｎｄｃａｒｂｏｎａｔｅ￣ｈｏｓｔｅｄＢｈｕｋｉａＧｏｌｄＤｅｐｏｓｉｔꎬＲａｊａｓｔｈａｎꎬｗｅｓｔｅｒｎＩｎｄｉａ￣ＡｎＩＯＣＧ￣ＩＯＡａｎａｌｏｇｕｅｆｒｏｍＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＡｒａｖａｌｌｉＳｕｐｅｒｇｒｏｕｐ:ＥｖｉｄｅｎｃｅｆｒｏｍｐｅｔｒｏｇｒａｐｈｉｃꎬＬＡ￣ＩＣＰＭＳａｎｄＥＰＭＡｓｔｕｄｉｅｓ[Ｊ].ＯｒｅＧｅｏｌｏｇｙＲｅｖｉｅｗｓꎬ２０１７ꎬ９１:５０９－５２９.[８]㊀ＣＨＥＮＧＨＷꎬＬＩＺꎬＬＥＮＧＢꎬｅｔａｌ.ＩｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒｄｉｆｆｕｓｉｏｎａｎｄｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆａＮｉ－１６Ｍｏ－７ＣｒａｌｌｏｙｉｎＴｅｖａｐｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｕｃｌｅａｒＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１５ꎬ４６７:３４１－３４８.[９]㊀ＤＵＱＵＥＬꎬＧＵＩＭＡＲＡＥＳＦꎬＲＩＢＥＩＲＯＨꎬｅｔａｌ.Ｅｌｅｍｅｎｔａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｉｒｂｏｒｎｅｐｏｌｌｅｎｓｕｒｆａｃｅｕｓｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｐｒｏｂｅｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ(ＥＰＭＡ)[Ｊ].ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬ２０１３ꎬ７５:２９６－３０２.[１０]㊀李斌之.微区分析技术电子探针的原理应用与溯源[Ｊ].计量与测试技术ꎬ２０１１ꎬ３８(３):２６－２８.[１１]㊀柴晓燕ꎬ米宏伟ꎬ何传新.扫描电子显微镜及Ｘ射线能谱仪的原理与维护[Ｊ].自动化与仪器仪表ꎬ２０１８(３):１９２－１９４.[１２]㊀丛者唐ꎬ余静ꎬ魏垂策ꎬ等.扫描电镜/Ｘ射线能谱仪/Ｘ射线波谱仪组合检测射击残留物[Ｊ].分析仪器ꎬ２０１０(１):３４－３７.[１３]㊀徐乐英ꎬ刘志东ꎬ尚玉华.波谱仪与能谱仪性能的比较[Ｊ].分析测试技术与仪器ꎬ１９９９(２):５１－５５.[１４]㊀孙宜强ꎬ张萍ꎬ许竹桃.电子探针波谱仪分析方法及其在钢铁冶金领域的应用[Ｊ].电子显微学报ꎬ２０１３ꎬ３２(６):５２５－５２９.㊀㊀∗㊀ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＥＰＭＡＷＤＳａｎｄＥＤＳｉｎｍａｔｅｒｉａｌａｎａｌｙｓｉｓＬＩＭｉｎｇ￣ｈｕｉ１ꎬ２ꎬＧＡＯＸｉａｎ￣ｈｕｉ１ꎬＷＵＪｉｎ￣ｊｉｎ１ꎬＷＥＩＨｕｉ￣ｘｉｎ１ꎬＬＵＯＨｕｉ￣ｑｉａｎ１ꎬＳＯＮＧＷｕ￣ｌｉｎ１ꎬ２∗(１.ＡｎａｌｙｔｉｃａｌａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＣｅｎｔｅｒꎬＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００７４ꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００７４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ㊀㊀Ａｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｏｆｍｉｃｒｏ￣ａｒｅａａｎａｌｙｓｉｓꎬＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏ￣Ａｎａｌｙｚｅｒ(ＥＰＭＡ)ｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓꎬｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓꎬｌｉｎｅｓｃａｎｎｉｎｇａｎｄｍａｐｐｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ.ＥｓｐｅｃｉａｌｌｙｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｔｈｅｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎＥＰＭＡｈａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｏｂｔａｉｎｉｎｇｈｉｇｈ￣ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｍａｇｅｓａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｍｏｒｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓｆｏｒｍａｔｅｒｉａｌａｎａｌｙｓｉｓ.ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｔｙｐｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｈｉｍａｚｕＥＰＭＡ－８０５０Ｇｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｐｒｏｂｅｍｉｃｒｏ￣ａｎａｌｙｚｅｒｉｓｔａｋｅｎａｓａｎｅｘａｍｐｌｅｉｎｍａｔｅｒｉａｌａｎａｌｙｓｉｓ.ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ(ＥＤＳ)ꎬｅｌｅｃｔｒｏｎｐｒｏｂｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒａｎｄｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓꎬａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ.ＩｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｔｈｅＥＰＭＡ－８０５０Ｇｉｓｅｑｕｉｐｐｅｄｗｉｔｈａｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｔｅｃｔｏｒｗｉｔｈｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ.ＩｔｃａｎｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙｏｂｓｅｒｖｅｔｈｅｇｒａｉｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌꎬａｎｄｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅａｎｄｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｓａｍｐｌｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＥＢＳＤｓｐｅｃｉｍｅｎ.ＴｈｉｓｆｕｒｔｈｅｒｅｘｐａｎｄｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＥＰＭＡｉｎｍａｔｅｒｉａｌａｎａｌｙｓｉｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ㊀㊀ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎＥＰＭＡꎻＷＤＳꎻＥＤＳꎻｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓꎻｇｒａｉｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ３２２。
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。
电子探针实验报告
电子探针实验报告电子探针实验报告引言：电子探针是一种用于研究物质微观结构和性质的重要工具，它通过探测物质中的电子行为来获取有关其性质和组成的信息。
本实验旨在探究电子探针的原理、应用以及实验方法，并通过实际操作来验证其有效性。
一、电子探针的原理电子探针利用电子的波粒二象性以及其与物质的相互作用来获取信息。
其原理主要包括以下几个方面：1. 粒子性：电子作为一种粒子，具有质量和电荷，可以通过加速器获得足够的能量，进而穿透物质表面，与物质内部相互作用。
2. 波动性：电子也具有波动性，其波长与其动能有关。
通过测量电子的波长，可以推断出物质的晶格结构和间距。
3. 散射：电子与物质相互作用时，会发生散射现象。
通过测量散射角度和强度，可以了解物质的成分和结构。
二、电子探针的应用电子探针在材料科学、纳米技术、生物医学等领域具有广泛的应用。
以下是几个常见的应用案例：1. 材料分析：电子探针可以用于分析材料的成分和结构，如金属合金的成分分析、纳米材料的晶格结构分析等。
2. 表面形貌观察：电子探针可以用于观察物质表面的形貌，如纳米材料的形貌观察、生物细胞的表面形态观察等。
3. 薄膜测量：电子探针可以用于测量薄膜的厚度和成分，如薄膜的厚度测量、薄膜中元素分布的分析等。
三、电子探针实验方法本实验使用的电子探针为扫描电子显微镜（SEM），其操作方法如下：1. 样品制备：将待测样品制备成均匀的薄片或粉末，并固定在样品台上。
2. 调节参数：根据样品的性质和实验需求，调节加速电压、束流亮度等参数。
3. 扫描观察：将样品台放入SEM仪器中，通过控制电子束的扫描和探测系统，观察样品表面的形貌和特征。
4. 数据分析：根据SEM的观察结果，进行数据处理和分析，如测量样品尺寸、分析元素分布等。
四、实验结果与讨论本实验选择了一块金属合金样品进行观察和分析。
通过SEM观察，我们发现样品表面存在颗粒状的晶体结构，并且晶体之间存在一定的间隙。
通过测量晶体的尺寸和间距，我们可以推断出该金属合金的晶格结构和成分。
电子探针
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟电子探针X－射线显微分析仪，简称电子探针。
它以聚焦电子束激发试样表面内直径为0.n－n 微米的特征X－射线，然后根据对X－射线谱的分析可测出微区试样的元素定性定量组成。
可测范围是从铍（Be4）到铀（U92）。
这种仪器相对灵敏度较差，一般为0.01－0.05％。
但因分析的是微区含量，若以绝对灵敏度计算，则只要有10－3－10－14 克元素就能检测出，这样来看，其灵敏度又是相当高的。
最常用的几种物理信息有：特征X－射线、二次电子、背散射电子、吸收电子等。
通过观察测量这些信息来获得矿物微区的成分、含量及其分布、赋存状态、晶形、颗粒大小、矿物形貌和结构构造等。
目前常用的方法有波谱分析法和能谱分析法，近代新型电子探针都有这两种方法。
波谱分析法具有良好的光谱分辨本领及峰背比，分辨率高。
但不足的是X－射线利用率较低，再者其分析速度较慢，作一次元素的全分析，约半小时左右。
能谱分析法灵敏度高，同时可检测多种元素，分析速度快，一般2－3 分种内就能得出原子序数表中钠以上元素的定性和定点定量分析结果，并把全部有用数据储存或记录下来。
其缺点是分辨能力远不如波谱法高，故一般对于精确定量和超轻元素的分析还需用波谱分析法。
不论上述哪种方法都可在最终显像管上显示出来，也可通过X－Y 记录仪和电传打字机记录下来。
电子探针图象的观察：在观察背散射电子图象与吸收电子图象时，元素是按照原子序数的大小呈现反差，原子序数小的元素在背散射电子图象内的成象较暗，而原子序数大的元素较亮。
利用这种特点，可大致判断出样品内不同元素或矿物的分布状态。
而吸收电子图象的暗区或亮区与背散射电子图象完全相反。
特征X－射线图象，能清晰地显示出某元素在微区的分布情况，常用下列。
电子探针分析原理
• 2、背散射系数与样品微形貌之间的关系
Arnal等(1969)给出了背散射系数与样品倾斜角(θ)及原 子序数(Z)之间的关系式：
1 (1 cos )
式中ρ=9/Z1/2，θ为电子束与样品表面的夹角。 因此，除了成分信息外，背散射电子还能提供有关样品 表面形貌的信息，亦即背散射电子形貌像形成原理。
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，确定各谱峰的能量值，通过查表 和释谱，可测定出样品组成。 • 能谱分析的能量值范围为0.1keV——电子束能量 值（20KeV）。
2R L n 2d
• 式中，2R为谱仪的罗兰园半径(mm)，如：JEOL R ＝140mm，Cameca 2R＝166mm，Shimadzu 2R＝ 102mm。2d为分析晶体的面网间距， λ为特征X射线 峰的波长，n为X射线反射级数。
与EdS分析相同重元素玻璃的WDS谱线
与EDS相比，WDS具有一下优点：
电子探针和俄歇能谱以及原子力显微镜
电子显微分析
材料研究方法
EMP-810Q
电子探针实物图
QUANTAX 400-30
JXA-8100
电子显微分析
SEM+EDS
材料研究方法
电子探针的工作原理
电子显微分析
材料研究方法
俄歇电子能谱 （Auger Electronic Spectrom，AES）
电子显微分析
材料研究方法
俄歇电子能谱简介
俄歇电子能谱（AES）是用具有一定能量的电子束（或X射线） 激发样品产生俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和强度， 从而获得有关材料表面层化学成分和结构信息的方法。
俄歇电子能谱的局限性
不能分析H、He元素； 定量分析的准确度不高； 对多数元素的探测灵敏度为原子摩尔分数0.1%~1.0%； 电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、生物
样品和某些陶瓷材料中的应用； 对样品要求高，表面必须清洁（最好光滑）等。
电子显微分析
材料研究方法
俄歇电子能谱的样品制备
[wt.%] [wt.%] [at.%] [wt.%]
---------------------------------------------
Sr 38 L-series 25.12 24.56 9.49
1.1
O 8 K-series 22.78 22.27 47.12
3.2
La 57 L-series 22.45 21.95 5.35
0.7
Ti 22 K-series 11.60 11.34 8.02
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形貌和成分分析技术，广泛应用于材料科学、纳米技术、生物医学等领域。
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的核心部件，它产生高能电子束。
电子枪通常由热阴极、阳极和透镜系统组成。
热阴极通过加热产生电子，阳极加上高压电场加速电子，透镜系统用于控制电子束的聚焦。
2. 样品台样品台用于放置待分析的样品，并提供样品的运动控制。
通常，样品台可在三个方向上进行运动，即水平方向、垂直方向和旋转方向。
样品台还可以通过加热或冷却系统来控制样品的温度。
3. 探测器探测器用于检测样品表面反射、散射或发射的信号。
常用的探测器包括二次电子探测器、能量分散X射线光谱仪（EDS）和电子能谱仪（EELS）等。
二次电子探测器用于观察样品表面形貌，而EDS和EELS则用于分析样品的成分。
4. 控制系统控制系统用于控制整个电子探针分析仪器的操作。
它包括电子束的聚焦、样品台的移动、探测器的选择和数据采集等功能。
控制系统通常由计算机和相关软件组成。
三、电子探针分析方法的工作原理电子探针分析方法主要通过照射样品表面的高能电子束，观察和分析样品反射、散射或发射的信号，从而获得样品的表面形貌和成分信息。
1. 表面形貌分析在表面形貌分析中，电子束照射样品表面后，二次电子探测器将样品表面散射出的二次电子信号转化为图像。
通过扫描样品表面并采集二次电子信号，可以得到样品的表面形貌信息。
二次电子图像的亮度与样品表面的高低有关，从而可以观察到样品的凹凸结构。
2. 成分分析在成分分析中，电子束照射样品表面后，样品表面的原子与电子束发生相互作用，产生特定的信号。
EDS和EELS探测器可以检测到这些信号，并通过分析信号的能量和强度来确定样品的成分信息。
EDS主要用于分析样品的元素组成和含量，而EELS则可以提供更详细的元素化学状态和电子结构信息。
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
E
+
FWHM
2 noise
K为常数 E为谱线能量
16
不同分辨率的BN谱图
试样：BN (C、O），加速电压：3kV
125eV
130eV
140eV
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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。
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(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
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12.4.2 电子微探针分析法（EPXMA） 与扫描电子显微镜
两者仪器基本相同。 电子枪发射的电子流被阳极电
压加速后，能量在1～50keV之 间，电流为10pA～１A。聚焦 后形成直径为0.001～0.1m的电 子束，照射在样品上时，激发 产生X射线，能用波长色散或能 量色散X射线光谱仪检测。
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Auger电子能谱图
Auger电子能量与元素序数和产生的能级有关， 具有特征性；
对于 3 ~ 14 的元素， Auger峰类型为：KLL 型 对于14 ~ 40的元素， Auger峰类型为：LMM 型
如图，按X射线能谱 记 录 的 曲 线 上 ， Auger 谱 峰淹没在本底中，采用微 分 曲 线 ， 则 Auger 谱 峰 明 显。
4. 真空系统
光源、样品室、电子能量分析器、检测器都必须在 高真空条件下工作。
真空度：1.3310-6 Pa 。
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三、应用
俄歇电子能谱法是应用最广泛的表面分析技术。 所获得的信息深度为0.5 ～10nm，既可以进行点分析 和高分辨的横向分布分析，也可以进行薄膜和样品深度 纵断面组成分布分析。 能测定除氢和氦之外的所有元素的各种状态。 在俄歇电子能谱法中，结合能不同所产生的化学位移 差别非常小，检测困难，故不能用来鉴别元素形态。
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Auger电子能谱图 锰的价态与Leabharlann 态分析。2020/10/22
二、 俄歇电子能谱分析仪（多功能）
激发源
试样装置
电子能量分析器
检测器
计算机
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1. 激发源
X射线电子能谱：X射线管； 紫外电子能谱：He、Kr的共振线； Auger电子能谱：强度较大的电子枪(5～10 keV)。
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12.4.1 Auger电子能谱分析法
Auger electron spectroscopy
一、原理
X射线
M+* → M+ + h (荧光X射线) M+* → M+ + e (Auger电子)
两个过程竞争； 双电离态； 三 (或两)个能级参与； 标记：K LI LII；L MI MII 等； H、He不能发射Auger电子。
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内容选择：
12.1 X射线荧光分析 12.2 X射线衍射分析 12.3 光电子能谱与光探针 12.4 电子能谱与电子探针 12.5 离子散射能谱法与离子探针
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结束
第十二章 X射线光谱和 表面分析法
X-ray spectrometry and surface analysis
第四节 电子能谱 与电子探针分析法
Electron spectroscopy and electron-probes
12.4.1 Auger电子能 谱分析法
12.4.2 电子微探针 分析法与扫描电子 显微镜
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可同时记录Be～U所有元素的信号强度。相对检测准 确度在1%～10%之间，检出限达0.01%～0.1％。
扫描电子显微镜与电子微探针分 析法的主要区别：检测和显示方式 不同。
EPXMA：从样品表面逐出的二 次电子由闪烁检测器检测。
将样品制成薄片(100nm)，由穿 过样品的发射电子得到样品的图像， 即 为 扫 描 透 射 电 子 显 微 镜 ( STEM)， 也称分析电子显微镜(AEM)。
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激发电子
Auger 电子
KL1L2 Auger电子的产生过程
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Auger峰强度
Auger峰强度：
IA Qi ·PA Qi ：电离截面； PA ：Auger电子发射几率；
电离截面Qi与束缚电子的能量(Ei)和入射电子束的能 量(Ep)有关；
Ep< Ei 电离不能发生，则Auger产率为零； Ep / Ei ≈3 ，可获得较大Auger峰强度。
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2. 电子能量分析器
(1) 半球形电子能量分析器 改变两球面间的电位差，不
同能量的电子依次通过分析器； 分辨率高。
(2) 筒镜式电子能量分析器 （CMA) 同轴圆筒，外筒接负压、内
筒接地，两筒之间形成静电场。 灵敏度高、分辨率低；二级
串联。
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3. 检测器
产生的光电流：10-3～10-9； 电子倍增器作为检测器； 单通道电子倍增器；多通道电子倍增器。