电子探针X射线显微分析
电子行业电子探针显微分析方法
电子行业电子探针显微分析方法引言在现代电子行业中，电子制造过程中的材料和器件的质量控制是非常重要的。
为了确保电子产品的性能和可靠性，需要对材料中的缺陷和杂质进行精确的分析和检测。
电子探针显微分析方法是一种常用的技术，为电子行业提供了一种非常有效的分析工具。
本文将介绍电子探针显微分析方法的原理和应用。
电子探针显微分析方法的原理电子探针显微分析方法是利用高能电子束与物质的相互作用来进行材料分析的方法。
它基于电子束和样品之间的相互作用，通过分析电子束与样品相互作用后产生的信号，来获取样品的组成、结构和性质等信息。
电子探针显微分析方法主要包括以下几个方面：1.能谱分析：通过分析在样品与电子束相互作用后产生的X射线，可以得到样品的元素组成和含量等信息。
这对于分析材料中的杂质和控制样品的化学成分非常重要。
2.成分分析：通过对样品进行扫描，检测原子或化学组分的分布和浓度，可以评估材料的均一性和制备工艺的质量。
这对于确定电子器件中的材料特性和缺陷非常重要。
3.形貌分析：通过对样品表面的形貌进行观察和分析，可以评估材料的表面形态和结构特征。
这对于确定材料的纯度和表面处理效果非常重要。
4.结构分析：通过在样品表面刻蚀或切割，然后使用电子探针进行断面观察，可以获得材料内部结构的信息。
这对于评估材料的晶体结构和内部缺陷非常重要。
电子探针显微分析方法的应用电子探针显微分析方法在电子行业中有着广泛的应用，以下是一些常见的应用场景：1. 材料研究电子探针显微分析方法可以用于对新材料的研究。
通过对样品的成分分析和结构观察，可以评估材料的性能和潜在应用。
这对于新材料的开发和应用具有重要意义。
2. 电子器件制造在电子器件制造过程中，电子探针显微分析方法用于评估材料的质量和性能。
通过对电子器件中的材料进行成分分析和缺陷观察，可以提前发现潜在的故障和问题，并采取相应的措施来解决。
3. 故障分析当电子产品出现故障时，电子探针显微分析方法可以用于确定故障的原因和位置。
电子探针_精品文档
电子探针（EPMA）全名为电子探针X射线显微分析仪，又名微区X射线谱分析仪。
可对试样进行成分、形态、结构、物性等多方面的分析。
除H、He、Li、Be等几个较轻元素外，都可进行定性和定量分析。
工作原理：是将试样置于显微镜下，选定分析位置，利用经过加速和聚焦的极窄的电子束为探针，激发试样中某一微小区域，在直径为1um、体积为1um3区域内的不同元素受激发射出X射线,用波长色散X射线谱仪或能量色散X射线谱仪读出元素的特征X射线，根据特征X射线的强度与波长信息，进行元素的定性定量分析。
发展历史：从Castaing奠定电子探针分析技术的仪器、原理、实验和定量计算的基础以来，电子探针分析(EPMA)作为一种微束、微区分析技术在50~60年代蓬勃发展，至70年代中期已比较成熟；促进了地学中地质年代学研究项目的深入，在矿物学、岩石学、矿床学、微古生物学、普查找矿等方面起了非常巨大的作用, 在许多重大地质成果中都发挥了重要作用。
特点：EPMA技术具有高空间分辨率(约1μm ) 检出限可低至10-14～10-15克、简便快速、精度高、分析元素范围广( 4Be ～92U)、不破坏样品属非破坏性分析。
在矿物研究工作中既能微观观察，同时又能分析微区成分。
运用前景：电子探针在分析鉴定微矿物、微成分方面，有着广阔的应用前景，主要用于岩石矿物的深度分析，如与薄片鉴定结合，检测未知矿物及难辨矿物——片钠铝石、钠沸石、皂石等。
与阴极发光显微镜相结合，可揭示矿物的发光机制。
与扫描电镜配合，可精确测定扫描电镜下的各种粘土矿物及未知矿物，使形态观察与成分分析密切联系。
还可与X衍射分析结合，详细测定各种矿物，包括混层粘土矿物的成分等等。
电子探针的运用如今，电子探针已广泛运用于地学研究中的许多领域，如：测定地质体年龄、鉴定矿物、研究系列矿物、固溶体分离矿物、矿物环带结构、矿物蚀变晕、构造分析等。
1．电子探针化学测年电子探针化学定年方法最早是由日本Suzuki等(1991a)提出的,他们对日本的变质岩、花岗岩、沉积岩中的独居石、锆石等矿物的U,Th,Pb 含量进行测量计算,并与放射性元素(Th,U)衰变理论相结合,形成独特的电子探针化学测年技术,解决了许多地质问题, 此技术的应用立即引起了世界许多地质工作者的极大兴趣。
百科知识精选电子探针
主要用途电子探针又称微区X射线光谱分析仪、X射线显微分析仪。
其原理是利用聚焦的高能电子束轰击固体表面，使被轰击的元素激发出特征X射线，按其波长及强度对固体表面微区进行定性及定量化学分析。
主要用来分析固体物质表面的细小颗粒或微小区域，最小范围直径为1μm左右。
分析元素从原子序数3(锂)至92(铀)。
绝对感量可达10-14至10-15g。
近年形成了扫描电镜—显微分析仪的联合装置，可在观察微区形貌的同时逐点分析试样的化学成分及结构。
广泛应用于地质、冶金材料、水泥熟料研究等部门。
功能及特色电子探针可以对试样中微小区域（微米级）的化学组成进行定性或定量分析。
可以进行点、线扫描（得到层成分分布信息）、面扫描分析（得到成分面分布图像）。
还能全自动进行批量（预置9999测试点）定量分析。
由于电子探针技术具有操作迅速简便（相对复杂的化学分析方法而言）、实验结果的解释直截了当、分析过程不损坏样品、测量准确度较高等优点，故在冶金、地质、电子材料、生物、医学、考古以及其它领域中得到日益广泛地应用，是矿物测试分析和样品成分分析的重要工具。
工作原理分析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。
由莫塞莱定律可知，各种元素的特征X射线都具有各自确定的波长，通过探测这些不同波长的X射线来确定样品中所含有的元素，这就是电子探针定性分析的依据。
而将被测样品与标准样品中元素Y的衍射强度进行对比，就能进行电子探针的定量分析。
当然利用电子束激发的X射线进行元素分析，其前提是入射电子束的能量必须大于某元素原子的内层电子临界电离激发能。
技术支持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。
为此，一般也采用钨丝热发射电子枪和2-3个聚光镜的结构。
电子探针EPMA
1.2 电子探针的基本原理
• 1.2.1 电子与物质的相互作用 • 1.2.2 电子探针定性分析原理 • 1.2.3 电子探针定量分析原理
1.2.1 电子与物质的相互作用
一束细聚焦的电子束轰击试样表面时，入射电子与试样
的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，有：二次电子、 背散射电子、阴极发光、特征X射线、俄歇过程和俄歇电子、
• 电子探针利用0.5μm－1μm的高能电子束激发分析 试样，通过电子束与试样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。
1.1.1 电子探针的发展历史及发展趋势
• • • • • • • • • 1932年在柏林由Knoll和Ruska研制出第一台电子显微镜 1939年西门子（Siemens）第一台透射电镜（TEM）商品 1949年castaing用TEM改装成一台电子探针样机 1951年 6 月，Castaing 在其博士论文中，提出了EPMA定量分析的基本原 理。 1956 年由法国 CAMECA公司制成商品EPMA。 1960 年扫描型电子探针商品问世。且改善分光晶体，使元素探测范围由 Mg12扩展至Be4。 二十世纪70 年代开始，电子探针和扫描电镜的功能组合为一体，同时应用 计算机控制分析过程和进行数据处理。 二十世纪80年代后期，电子探针具有彩色图像处理和图像分析功能，计算 机容量扩大，使分析速度和数据处理时间缩短。 二十世纪90年代中期，电子探针的结构，特别是波谱和样品台的移动有新 的改进，编码定位，通过鼠标可以准确定波谱和样品台位置。
7. 俄歇电子
入射电子与样品相互作用后，元素原子内层轨道的电子轰 击出来成为自由电子或二次电子，而留下空位，从而原子不稳 定。则外层高能电子填充空位，释放出能量，释放的能量一方 面以辐射特征X射线的方式释放，另一方面释放的能量被该原 子吸收，从而从另一轨道上轰击出电子，该电子为俄歇电子。 俄歇电子发生的几率随原子序数的减少而增加，能量较低，逸 出深度≈10Å。俄歇电子的能量对于各元素是特征的。可用来分 析样品表面的成分，适合轻元素和超轻元素分析。
电子探针显微分析
数据记录
记录每个扫描点的特征X 射线能量和强度，以及对 应的位置信息。
结果分析
根据扫描区域内各点的数 据，绘制元素或化合物的 分布图，并分析其空间分 布规律和变化趋势。
06
电子探针显微分析的数据处理与结果解释
数据处理的基本步骤
数据预处理
包括背景扣除、死时间校正、能量漂移校正等步 骤，以确保数据的准确性和可靠性。
烘干处理
将镀膜后的样品放入烘箱中，在适当的温度和时间下进行烘干，以 去除样品表面的水分和有机污染物，确保分析的准确性。
05
电子探针显微分析的实验方法
定点分析
01 选定分析点 在电子显微镜下选定感兴趣的区域或特定相，确定分 析点。
02 电子束聚焦 将电子束聚焦到分析点上，确保分析的准确性。
03 X射线激发 用高能电子束激发样品，产生特征X射线。
04
X射线检测
通过能量色散谱仪（EDS）检测特征X射线的能量和强 度。
05
定量分析
根据特征X射线的能量和强度，结合标准样品的数据 进行定量分析。
线扫描分析
X射线激发与检测
在扫描过程中，不断激发样品并 检测特征X射线。
电子束扫描
将电子束沿选定的扫描线进行连 续扫描。
数据记录
记录每个扫描点的特征X射线能 量和强度。
精准度高
相比其他分析方法，电子探针显微分析具有更高的精准度和灵敏度，能够检测 到ppm级别的元素含量，满足现代科学研究对高精度分析的需求。
电子探针显微分析的应用领域
01 02
材料科学
在材料科学领域，电子探针显微分析可用于研究合金、陶瓷、高分子等 材料的元素分布、相组成和微观结构，为材料性能优化和新材料开发提 供指导。
第三章 电子探针显微分析
一、波谱仪
1、工作原理 入射电子束照与试样相互 作用，产生特征X射线 特征X射线被分光晶体衍射
2dsin=
探测器探测收集X射线衍射 线并利用特征X射线的波长 不同来展谱
2、波谱图 横坐标代表波长 纵坐标代表强度
1
K Z
合金钢(0.62Si，1.11Mn，0.96Cr，0.56Ni， 0.26V，0.24Cu)定点分析的谱线图
谱仪，构成扫描电镜-波谱仪-能谱仪系统，使两种
谱仪优势互补，是非常有效的材料研究工具。
四、分析方法及其应用
电子探针分析有四种基本分析方法：定点定性分析、线 扫描分析、面扫描分析和定点定量分析。
线扫描分析：电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所 含元素质量分数的定性或半定量分析； 面扫描分析：电子束在样品表面作二维光栅式面扫描， 以特定元素的X射线的信号强度调制阴极射线管荧光屏 的亮度，获得该元素质量分数分布的扫描图像。 定量分析：在稳定的电子束照射下，由谱仪得到的X射 线谱在扣除了背景计数率后，各元素的同类特征谱线的 强度值应与它们的浓度相对应；半定量分析。
3、应用波谱仪进行元素分析时，应注意的问题
(1)分析点位置的确定 波谱仪附带:光学显微镜。 物镜:镜片中心开有圆孔，以使电子束通过。 目的:物和电子束重合，其位置正好位于光学显 微镜目镜标尺的中心交叉点上。
(2)分光晶体固定后，衍射晶面的面间距不变
一个分光晶体只能测定某一原子序数范围的元素。
如果要分析Z＝4-92范围的元素，则必须使用几块晶
面间距不同的晶体，
一个谱仪中经常装有两块晶体可以互换，而一台电
子探针仪上往往装有2-6个谱仪，有时几个谱仪一起
工作，可以同时测定几个元素。
电子探针x射线显微分析
• 它可检测微米级区域的成分含量。原子序 数从4～92的所有元素均可分析检出。检测 的最小含量为万分之一，波谱仪的分辨率高 于能谱仪。
波谱仪的特点
波谱仪的突出优点是波长分辨率很高。如它可将波长 十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和 CrK2(0.229351nm)3根谱线清晰地分开。
但由于结构的特点，波谱仪要想有足够的色散率，聚 焦圆的半径就要足够大，这时弯晶离X射线光源的距 离就会变大，它对X射线光源所张的立体角就会很小， 因此对X射线光源发射的X射线光量子的收集率也就 会很低，致使X射线信号的利用率极低。
X射线显微分析
X射线能谱仪（EDS） X射线波谱仪（WDS） EDS与 WDS间的比较 X射线显微分析在材料科学研究中的应用
X射线能谱仪（EDS）
它时扫描电镜的重要附件之一，利用它可以对 试样进行元素定性、半定量和定量分析。其特 点是探测效率高，可同时分析多种元素。
工作原理
从试样中产生的X射线被Si(Li)半导体检测，得到 电荷脉冲信号经前置放大器和主放大器转换放大得到 X射线能量成正比的电压脉冲信号厚，送到脉冲处理 器进一步放大再经模数转换器转换成数字信号输出。
(3)谱线重复性好。由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没有 聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，适 合于比较粗糙表面的分析工作。
能谱仪的缺点
(1)能量分辨率低，峰背比低。由于能谱仪的探头直接 对着样品，所以由背散射电子或X射线所激发产生的 荧光X射线信号也被同时检测到，从而使得Si(Li)检测 器检测到的特征谱线在强度提高的同时，背底也相应 提高，谱线的重叠现象严重。故仪器分辨不同能量特 征X射线的能力变差。能谱仪的能量分辨率(130eV)比 波谱仪的能量分辨率(5eV)低。
电子探针X射线显微分析(EPMA)
电解抛光原理示意图
68
EBSD试样制备——离子束抛光
69
样品
切割面
挡板 离子束
70
71/56
用途—截面抛光
用途—多相材料
C
W
金刚石复合材料
Si
Cr
72
用途—大面积抛光
No Etch
Etch 10 min.
Etch 30 min.
73
铝合金
机械抛光条件：硅溶胶；5kV，5h
74
EBSD标定率：75.9%
上图所示为：镶嵌后的样品在 振动抛光机上的实际工作状态
66
EBSD试样制备——电解抛光
• 优点：样品表面无变形层 • 缺点： • 并不适合于所有金属，特别是双相或多相合金 • 抛光不均匀或者形成凹坑或浮凸 • 比较难找到合适的抛光工艺参数 • 电解液污染和有毒，不易存储，对于不同材料需要配制不
同电解液。电解液的通用性差，使用寿命短和强腐蚀性。
27
特点
1)对晶体结构分析的精度已使EBSD技术成为一种继X光衍射和 电子衍射后的一种微区物相鉴定新方法; (2)晶体取向分析功能使EBSD技术已成为一种标准的微区织构 分析技术; (3) EBSD方法所具有的高速(每秒钟可测定100个点)分析的特点 及在样品上自动线、面分布采集数据点的特点已使该技术在晶 体结构及取向分析上既具有透射电镜方法的微区分析的特点又 具有X光衍射(或中子衍射)对大面积样品区域进行统计分析的 特点; (4)进行EBSD分析所需的样品制备相对于TEM样品而言大大简 化。
=25 µm ;M ap4;S tep=0.7 µm ;G rid200x200
49
Grain size analysis
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。
电子探针显微分析-课件
B、若电子束位置不变，改变晶体的位置，使(hkl) 晶面与入射X射线交角为θ2，并相应地改变检测器 的位置，就可以检测到波长为：
λ2= 2d sinθ2 的X射线。如此连续地操作，即可进行该定点的元 素全分析。若将发生某一元素特征X射线的入射角 θ固定，对样品进行微区扫描，即可得到某一元素 的线分布或面分布图像。
波谱仪有旋转式波谱仪和直进式波谱仪。 1)旋转式波谱仪
旋转式波谱仪虽然结构简单，但有三个缺点： a)其出射角φ是变化的，若φ2 ＜φ1，则出射
角为φ2的X射线穿透路程比较长，其强度就 低，计算时须增加修正系数，比较麻烦； b) X射线出射线出射窗口要设计得很大； c)出射角φ越小，X射线接受效率越低。
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， 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%。
4. 不损坏试样、分析速度快
WDS 4Be－92U 慢 高（≈5eV） 10-2 (%)
定量分析准确度
高
X射线收集效率
低
峰背比（WDS/EDS） 10
EDS 4Be－92U 快 低（130 eV） 10-1 (%)
低 高 1
五、电子探针仪的实验方法
1、电子探针仪的操作特点 总的来说，除了与检测X射线信号有关的部件以
外，电子探针仪的总体结构与扫描电镜十分相似。 但两者的侧重点不同，因此这两种仪器对电子束的 入射角和电流强度的要求不同。
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。
电子探针扫描电镜显微分析
第八章 电子探针、扫描电镜显微分析中国科学院上海硅酸盐所李香庭1 概论1.1 概述电子探针是电子探针X射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA(Electron probe X-ray microanalyser)，扫描电子显微境英文缩写为SEM（Scanning Electron Microscope）。
这两种仪器是分别发展起来的，但现在的EPMA都具有SEM的图像观察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。
特别是现代能谱仪，英文缩写为EDS（Energy Dispersive Spectrometer）与SEM组合，不但可以进行较准确的成分分析，而且一般都具有很强的图像分析和图像处理功能。
由于EDS分析速度快等特点，现在EPMA通常也与EDS组合。
虽然EDS的定量分析准确度和检测极限都不如EPMA的波谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer ，缩写为WDS）高，但完全可以满足一般样品的成分分析要求。
由于EPMA与SEM设计的初衷不同，所以二者还有一定差别，例如SEM以观察样品形貌特征为主，电子光学系统的设计注重图像质量，图像的分辨率高、景深大。
现在钨灯丝SEM的二次电子像分辨率可达3nm，场发射SEM二次电子像分辨率可达1nm。
由于SEM一般不安装WDS，所以真空腔体小，腔体可以保持较高真空度；另外，图像观察所使用的电子束电流小，电子光路及光阑等不易污染，使图像质量较长时间保持良好的状态。
EPMA一般以成分分析为主，必须有WDS进行元素成分分析，真空腔体大，成分分析时电子束电流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，需经常清洗光路和光阑，通常EPMA二次电子像分辨率为6nm。
EPMA附有光学显微镜，用于直接观察和寻找样品分析点，使样品分析点处于聚焦园（罗兰园）上，以保证成分定量分析的准确度。
EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的样品表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与样品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。
EPMA的原理和应用
EPMA的原理和应用1. 介绍电子探针显微分析（EPMA）是一种用于分析化学元素组成和形态的表面分析技术。
它可以通过扫描样品表面发射的X射线来测量样品的元素组成，并且能够提供高分辨率的成分和形貌图像。
EPMA在材料科学、地球科学、生命科学等领域得到广泛应用。
2. 原理电子探针显微分析的基本原理是利用电子束与样品进行相互作用产生的信号进行分析。
主要有以下几个步骤：2.1. 电子束激发和激发过程EPMA使用加速电子束激发样品中的原子并使其跃迁到高能级，从而产生特定的辐射。
这种辐射包括X射线和特征的荧光辐射。
根据横向和纵向扫描电子束，可以获取元素分布和形貌信息。
2.2. X射线的发射和探测样品受到电子束激发后，产生的X射线能量是特定元素的特征能谱。
通过在样品上移动探测器来测量X射线的能量和强度，进而确定元素的存在和相对含量。
2.3. 成分分析通过与标准样品对比，可以利用X射线的能谱进行成分分析。
EPMA的分辨率较高，可以检测到微量元素，并且可以定性和定量地分析样品中的各种元素。
3. 应用EPMA在材料科学、地球科学和生命科学等领域广泛应用。
以下是EPMA常见的应用：3.1. 材料科学EPMA可用于分析材料组成和结构。
它可以对金属、合金、陶瓷等材料进行成分分析和像素级元素分布分析。
EPMA还可用于材料的质量控制和缺陷分析。
3.2. 地球科学EPMA在地球科学领域的应用非常广泛。
它可以用于岩石、矿石和矿物的成分分析、晶体形貌分析、地球化学分析和矿物相变研究等方面。
3.3. 生命科学EPMA被广泛应用于生命科学研究中。
它可以用于细胞、组织或生物材料的化学元素成分分析，从而揭示细胞或生物体内部的化学成分分布和变化。
4. 优点和限制4.1. 优点•高分辨率：EPMA可以提供高分辨率的成分和形貌图像。
•定性和定量分析：EPMA可定性和定量地分析样品中的元素。
•微量元素检测：EPMA能够检测到微量元素的存在。
4.2. 限制•样品制备：EPMA需要对样品进行制备，如剖面制备和磨片制备等。
04-电子显微分析-SEM和EPMA(2-EPMA)
常用的分光晶体
≤2d
2、波谱图
kα
4 3
1 R（Z -）2
横坐标代表波长 纵坐标代表强度
4 3
1
R（Z -）2
合金钢(0.62Si，1.11Mn，0.96Cr，0.56Ni， 0.26V，0.24Cu)定点定向分析的波谱图
9
3、波谱仪进行元素分析的特点
分析速度慢
单个元素测量，做全分析时间较长。
I－E图谱
13
2、能谱图
NaCl的扫描形貌像 及其定点能量色散谱
hv = △E2 - △E2
15
纳米线上微区成分分析
三、能谱仪元素分析的特点
分析速度快： 元素分析时能谱是同时测量所有元素 X射线收集效率高，有利于粗糙表面(2-3mm)成分分析
能谱探头紧靠试样，使X 射线收集效率提高。
适于粗糙表面成分分析：样品的位置可起伏2-3mm 进行低倍扫描成像，大视域的元素分布图。 分析元素范围：11Na-92U 分辨率低：150eV 峰背比小
面扫描、定量分析
2
电子探针镜结构与SEM结构区别
EPMA的构造与SEM大体相似，只是增加了接收记录X 射线的附件：X射线谱仪
常用的X射线谱仪有两种： 波谱仪 能谱仪 WDS EDS
波谱仪：利用特征X射线波长不同来展谱 能谱仪：利用特征X射线能量不同来展谱
波谱
能谱
一、波谱仪
1、主结构及工作原理
谱峰宽、易重叠、背底扣除困难、数据处理复杂。
工作条件：探测器须在液氮温度下使用，维护费用高。
17
能谱和波谱主要性能的比较
比较内容 元素分析范围 定量分析速度 分辨率 检测极限 定量分析准确度 X射线收集效率 峰背比
电子探针显微分析
氟化锂
石英
LiF
SiO2
200
10-11
2.013
3.34
Kα系：Ca20 ~ Rb37 Lα系：Sb51 ~ U92
Kα系：S16 ~ Cu29 Lα系：Nb41 ~ W74 Mα系：Hg80 ~ U92 Kα系：Si14 ~ Fe26 Lα系：Rb37 ~ Dy66 Mα系：Hf72 ~ U92
元素分析范围：
从Mg12到U92元素
样品要求：
1） 样品不需要破坏，可以多次使用。 2） 化学分析的结果是样品成分的平均值，而电子探针分析 的是某一微区内的成分，区域范围内为微米数量级。 电子探针和扫描电镜具有相似结构。电子探针是以成分 分析精度高为其特点，显微像观察作为辅助手段使用的。 微区成分分析和高分辨显微像工作参数比较 工作内容 微区成分分析 高分辨显微像 束流(安培) 10-7～10-8 10-11～10-12 束直径(微米) 0.1~1 0.005~0.01
电子探针分为三个部分：
a) 电子光学系统 b) 样品室 c) 信号检测系统
a) 电子光学系统
这个系统为电子探针提供足够高的入射能量、足够大的束流 和在样品表面轰击点处尽可能小的束斑直径的电子探针束。 入射电子的能量取决于电子枪的加速电压，一般为30～ 50kV。电子探针采用较大的入射电流是为了提高X射线的信号强 度。
2）回转式波谱仪
原理： 聚焦圆的圆心不能移动，分光晶体和检测器在聚焦圆的 圆周上以1:2的角速度运动，以保证满足Bragg方程。 回转式波谱仪的特点： 结构简单，但出射方向 改变很大，在表面不平度很 大的情况下，由于X射线在 样品内行进的路线不同，往 往会因为吸收条件变化而造 成分析上的误差。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
< 2%
波谱仪和能谱仪的比较
量子效率 瞬时接收范围 改变，< 30% 谱仪能分辨的范围 ~ 100% (2.5~15 keV) 全部有用能量范围
最大记数速率
~ 50000 cps (在一条谱线上) 1~5%
分析精度 (浓度>10%， Z>10)
与分辨率有关，使在全谱 范围内得到最佳分辨时， < 2000 cps 5%
二、 电子探针X射线显微分析的分类 及原理
2.3 定量分析的基本原理 试样中A元素的相对含量CA与该元素产生
的特征X射线的强度IA (X射线计数)成正 比: CA∝IA，如果在相同的电子探针分析 条件下，同时测量试样和已知成份的标样 中A元素的同名X射线(如Kα线)强度，经 过修正计算，就可以得出试样中A元素的 相对百分含量CA
0.89～3.5
可检测元素范围
K:20Ca-37Rb L:51Sb-92U K:14Si-26Fe L:37Rb-65Tb M:72Hf-92U K:9F-15P L:24Cr-40Zr M:57La-79Au K:5B-9F L:20Ca-25Mn K:5B-8O L:20Ca-23V K:4Be-7N L:20Ca-21Sc
常用分光晶体的基本参数及可检测范围
晶体 氟化锂 异成四醇 化学分子式 （和缩写）
LiF (LiF) C5H12O4 (PET) C8H5O4Rb (RAP) [或KAP] (C14H27O2)2M* (MYR) (C18H35O2)2M* (STE)
反射晶面
200
晶面间距 d(A)
2.013
可检测波长 范围(A)
入射电子束
多道脉冲 高度分析器
CRT显示
谱线记录仪
主放大器
打印机
样品
偏压电源 用液氮冷 却的容器
能谱仪结构示意图
3.2.1 能谱仪的工作原理
被激发的X光子进入Si（Li）固态探测器； 检测器电输出脉冲信号→信号放大→馈入多
道脉冲分析器；输出脉冲高度取决于入射光 子能量； 根据样品分析点所发射的X射线谱线的能量组 成，进行元素的定性或定量分析 。
操作特性 分析方式 分析元素范围 分辨率 波谱仪（WDS） 用几块分光晶体 顺序进行分析 Z≥4 能谱仪（EDS） 用Si(Li) EDS 进行多元素同时分析 (无窗)
Z≥11 (铍窗) Z≥6
与分光晶体有关，~5 eV
与能量有关，145~150 eV (5.9 keV)
几何收集效率
改变，< 0.2%
二、 电子探针X射线显微分析的分 类及原理
元素H和He没有X射线峰。通常每个元素约有2~10
个强峰，相对其他光谱分析，谱峰数少。 Z＜32的较轻元素，只出现一个Kα双峰和一个较 高能量的Kβ峰；用K线系计算； 32 ≤ Z ≤ 72的较重元素，增加了几个L峰，他 们大多数有一个α双峰，其后跟随具有更高能量 的β、γ群，用L线系计算； Z＞72的重元素，没有K峰，除L峰外还出现M峰， 通常用M线系计算。
但由于结构的特点，谱仪要想有足够的色散率，
聚焦圆的半径就要足够大，这时弯晶离X射线 光源的距离就会变大，它对X射线光源所张的 立体角就会很小，因此对X射线光源发射的X射 线光量子的收集率也就会很低，致使X射线信 号的利用率极低。
波谱仪的特点：
此外，由于经过晶体衍射后，强度损失很
大，所以，波谱仪难以在低束流和低激发 强度下使用，这是波谱仪的两个缺点。
电子探针X射线显微分析
一、引言
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），它用一束聚焦得很细（50nm～１μ ｍ）的加速到5kV-30kV的电子束，轰击用光学 显微镜选定的待分析试样上某个“点”（一般 直径为1-50um），利用试样受到轰击时发射的 X射线的波长及强度，来确定分析区域中的化 学组成。
一、引言（EPMA分析特点）
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30分钟。 如果用EDS进行定性、定量分析，几分钟即可完 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。
二、 电子探针X射线显微分析的分类 及原理
2.1 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）。
一、引言（EPMA/SEM-EDS的特点）
EPMA、SEM-EDS的仪器构造、成像原理、分析
原理、 WDS及EDS定量修正过程都相同，但功 能、特点不完全相同。 EPMA成分分析时电流大；检出角大；有能精确 定位分析点的OM；WDS的波长分辨率及检测极 限均优于EDS。现在成分定量分析要求较高的 材料科学、冶金、地质等领域一般都配备了 EPMA。 SEM-WDS成分定量分析结果一般也不如EPMA, SEM-EDS还无法完全代替EPMA。
二、 电子探针X射线显微分析的分类 及原理
2.2 定性分析的基本原理 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。 能谱定性分析主要是根据不同元素之间的 特征X射线能量不同，即E＝hν，h为普朗 克常数，ν为特征X射线频率，通过EDS检 测试样中不同能量的特征X射线光子，即 可进行元素的定性分析。
EPMA：用于成分分析、形貌观察，以成分分
析为主。主要用WDS进行元素成分分析、检出 角大、附有光学显微镜，可以准确定位工作距 离，定量结果准确度高,检测极限低。 缺点：真空腔体大，成分分析束流大，所以电 子光路、光阑等易污染，图像质量不如SEM。 SEM：用于形貌观察、成分分析（一般用EDS分 析），以形貌观察为主，图像分辨率高。 EPMA比SEM价格贵几倍。
将电子束（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，例如，对 材料晶界、夹杂、析出相、沉淀物、奇异 相及非化学计量材料的组成等分析。对低 含量元素定量的试样，只能用点分析。
4.1 电子探针仪的分析方法
电子探针分析有四种基本分析方法：定点分析
002
4.375
2.0～7.7
邻苯二酸 铷(或钾) 肉豆蔻酸铅 硬脂酸铅 廿四烷酸铅
1010
13.06 (13.32)
5.8～23.0
__ __ __
40
17.6～70
50
22～88
(C24H47O2)2M* (LIG)
65
29～114
（M*表示Pb或Ba等重金属元素）
3.1.7 波谱仪的特点
波谱仪的突出优点是波长分辨率很高。
2dSinθ=nλ
晶体
入 射 电 子 束
混合波长 的X射线
d θ1 θ θ2 2θ λ2
样品
λ
λ1
3.1.2 波谱仪的工作原理（布拉格衍射）
3.1.3 回转式波谱仪和直进式波谱仪
在电子探针中，一般点光源S不动，改变晶体和探测器的位置，
达到分析检测的目的。根据晶体及探测器运动方式，可将谱仪 分为回转式波谱仪和直进式波谱仪等。
波谱仪和能谱仪的比较
对表面要求 平整，光滑 较粗糙表面也适用 2~3 min
典型数据收集时间 10 minБайду номын сангаас谱失真 少
最小束斑直径
~ 200 nm
主要包括：逃逸峰、峰重叠、 脉冲堆积、电子束散射、铍 窗吸收效应等 ~ 5 nm
探测极限
对试样损伤
0.01~0.1%
大
0.1~0.5%
小
四、电子探针仪的分析方法及应用
3.2.2 Si(Li)能谱仪的优点：
(1)分析速度快
可以同时接受和检测所有 不同能量的X射线光子信号，故可在几分钟内 分析和确定样品中含有的所有元素，带铍窗 口的探测器可探测的元素范围为11Na~92U。 (2)灵敏度高,X射线收集立体角大。 (3)谱线重复性好。
3.2.3 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。Si(Li)探头必
须始终保持在液氦冷却的低温状态
3.2.4 能谱图
不同样品, 同一能量电子束
铁
银
碳
同一样品, 不同能量电子束
15 kV
5 kV
25 kV
样品面倾斜效应- 边缘效应
0 无倾斜 70 倾斜
30 倾斜
3.3 波谱仪和能谱仪的比较
二、 电子探针X射线显微分析的分 类及原理
波谱仪基本原理
莫塞莱定律
－－测定试样激发 的特征X射线波长，来确定被激发物质中所含有的 元素； 采用晶面间距已知的晶体，运用布拉格定律 2d sin n
1
K Z
通过测角求出波长，从而定性，得到一个按波长
展开的图谱
一、引言
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。
一、引言
1949年法国Castaing与Guinier将一架静电型
电子显微镜改造成为电子探针仪。 1951年Castaing的博士论文奠定了电子探针 分析技术的仪器、原理、实验和定量计算的 基础，其中较完整地介绍了原子序数、吸收、 荧光修正测量结果的方法，被人们誉为EPMA 显微分析这一学科的经典著作。