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【材料課堂】一文了解電子探針顯微分析的原理及應用

2021-05-06 11:47:52 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

一般的化學分析方法僅能得到分析試樣的平均成分，而在電子顯微鏡上卻可實現與微區形貌相對應的微區分析，因而是研究材料組織結構和元素分布狀態的極為有用的分析方法。今天就跟大家一起聊一聊電子探針顯微分析的原理和特點。

電子探針的功能主要是進行微區成分分析。它是在電子光學和x射線光譜學原理的基礎上發展起來的一種高效率分析儀器。

原理

用細聚焦電子束入射樣品表面，激發出樣品元素的特征x射線。分析特征x射線的波長（或特征能量）即可知道樣品中所含元素的種類（定性分析）。

分析x射線的強度，則可知道樣品中對應元素含量的多少（定量分析）。

電子探針儀鏡筒部分的構造大體上和掃描電子顯微鏡相同，只是在檢測器部分使用的是x射線譜儀，專門用來檢測x射線的特征波長或特征能量，以此來對微區的化學成分進行分析。

因此，除專門的電子探針儀外，有相當一部分電子探針儀是作為附件安裝在掃描電鏡或透射電鏡鏡簡上，以滿足微區組織形貌、晶體結構及化學成分三位一體同位分析的需要。

電子探針的鏡筒及樣品室和掃描電鏡并無本質上的差別，因此要使一臺儀器兼有形貌分析和成分分析兩個方面的功能，往往把掃描電子顯微鏡和電子探針組合在一起。

電子探針的信號檢測系統是x射線譜儀，用來測定特征波長的譜儀叫做波長分散譜儀（WDS）或波譜儀。

用來測定x射線特征能量的譜儀叫做能量分散譜儀（EDS）或能譜儀。

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一、波長分散譜儀（波譜儀，WDS）

1、工作原理

在電子探針中x射線是由樣品表面以下一個微米乃至納米數量級的作用體積內激發出來的，如果這個體積中含有多種元素，則可以激發出各個相應元素的特征波長x射線。

特征x射線的波長（或頻率），并不隨入射電子的能量（加速電壓）不同而不同，而是由構成物質的元素種類（原子序數）所決定的。

在各種特征x射線中，K系列是主要的，雖然K系列的x射線有好多條，但其強度最高的只有三條。

若在樣品上方水平放置一塊具有適當晶面間距d的晶體，入射x射線的波長、入射角和晶面間距三者符合布拉格方程時，這個特征波長的x射線就會發生強烈衍射。

對一個特征波長的X射線來說只有從某些特定的入射方向進入晶體時，才能得到較強的衍射束。

若面向衍射束安置一個接收器，便可記錄下不同波長的x射線。它可以使樣品作用體積內不同波長的x射線分散并展示出來。

2、分光晶體

不同元素的特征x射線波長變化卻很大，為使可分析的元素盡可能復蓋同期表中所有元素，需要配備面間距不同的數塊分光晶體。

在波譜儀中，x射線信號來自樣品表層的一個極小的體積，可將其看作點光源，由此點光源發射的x射線是發散的，放能夠到達分光晶體表面的，只是其中極小的一部分，信號很微弱。

增強信號采取措施：聚焦圓

（1）晶面彎曲：

把分光晶體的衍射晶面彎成曲率半徑等于2R（R為羅蘭圓半徑）的曲面--晶體內表面任意點A、B、C上接收到的X射線相對于點光源來說，入射角都相等。

（2）表面磨制：

并將晶體表面磨成曲率半徑等于R的曲面--這樣的布置可以便A、B、C三點的衍射束正好聚焦在D點。

X射線源，分光晶體和探測器處在同一圓上，此圓稱為羅蘭圓。

3、波譜儀的形式

回轉式和直進式

回轉式譜儀：羅蘭圓的中心固定不變，晶體和探測器在圓周上以1：2的角速度運動來滿足布拉格方程

直進式全聚焦譜儀：晶體從光源S向外沿著一直線移動并通過自轉來改變q角。羅蘭圓的中心O在以S為中心，R為半徑的圓周上運動。

當晶體位于q角時，晶體與光源之間的距離l總是等于2Rsinθ，將代布拉格方程（2dsinθ=nθ）得

4、波譜儀的特點

波長分辨率是很高的；

x射線利用率很低；

波譜儀不適于束流低、x射線弱的情況下使用。

二、能譜分散儀（能譜儀，EDS ）

能量色散譜儀簡稱能譜儀，是利用特征X射線能量不同來展譜而進行成分分析的儀器。

1、工作原理

x射線光子由鋰漂移硅Si（Li）檢測器收集，當光子進入檢測器后，在Si（Li）晶體內激發出一定數目的電子—空穴對。產生一個空穴對的最低平均能量e是一定的，因此由一個x射線光子造成的電子—空穴對的數目N。

每產生一對電子一空穴對，要消耗掉 X光子3.8eV能量，因此每一個能量為 E的入射光子產生的電子一空穴對數目N= ?E／3.8。

Si（Li）晶體厚3~5mm，直徑3~10mm，它是一個P-N結型二極管。它的前方有一個7~8μm的鈹窗，整個探頭裝在與存有液氮的杜瓦瓶相連的冷阱內。

入射x射線光子的能量越高， N就越大。利用加在晶體兩端的偏壓收集電子—空穴對。經前置放大器轉換成電流脈沖，電流脈沖的高度取決于N的大小。

電流脈沖經主放大器轉換成電壓脈沖進入多道脈沖高度分析器。脈沖高度分析器技高度把脈沖分類并進行計數，這樣就可以描出一張特征x射線技能量大小分布的圖譜。

2、多道脈沖分析器

多道分析器有一個由許多存儲單元（稱為通道）組成的存儲器。與X光子能量成正比的時鐘脈沖數按大小分別進入不同存儲單元、每進入一個時鐘脈沖數，存儲單元記一個光子數，因此通道地址和X光子能量成正比，而通道的計數為X光子數。最終得到以通道（能量）為橫坐標、通道計數（強度）為縱坐標的X射線能量色散譜（圖2－95b），并顯示于顯像管熒光屏上。