能譜儀的結構、原理及使用教學教材

能譜儀的結構、原理及使用二、能譜儀結構及工作原理X射線能量色散譜分析方法是電子顯微技術最基本和一直使用的、具有成分分析功能的方法，通常稱為X射線能譜分析法，簡稱EDS或EDX方法。二、能譜儀結構及工作原理特征X射線的產生產生：內殼層電子被轟擊后跳到比費米能高的能級上，電子軌道內出現(xiàn)的空位被外殼層軌道的電子填入時，作為多余的能量放出的就是特征X射線。特點：特征X射線具有元素固有的能量，所以，將它們展開成能譜后，根據(jù)它的能量值就可以確定元素的種類，而且根據(jù)譜的強度分析就可以確定其含量。二、能譜儀結構及工作原理

X射線探測器的種類和原理

展成譜的方法：X射線能量色散譜方法(EDS:energydispersiveX-rayspectroscopy)X射線波長色散譜方法(WDS：wavelengthdispersiveX-rayspectroscopy)在分析電子顯微鏡中均采用探測率高的EDS。從試樣產生的X射線通過測角臺進入到探測器中。二、能譜儀結構及工作原理圖1EDS系統(tǒng)框圖二、能譜儀結構及工作原理為了使硅中的鋰穩(wěn)定和降低FET的熱噪聲，平時和測量時都必須用液氮冷卻EDS探測器。保護探測器的探測窗口有兩類:鈹窗口型（berylliumwindowtype）

這種探測器使用起來比較容易，但是，由于鈹薄膜對低能X射線的吸收，所以，不能分析比Na(Z＝11)輕的元素。超薄窗口型（UTWtype:ultrathinwindowtype）

它吸收X射線少，可以測量C(Z＝6)以上的比較輕的元素。二、能譜儀結構及工作原理EDS的分析技術（1）X射線的測量

當用強電子束照射試樣，產生大量的X射線時，系統(tǒng)的漏計數(shù)的百分比就稱為死時間Tdead,它可以用輸入側的計數(shù)率RIN和輸出側的計數(shù)率ROUT來表示：

Tdead＝（1－ROUT/RIN）×100％

二、能譜儀結構及工作原理（2）空間分辨率

圖2示出入射電子束的直徑和電子束在試樣內的擴展，即X射線產生區(qū)域的示意圖。在分析電子顯微鏡的分析中，電子束在試樣中的擴展對空間分辨率是有影響的，加速電壓、入射電子束直徑、試樣厚度、試樣的密度等都是決定空間分辨率的因素。二、能譜儀結構及工作原理圖2入射電子束在試樣內的擴散二、能譜儀結構及工作原理（3）峰/背比（P/B）按照札盧澤克（Zaluzec）理論，探測到的薄膜試樣中元素的X射線強度N的表示式如下：N=(IσωpN0ρCtΩ)/4επM式中：I——入射電子束強度；σ——離化截面；ω——熒光產額；ρ——密度；p——關注的特征X射線產生的比值；N0——阿弗加德羅常數(shù)；C——化學組成（濃度）（質量分數(shù)，％）；t——試樣厚度；Ω——探測立體角；ε——探測器效率；M——相對原子質量。二、能譜儀結構及工作原理（4）定性分析為保證定性分析的可靠性，采譜時必須注意兩條：第一，采譜前要對能譜儀的能量刻度進行校正，使儀器的零點和增益值落在正確值范圍內；第二，選擇合適的工作條件，以獲得一個能量分辨率好，被分析元素的譜峰有足夠計數(shù)、無雜峰和雜散輻射干擾或干擾最小的EDS譜。二、能譜儀結構及工作原理①自動定性分析

自動定性分析是根據(jù)能量位置來確定峰位，直接單擊“操作/定性分析”按鈕，即可實現(xiàn)自動定性分析，在譜的每個峰的位置顯示出相應的元素符號。②手動定性分定性分析

自動定性分析優(yōu)點是識別速度快，但由于能譜譜峰重疊干擾嚴重，自動識別極易出錯為此分析者在儀器自動定性分析過程結束后，還必須對識別錯了的元素用手動定性分析進行修正。二、能譜儀結構及工作原理（5）定量分析

定量分析是通過X射線強度來獲取組成樣品材料的各種元素的濃度。根據(jù)實際情況，人們尋求并提出了測量未知樣品和標樣的強度比方法，再把強度比經過定量修正換算呈濃度比。最廣泛使用的一種定量修正技術是ZAF修正。本軟件中提供了兩種定量分析方法：無標樣定量分析法和有標樣定量分析析法。二、能譜儀結構及工作原理（6）元素的面分布分析方法

用掃描像觀察裝置，使電子束在試樣上做二維掃描，測量特征X射線的強度，使與這個強度對應的亮度變化與掃描信號同步在陰極射線管CRT上顯示出來，就得到特征X射線強度的二維分布的像。三、實驗步驟與方法樣品和電子掃描顯微鏡

（1）為了得到較精確的定性、定量分析結果，應該對樣品進行適當?shù)奶幚?，盡量使樣品表面平整、光潔和導電。三、實驗步驟與方法（2）調整電子掃描顯微鏡的狀態(tài)，使X射線EDS探測器以最佳的立體角接收樣品表面激發(fā)出了特征X光子。調理電鏡加速電壓。調整工作距離、樣品臺傾斜角度以及探測器臂長。調整電子束對中和束斑尺寸，使輸入計算率達到最佳。三、實驗步驟與方法（3）定性、定量分析結果是放在電鏡樣品室里樣品表面區(qū)域的元素原子和重量百分比。放大倍數(shù)越大，作用樣品區(qū)域越小。要正確選擇作用區(qū)域，才可能得到正確的結果。三、實驗步驟與方法快捷啟動GENESIS60E（見圖3）①根據(jù)計數(shù)率選擇時間常數(shù)(Amptime),使死時間在20%-40%之間。②根據(jù)需要可以予置收集時間，這將自動停止譜線收集。③使用收集鍵(“Collect”)開始和停止譜線收集。④要調節(jié)對譜線的觀察。⑤點擊峰識別(“PeakId”)鍵，進行自動峰識別。三、實驗步驟與方法圖3快捷啟動GENESIS60E操作界面示意圖三、實驗步驟與方法⑥“HPD”鍵用于峰的識別和確定。⑦送入譜線標識,最多216個字母。⑧點擊定量分析“Quantify”鍵，得到無標樣定量分析結果。⑨在結果對話框中選擇打印鍵，可以將譜線和定量分析結果打印在一頁紙上。⑩點擊存儲鍵并選擇文件名（后綴為.spc）和路徑。三、實驗步驟與方法儀器的安全注意事項①不要用手或用其他東西去觸碰窗口，不論是鈹窗還是Norvar超薄窗口，都是很易破碎的，因此用戶使用時，不要觸碰窗口。②不要企圖自己清洗窗口，如果要清洗，一定要征詢專業(yè)技術人員的支持。③不要搖動探頭。④在使用中要避免樣品或樣品臺碰到探頭上。⑤不要用任何熱沖擊、壓縮空氣或者腐蝕性的東西接觸窗口。三、實驗步驟與方法⑥鈹是一種劇毒物，而且很脆，因此千萬不要用手或者皮膚去碰被窗。⑦如果探頭使用液氮，不要使液氮罐中的液氮干了。己經干了，再灌入液氮后不能馬上開機，一定要等4小時以后才能開啟能譜儀電源，為了避免液氮罐中結冰，不要等液氮快用完了才灌新的液氮，一般一星期最好灌二次較好。四、能譜分析舉例化學成分分析元素的線分析元素的面分布四、能譜分析舉例化學成分分析

優(yōu)點：①快速，全譜一次收集，分析一個樣品只需幾分鐘至幾十分鐘②不破壞樣品③可以把樣品的成分和形貌乃至結構結合在一起進行綜合分析四、能譜分析舉例圖4EDS應用實例一——成分分析

EDS譜線收集完畢后定量計算的結果，給出了重量和原子百分比。

EDS譜線實時收集的結果，縱坐標是X射線光子的計數(shù)率CPS，橫坐標是元素的能量值（KeV）。

在電鏡中看到的形貌及需要分析的區(qū)域(點或面)。四、能譜分析舉例

元素的線分析

圖5是EDS應用實例之二——元素的線分析。圖中的白線是電子束掃過的分析區(qū)域，它通過了晶內及塊狀相（線的正中間白色）、晶界（線的右邊白色）。從元素的分析結果可以看出：正中間白色塊狀相主要含Cu、Ni、Er元素，右邊白色晶界上的相主要含Cu、Ni、Er、Mg和Zr元素。四、能譜分析舉例圖4EDS應用實例之二——元素的線分析四、能譜分析舉例元素的面分布

圖6是EDS應用實例之三——元素的面分布。圖中區(qū)域1是我們在電鏡中看到的形貌。圖中區(qū)域2、3、4是EDS信號收集完畢后給出的不同元素的定性結果。說明圖中區(qū)域1中