電子探針顯微分析課件

電子探針顯微分析課件演示文稿本文檔共81頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分優(yōu)選電子探針顯微分析課件本文檔共81頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分一、探針微區(qū)分析的定義電子探針分析就是利用電子轟擊待研究的試樣來產(chǎn)生X射線，根據(jù)X射線中譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度鑒別存在的元素并算出其含量。定性分析：用X射線譜儀在有關(guān)譜線可能出現(xiàn)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)把譜線紀(jì)錄下來。然后對(duì)照波長(zhǎng)表。定量分析：把試樣的X射線強(qiáng)度與標(biāo)樣的對(duì)比，并作一些校正就可以算出分析點(diǎn)上的成分含量。本文檔共81頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

電子探針的應(yīng)用范圍非常廣泛，特別是在材料顯微結(jié)構(gòu)－工藝－性能關(guān)系的研究，電子探針起了重要作用。電子探針顯微分析有以下幾個(gè)特點(diǎn)：顯微結(jié)構(gòu)分析;元素分析范圍廣;定量分析準(zhǔn)確度高;不損壞試樣、分析速度快;微區(qū)離子遷移研究;本文檔共81頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分1.顯微結(jié)構(gòu)分析

電子探針是利用0.5μm－1μm的高能電子束激發(fā)所分析的試樣，通過電子與試樣的相互作用產(chǎn)生的特征X射線、二次電子、吸收電子、背散射電子及陰極熒光等信息來分析試樣的微區(qū)內(nèi)(μm范圍內(nèi))成份、形貌和化學(xué)結(jié)合狀態(tài)等特征。本文檔共81頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

電子探針成分分析的空間分辨率（微區(qū)成分分析所能分析的最小區(qū)域）是幾個(gè)立方μm范圍，微區(qū)分析是它的一個(gè)重要特點(diǎn)之一,它能將微區(qū)化學(xué)成份與顯微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來，是一種顯微結(jié)構(gòu)的分析。而一般化學(xué)分析、X光熒光分析及光譜分析等，是分析試樣較大范圍內(nèi)的平均化學(xué)組成，也無法與顯微結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng),不能對(duì)材料顯微結(jié)構(gòu)與材料性能關(guān)系進(jìn)行研究。本文檔共81頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分2.元素分析范圍廣

電子探針?biāo)治龅脑胤秶话銖呐?B)－鈾(Ｕ)，鋰(Li)和鈹(Be)雖然能產(chǎn)生X射線，但產(chǎn)生的特征X射線波長(zhǎng)太長(zhǎng)，通常無法進(jìn)行檢測(cè)，少數(shù)電子探針用一種皂化膜作為衍射晶體已經(jīng)可以檢測(cè)Be元素。能譜儀的元素分析范圍現(xiàn)在也和波譜相同，分析元素范圍從硼(B)－鈾(Ｕ)本文檔共81頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分3.定量分析準(zhǔn)確度高

電子探針是目前微區(qū)元素定量分析最準(zhǔn)確的儀器。電子探針的檢測(cè)極限(能檢測(cè)到的元素最低濃度)一般為（0.01－0.05）%，不同測(cè)量條件和不同元素有不同的檢測(cè)極限，主元素定量分析的相對(duì)誤差為(1—3)%，對(duì)原子序數(shù)大于11的元素，含量在10%以上的時(shí)，其相對(duì)誤差通常小于2%。本文檔共81頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分4.不損壞試樣、分析速度快

現(xiàn)在電子探針均與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，可以連續(xù)自動(dòng)進(jìn)行多種方法分析，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。電子探針分析過程中一般不損壞試樣，試樣分析后，可以完好保存或繼續(xù)進(jìn)行其它方面的分析測(cè)試，這對(duì)于文物、古陶瓷、古硬幣及犯罪證據(jù)等的稀有試樣分析尤為重要。本文檔共81頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分5.微區(qū)離子遷移研究

多年來，還用電子探針的入射電子束注入試樣來誘發(fā)離子遷移，研究了固體中微區(qū)離子遷移動(dòng)力學(xué)、離子遷移機(jī)理、離子遷移種類、離子遷移的非均勻性及固體電解質(zhì)離子遷移損壞過程等，已經(jīng)取得了許多新的結(jié)果。本文檔共81頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分二、電子探針的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢(shì)1931－1949年，電子探針分析的基本原理的提出和第一臺(tái)電子探針樣機(jī)的產(chǎn)生；1958年才把第一臺(tái)電子探針裝進(jìn)了國(guó)際鎳公司的研究室；1959年第一臺(tái)掃描型電子探針儀問世；本文檔共81頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分二、電子探針的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢(shì)1960年掃描型電子探針商品問世，70年代開始，電子探針和掃描電鏡的功能組合為一體，同時(shí)應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)控制分析過程和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；八十年代后期，電子探針又具有彩色圖像處理和圖像分析功能，計(jì)算機(jī)容量擴(kuò)大，使分析速度和數(shù)據(jù)處理時(shí)間縮短，提高了儀器利用率，增加了新的功能。本文檔共81頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

九十年代初，電子探針一般與能譜儀組合，電子探針、掃描電鏡可以與任何一家廠商的能譜儀組合，有的公司已有標(biāo)準(zhǔn)接口。九十年代中期，電子探針的結(jié)構(gòu)，特別是波譜和試樣臺(tái)的移動(dòng)有新的改進(jìn)，通過鼠標(biāo)可以準(zhǔn)確確定波譜和試樣臺(tái)位置。我國(guó)從六十年代初開始陸續(xù)引進(jìn)電子探針和掃描電鏡，與此同時(shí)也開始了電子探針和掃描電鏡的研制工作。本文檔共81頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分除了專門的電子探針外，大部分電子探針譜儀都是作為附件安裝在掃描電鏡或透射電鏡上，與電鏡組成一個(gè)多功能儀器以滿足微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成的同位同時(shí)分析的需要。本文檔共81頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分三、電子探針顯微分析的基礎(chǔ)

1、特征X射線譜：

X射線譜是由于原子的內(nèi)層電子能級(jí)之間躍遷產(chǎn)生的，為了使這種躍遷成為可能，必須逐出一個(gè)能層電子以產(chǎn)生一個(gè)空位。在電子探針分析中，所需要的內(nèi)層能級(jí)電離是靠有足夠動(dòng)能的電子的轟擊產(chǎn)生的。X射線譜的波長(zhǎng)是發(fā)射元素獨(dú)有的特征。本文檔共81頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分2.內(nèi)層電離：電子探針分析是靠電子轟擊試樣引起特征X射線的發(fā)射。為了使入射電子的能量超過某一殼層的“臨界激發(fā)能量”，探針一般使用10－30kv的加速電壓。電子轟擊的電力效率很低，因?yàn)槿肷潆娮拥拇蟛糠帜芰吭谂c束縛較弱的外層電子的相互作用中消耗了，但是電子束每秒產(chǎn)生的電子數(shù)目非常大，所以仍然可以獲得足夠的X射線強(qiáng)度。本文檔共81頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分四、電子探針儀的工作原理

電子探針(electronprobemicroanalysis,EPMA)的構(gòu)造與SEM大體相似，只是增加了接收記錄X射線的譜儀。EPMA使用的X射線譜儀有波譜儀和能譜儀兩類。本文檔共81頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分1、電子探針的工作原理：它利用被聚焦成小于1m的高能電子束轟擊樣品表面，由X射線波譜儀或能譜儀檢測(cè)從試樣表面有限深度和側(cè)向擴(kuò)展的微區(qū)體積內(nèi)產(chǎn)生的特征X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，得到1m3微區(qū)的定性或定量的化學(xué)成分。本文檔共81頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

2、特征X射線的檢測(cè)

檢測(cè)特征X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度是由X射線譜儀(波譜儀或能譜儀)來完成的。

(1)波長(zhǎng)分散譜儀(波譜儀或光譜儀)

依據(jù)不同元素的特征X射線具有不同波長(zhǎng)這一特點(diǎn)對(duì)樣品進(jìn)行成分分析。若樣品中含有多種元素，高能電子束入射樣品會(huì)激發(fā)出各種波長(zhǎng)的特征X射線，波譜儀通過晶體衍射分光的途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)的X射線分散展譜、鑒別與測(cè)量。本文檔共81頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

A、若有一束包括不同波長(zhǎng)的X射線照射到一個(gè)晶體表面上，平行于該晶體表面的晶面(hkl)的間距為d，入射X射線與該晶面的夾角為θ1，則其中只有滿足布拉格方程λ1=2dsinθ1

的那個(gè)波長(zhǎng)的X射線發(fā)生衍射。若在與入射X射線方向成2θ1的方向上放置X射線檢測(cè)器，就可以檢測(cè)到這個(gè)特定波長(zhǎng)的X射線及其強(qiáng)度。本文檔共81頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分B、若電子束位置不變，改變晶體的位置，使(hkl)晶面與入射X射線交角為θ2，并相應(yīng)地改變檢測(cè)器的位置，就可以檢測(cè)到波長(zhǎng)為：

λ2=2dsinθ2

的X射線。如此連續(xù)地操作，即可進(jìn)行該定點(diǎn)的元素全分析。若將發(fā)生某一元素特征X射線的入射角θ固定，對(duì)樣品進(jìn)行微區(qū)掃描，即可得到某一元素的線分布或面分布圖像。本文檔共81頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分分光用平面晶體對(duì)各種不同波長(zhǎng)的特征X射線可以分光展開，但收集單一波長(zhǎng)的X射線效率很低，為提高收集效率，人們一般采用彎晶分光系統(tǒng)，即把分光晶體作適當(dāng)彈性彎曲，并使射線源、彎曲晶體表面和檢測(cè)管口位于同一個(gè)圓周上，就可以使分光晶體表面處處滿足同樣的衍射條件，整個(gè)晶體只收集一種波長(zhǎng)的X射線。本文檔共81頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分波譜儀有旋轉(zhuǎn)式波譜儀和直進(jìn)式波譜儀。

1)旋轉(zhuǎn)式波譜儀

本文檔共81頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

旋轉(zhuǎn)式波譜儀雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有三個(gè)缺點(diǎn)：

a)其出射角φ是變化的，若φ2

＜φ1，則出射

角為φ2的X射線穿透路程比較長(zhǎng)，其強(qiáng)度就

低，計(jì)算時(shí)須增加修正系數(shù)，比較麻煩；

b)X射線出射線出射窗口要設(shè)計(jì)得很大；

c)出射角φ越小，X射線接受效率越低。本文檔共81頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分2)直進(jìn)式波譜儀

特點(diǎn)是X射線出射角φ固定不變，X射線穿出樣品表面過程所走的路徑相同，即吸收條件相同。本文檔共81頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

由光源至晶體的距離L(叫做譜儀長(zhǎng)度)與聚焦圓的半徑有下列關(guān)系：

所以，對(duì)于給定的分光晶體，L與λ存在著簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。因此，只要讀出波譜儀上的L值，就可直接得到λ值。

L=2rsinθ＝rλ/d本文檔共81頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

本文檔共81頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

在波譜儀中，是用彎晶將X射線分譜的。因此，恰當(dāng)?shù)剡x用彎晶是很重要的。晶體展譜遵循布拉格方程：

顯然，對(duì)于不同波長(zhǎng)的特征X射線就需要選用與其波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)姆止饩w。對(duì)波長(zhǎng)為0.05-10nm的X射線，需要使用幾塊晶體展譜。2dsinθ＝λ本文檔共81頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分X射線波譜儀工作原理示意圖本文檔共81頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分波譜儀的特點(diǎn)：1、波譜儀的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）分辨率高，其分辨率為5-10eV，如Vkβ（0.228434nm），Crkα1（0.228962nm）

Crkα2（0.229351nm）（2）峰背比高，WDS所檢測(cè)的元素的最低濃度是EDS

的1/10，大約可檢測(cè)100ppm。本文檔共81頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分2、波譜儀的主要缺點(diǎn)：采樣效率低，分析速率慢。由于經(jīng)晶體衍射后，X射線強(qiáng)度損失很大，其檢測(cè)效率低，所以波譜儀難以在低束流和低激發(fā)強(qiáng)度下使用，因此其空間分辨率低且難與高分辨率的電鏡配合使用。本文檔共81頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分(2)能量色散譜儀(簡(jiǎn)稱能譜儀)

波譜儀是用分光晶體將X射線波長(zhǎng)分散開來分別加以檢測(cè)，每一個(gè)檢測(cè)位置只能檢測(cè)一種波長(zhǎng)的X射線。而能譜儀與此不同，它是按X射線光子能量展譜。本文檔共81頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

能譜儀通過鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器(Si(Li)檢測(cè)器)將所有波長(zhǎng)(能量)的X射線光子幾乎同時(shí)接收進(jìn)來，每一能量為E的X光子相應(yīng)地引起n對(duì)電子—空穴對(duì)，不同的X射線光子能量產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)數(shù)不同。Si(Li)檢測(cè)器將它們接收后經(jīng)過積分，再經(jīng)放大整形后送入多道脈沖高度分析器,然后在熒光屏以脈沖數(shù)-脈沖高度曲線顯示，這就是X射線能譜曲線。本文檔共81頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分能譜儀結(jié)構(gòu)框圖Si(Li)探測(cè)器本文檔共81頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

(3)能譜儀的特點(diǎn)

1)能譜儀所用的Si(Li)探測(cè)器尺寸小，可以裝在靠近樣品的區(qū)域。這樣，X射線出射角φ大，接收X射線的立體角大，X射線利用率高，可達(dá)10000脈沖/s·10-9A。能譜儀在低束流情況下(10-10-10-12A)工作，仍能達(dá)到適當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)率。電子束流小，束斑尺寸小、采樣的體積也較小，最少可達(dá)0.1m3，而波譜儀大于1m3。

2)分析速度快，可在2-3分鐘內(nèi)完成元素定性全分析。本文檔共81頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

3)能譜儀工作時(shí)，不需要象波譜儀那樣聚焦，因

而不受聚焦圓的限制，樣品的位置可起伏2-

3mm，適用于粗糙表面成分分析。

4)工作束流小，對(duì)樣品的污染作用小。

5)能進(jìn)行低倍X射線掃描成象，得到大視域的元

素分布圖。

本文檔共81頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分6)分辨本領(lǐng)比較低，只有150eV(波譜儀可達(dá)

10eV)；

7)峰背比小，一般為100，而波譜儀為1000；

8)Si(Li)探測(cè)器必須在液氮溫度下使用，維護(hù)費(fèi)

用高，用超純鍺探測(cè)器雖無此缺點(diǎn)，但其分辨

本領(lǐng)低。本文檔共81頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分Si(Li)X射線能譜儀最重要的性能指標(biāo)是能量分辨率。能量分辨率是儀器分辨能量相近的特征譜線的能力。從Si(Li)能譜儀測(cè)得的特征譜線的特點(diǎn)是寬度顯著增大，而高度卻隨之大大降低，例如自然峰寬為2.3ev,高度為1000的錳的Kα譜線(5.898ev)經(jīng)過能譜儀變成寬度為150ev，高度為15的譜峰。本文檔共81頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分本文檔共81頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分能譜儀把峰展寬的原因是：（1）Si(Li)探測(cè)器俘獲一定能量的X光子產(chǎn)生電子－空穴對(duì)數(shù)目的統(tǒng)計(jì)的起伏，從而引起脈沖幅度的波動(dòng)，因而使測(cè)得的X光子能量發(fā)生變化，造成峰被展寬。（2）放大過程中的電子線路噪音。

本文檔共81頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分本文檔共81頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分比較內(nèi)容WDSEDS元素分析范圍4Be－92U4Be－92U定量分析速度慢快分辨率高（≈5eV）低（130eV）檢測(cè)極限10-2(%)10-1(%)定量分析準(zhǔn)確度高低X射線收集效率低高峰背比（WDS/EDS）101能譜和波譜主要性能的比較本文檔共81頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

五、電子探針儀的實(shí)驗(yàn)方法

1、電子探針儀的操作特點(diǎn)

總的來說，除了與檢測(cè)X射線信號(hào)有關(guān)的部件以外，電子探針儀的總體結(jié)構(gòu)與掃描電鏡十分相似。但兩者的側(cè)重點(diǎn)不同，因此這兩種儀器對(duì)電子束的入射角和電流強(qiáng)度的要求不同。本文檔共81頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

對(duì)于電子探針儀來說，電子束相對(duì)樣品表面的入射角要固定，入射電子束流強(qiáng)度要高，一般為10-6-10-8A；

掃描電鏡則完全相反，入射電子束流一般為10-9-10-12A，這樣才使入射電子束斑直徑小于100nm，保證形貌圖像有較高的分辨率。組合儀電子束流通常為10-5-10-13A。本文檔共81頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分加速電壓的選擇

入射電子的能量E0取決于電子槍加速電壓，一般為3～50keV。因?yàn)橛蓸悠穬?nèi)激發(fā)產(chǎn)生的某一特定譜線強(qiáng)度隨過電壓比U=E0/Ec(Ec為臨界電離激發(fā)能)的增高而增大。所以，分析過程中加速電壓的具體選擇，因待分析元素及其譜線的類別(K系或L系、M系)而異。

一般情況下，當(dāng)同時(shí)分析幾個(gè)元素時(shí)，E0必須大于所有元素的Ec。2、加速電壓和入射電子束流的選擇本文檔共81頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分(2)入射電子束流的選擇

為了提高X射線信號(hào)強(qiáng)度，電子探針儀必須采用較大的入射電子束流。由于電子流高度密集條件的空間電荷效應(yīng)，束流I的增大勢(shì)必造成最終束斑尺寸dp的擴(kuò)大，從而影響分析的空間分辨率:

dx=dp+Ds

式中，Ds為電子在樣品內(nèi)的側(cè)向擴(kuò)展，它隨加速電壓和樣品被測(cè)區(qū)域的平均原子序數(shù)而異。本文檔共81頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

一般采用盡可能低的電壓操作(當(dāng)然至少滿足E0＞Ec)才是降低dx的有效措施。因此，在確保有限的dp尺寸條件下盡可能提高束流i，不僅為提高訊號(hào)強(qiáng)度所必需，也是完全可能的。通常選用dp=0.5m的束斑，這時(shí)束流i遠(yuǎn)較掃描電鏡高，在10-9～10-7A范圍內(nèi)。本文檔共81頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分3、光學(xué)顯微鏡的作用

為了便于選擇和確定分析點(diǎn)，電子探針儀的鏡筒內(nèi)裝有與電子束同軸的光學(xué)顯微鏡觀察系統(tǒng)(100～400倍)，確保光學(xué)顯微鏡圖象中由垂直交叉線所標(biāo)記的樣品位置恰與電子束轟擊點(diǎn)精確重合。

本文檔共81頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分4、樣品室的特殊要求

電子探針定量分析要求在完全相同的條件下，對(duì)未知樣品和待分析元素的標(biāo)樣測(cè)定特定譜線的強(qiáng)度，樣品臺(tái)常可同時(shí)容納多個(gè)樣品座，分別裝置樣品和標(biāo)樣。

一般情況下，電子探針分析要求樣品平面與入射電子束垂直，即保持電子束垂直入射的方向。所以，樣品臺(tái)除了可作X、Y軸方向的平移運(yùn)動(dòng)外，一般不作傾斜運(yùn)動(dòng)，對(duì)于定量分析更是如此。

本文檔共81頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分5、定量分析的數(shù)據(jù)處理

利用電子探針儀進(jìn)行微區(qū)成分的定量分析，即把某元素的特征X射線測(cè)量強(qiáng)度換算成百分濃度時(shí)，涉及X射線信號(hào)發(fā)生和發(fā)射過程中的許多物理現(xiàn)象，十分敏感地受到樣品本身化學(xué)成分的影響，需要一整套復(fù)雜的校正計(jì)算。

本文檔共81頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

對(duì)于原子序數(shù)高于10、濃度高于10%左右的元素來說，定量分析的相對(duì)精度約為±1%～5%。但對(duì)于原子序數(shù)低于10的一些輕元素或超輕元素來說，無論從定性還是定量分析的角度來看，尚有許多方面需要改善和提高。

本文檔共81頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分六、電子探針分析的基本原理1、定性分析的基本原理２、定量分析的基本原理本文檔共81頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分1.定性分析的基本原理

電子探針除了用電子與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子進(jìn)行形貌觀察外，主要是利用波譜或能譜，測(cè)量入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生的特征X射線波長(zhǎng)與強(qiáng)度，從而對(duì)試樣中元素進(jìn)行定性、定量分析。本文檔共81頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

由莫塞萊定律：

(K為常數(shù)，σ為屏蔽系數(shù))。

如果用X射線波譜儀測(cè)量電子激發(fā)試樣所產(chǎn)生的特征X射線波長(zhǎng)的種類，即可確定試樣中所存在元素的種類，這就是定性分析的基本原理。

λ=K/(Z-σ)2本文檔共81頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分2.定量分析的基本原理

試樣中A元素的相對(duì)含量CA與該元素產(chǎn)生的特征X射線的強(qiáng)度IA(X射線計(jì)數(shù))成正比:CA∝IA，如果在相同的電子探針分析條件下，同時(shí)測(cè)量試樣和已知成份的標(biāo)樣中A元素的同名X射線(如Kα線)強(qiáng)度，經(jīng)過修正計(jì)算，就可以得出試樣中A元素的相對(duì)百分含量CA:CA＝KIA/I(A)本文檔共81頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分式中CA為某A元素的百分含量，K為常數(shù)，根據(jù)不同的修正方法,K可用不同的表達(dá)式表示，IA

和I(A)

分別為試樣中和標(biāo)樣中A元素的特征X射線強(qiáng)度，同樣方法可求出試樣中其它元素的百分含量。CA＝KIA/I(A)本文檔共81頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分七、電子探針的儀器構(gòu)造

電子探針的主要組成部份為:1.電子光學(xué)系統(tǒng)；

2.X射線譜儀系統(tǒng)；

3.試樣室；

4.電子計(jì)算機(jī)；

5.掃描顯示系統(tǒng)；

6.真空系統(tǒng)等。本文檔共81頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分本文檔共81頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分1.電子光學(xué)系統(tǒng)

電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、消像散器和掃描線圈等。其功能是產(chǎn)生一定能量的電子束、足夠大的電子束流、盡可能小的電子束直徑，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的X射線激發(fā)源。本文檔共81頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分（a）電子槍電子槍是由陰極（燈絲）、柵極和陽極組成。它的主要作用是產(chǎn)生具有一定能量的細(xì)聚焦電子束(探針)。從加熱的鎢燈絲發(fā)射電子，由柵極聚焦和陽極加速后，形成一個(gè)10μm～100μm交叉點(diǎn)。本文檔共81頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分（b）電磁透鏡

電磁透鏡分會(huì)聚透鏡和物鏡，靠近電子槍的透鏡稱會(huì)聚透鏡，會(huì)聚透鏡一般分兩級(jí)，是把電子槍形成的10μm－100μm的交叉點(diǎn)縮小1－100倍后，進(jìn)入試樣上方的物鏡，物鏡可將電子束再縮?。?μm）并聚焦到試樣上。為了擋掉大散射角的雜散電子，使入射到試樣的電子束直徑盡可能小，會(huì)聚透鏡和物鏡下方都有光闌。本文檔共81頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

用于安裝、交換和移動(dòng)試樣。試樣可以沿X、Y、Z軸方向移動(dòng)，有的試樣臺(tái)可以傾斜、旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在試樣臺(tái)已用光編碼定位，準(zhǔn)確度優(yōu)于1μm，對(duì)表面不平的大試樣進(jìn)行元素面分析時(shí)，Z軸方向可以自動(dòng)聚焦。

2.試樣室本文檔共81頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

試樣室可以安裝各種探測(cè)器，例如二次電子探測(cè)器、背散射電子探測(cè)器、波譜、能譜、及光學(xué)顯微鏡等。光學(xué)顯微鏡用于觀察試樣(包括熒光觀察)，以確定分析部位，利用電子束照射后能發(fā)出熒光的試樣（如Zr02），能觀察入射到試樣上的電子束直徑大小。本文檔共81頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分3.X射線譜儀系統(tǒng)

本文檔共81頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

4.電子計(jì)算機(jī)

掃描顯示系統(tǒng)是將電子束在試樣表面和觀察圖像的熒光屏（CRT）進(jìn)行同步光柵掃描，把電子束與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子及X射線等信號(hào)，經(jīng)過探測(cè)器及信號(hào)處理系統(tǒng)后，送到CRT顯示圖像或照相紀(jì)錄圖像。以前采集圖像一般為模擬圖像，現(xiàn)在都是數(shù)字圖像，數(shù)字圖像可以進(jìn)行圖像處理和圖像分析。5.掃描顯示系統(tǒng)本文檔共81頁；當(dāng)前第65頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分6.真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)是保證電子槍和試樣室有較高的真空度，高真空度能減少電子的能量損失和提高燈絲壽命，并減少了電子光路的污染。真空度一般為0.01Pa－0.001Pa，通常用機(jī)械泵－油擴(kuò)散泵抽真空。油擴(kuò)散泵的殘余油蒸汽在電子束的轟擊下，會(huì)分解成碳的沉積物，影響超輕元素的定量分析結(jié)果，特別是對(duì)碳的分析影響嚴(yán)重。用液氮冷阱冷卻試樣附近的冷指，或采用無油的渦輪分子泵抽真空，可以減少試樣碳污染。本文檔共81頁；當(dāng)前第66頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分1、試樣要求：（a）試樣尺寸所分析的試樣應(yīng)為塊狀或顆粒狀，其最大尺寸要根據(jù)不同儀器的試樣架大小而定。定量分析的試樣要均質(zhì)，厚度通常應(yīng)大于5μm。如果試樣均勻，在可能的條件下，試樣應(yīng)盡量小，特別對(duì)分析不導(dǎo)電試樣時(shí)，小試樣能改善導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能。八、電子探針的試樣要求及制備本文檔共81頁；當(dāng)前第67頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分（b）具有較好的電導(dǎo)和熱導(dǎo)性能

金屬材料一般都有較好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，而硅酸鹽材料和其它非金屬材料一般電導(dǎo)和熱導(dǎo)都較差。后者在入射電子的轟擊下將產(chǎn)生電荷積累，造成電子束不穩(wěn)定，圖像模糊，并經(jīng)常放電使分析和圖像觀察無法進(jìn)行。試樣導(dǎo)熱性差還會(huì)造成電子束轟擊點(diǎn)的溫度顯著升高，往往使試樣中某些低熔點(diǎn)組份揮發(fā)而影響定量分析準(zhǔn)確度。本文檔共81頁；當(dāng)前第68頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

電子束轟擊試樣時(shí)，只有0.5%左右的能量轉(zhuǎn)變成X射線，其余能量大部份轉(zhuǎn)換成熱能，熱能使試樣轟擊點(diǎn)溫度升高，Castaing用如下公式表示溫升△T(K):

式中V0(kV)為加速電壓，i(μA)為探針電流，d(μm)為電子束直徑，k為材料熱導(dǎo)率。本文檔共81頁；當(dāng)前第69頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分

例如，對(duì)于典型金屬(k=1時(shí))，當(dāng)V0＝20kV，d＝1μm，i＝1μA時(shí)，△T＝96K。對(duì)于熱導(dǎo)差的典型晶體，k=0.1，典型的有機(jī)化合物k=0.002。對(duì)于熱導(dǎo)差的材料，如K=0.01,V0=30kV,i=0.1μA，d=1μm時(shí),由公式得ΔT=1440K。如果試樣表面鍍上10nm的鋁膜，則ΔT減少到760K。因此,對(duì)于硅酸鹽等非金屬材料必須在表面均勻噴鍍一層20nm左右的碳膜、鋁膜或金膜等來增加試樣表面的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。本文檔共81頁；當(dāng)前第70頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分（c）試樣表面光滑平整

試樣表面必須拋光，在100倍反光顯微鏡下觀察時(shí)，能比較容易地找到50μm×50μm無凹坑或擦痕的分析區(qū)域。因?yàn)閄射線是以一定的角度從試樣表面射出，如果試樣表面凸凹不平，就可能使出射X射線受到不規(guī)則的吸收，降低X射線測(cè)量強(qiáng)度。本文檔共81頁；當(dāng)前第71頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分試樣表面臺(tái)階引起的附加吸收本文檔共81頁；當(dāng)前第72頁；編輯于星期六\7點(diǎn)50分2.試樣制備方法（a）粉體試樣

A、粉體可以直接撒在試樣座的雙面碳導(dǎo)電膠上，用表面平的物體，例如玻璃板壓緊，然后用洗耳球吹去粘結(jié)不牢固的顆粒。當(dāng)顆粒比較大時(shí)，例如大于5μm，可以尋找表面盡量平的大顆粒分析。也可以將粗顆粒粉體用環(huán)氧