X射线能谱分析解读PPT课件

.,1,9X射线能谱分析9.1能谱仪的主要组成部分,一般的化学分析方法仅能得到分析试样的平均成分，而在电子显微镜上却可实现与微区形貌相对应的微区分析，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。微区成分分析可直接使用电子探针仪进行。它专门用于试样的成分分析，它要求试样表面必须是光滑的。但光滑的表面对试样的形貌观察不利，所以在材料科学中最为常用的是在扫描电镜上加装X射线能谱仪，这样既可进行形貌观察，又能实施成分分析。能量色散谱仪简称能谱仪，是利用特征X射线能量不同来展谱而进行成分分析的仪器。,.,2,由探针器、前置放大器、脉冲信号处理单元、模数转换器、多道分析器、微型计算机及显示记录系统组成，是一套较为复杂的电子仪器。组成结构见图2-93。,9X射线能谱分析9.1能谱仪的主要组成部分,.,3,9X射线能谱分析9.2能谱仪的工作原理,由试样出射的具有各种能量的X光子相继经Be窗射入Si（Li）内，在区产生电子一空穴对。每产生一对电子一空穴对，要消耗掉X光子3.8eV能量，因此每一个能量为E的入射光子产生的电子一空穴对数目N=E3.8。加在Si（Li）上的偏压将电子一空穴对收集起来，每入射一个X光子，探测器输出一个微小的电荷脉冲，其高度正比于入射的X光子能量E、电荷脉冲经前置放大器、信号处理单元和模数转换器处理后以时钟脉冲形式进入多道分析器。,.,4,多道分析器有一个由许多存储单元（称为通道）组成的存储器。与X光子能量成正比的时钟脉冲数按大小分别进入不同存储单元、每进入一个时钟脉冲数，存储单元记一个光子数，因此通道地址和X光子能量成正比，而通道的计数为X光子数。最终得到以通道（能量）为横坐标、通道计数（强度）为纵坐标的X射线能量色散谱（图295b），并显示于显像管荧光屏上。,9X射线能谱分析9.2能谱仪的工作原理,.,5,.,6,1、分析元素范围能谱仪分析的元素范围为：有Be窗口的范围为11Na92U。无窗或超薄窗口的为4Be92U。2、分辨率能谱仪的分辨率是指分开或识别相邻两个谱峰的能力，可用能量色散谱的谱峰半高宽来衡量，也可用E/E的百分数来表示。半高宽越小，表示能谱仪的分辨率越高。目前能谱仪的分辨率达到130eV左右。3、探测极限能谱仪能测出的元素最小百分浓度称为探测极限，与分析的元素种类、样品的成分等有关，能谱仪的探测极限约为0.1-0.5%。,9X射线能谱分析9.3能谱仪的主要性能指标,.,7,9X射线能谱分析9.3能谱仪的主要性能指标,4、X光子几何收集率是指能谱仪接收X光子数与源出射的X光子的百分比。能谱仪的X光子几何收集率约2%。但比波谱仪要高得多。5、量子效率量子效率是指探测器X光子计数与进入谱仪探测器的x光子数的百分比，能谱仪的量子效率很高，对8m铍窗、3mm厚的Si（Li）探测器，在X射线光子能量为25-15keV范围，探测器的量子效率接近100。6、瞬时的X射线谱接收范围瞬时的X射线接收范围是指谱仪在瞬间所能探测到的X射线谱的范围。能谱仪在瞬间能探测各种能量的X射线。,.,8,9X射线能谱分析9.3能谱仪的主要性能指标,7、最小电子束斑束流与束斑直径的8/3次方成正比。因能谱仪有较高的几何收集率和很高的量子效率，在束流低到10-11A时仍能有足够的计数，所以分析时的最小束斑直径可达5nm。8、分析速度能谱仪的分析速度快，能在几分钟内把能谱显示出来。9、谱的失真能谱分析时存在谱的失真问题。,.,9,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应用,能谱分析有四种基本方法：定点定性分析、线扫描分析、面扫描分析和定点定量分析。,要得到准确的分析结果，除了试样本身要满足实验要求外，还要选择适宜的工作条件，如加速电压、计数率和计数时间，X射线出射角等。,.,10,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应用,（1）加速电压为了得到某一元素某一线系的特征X射线，入射电子束的能量E。必须大于该元素此线系的临界电离激发能Ec，并使激发产生的特征X射线强度达到探测器足以检测的程度，因此希望使用较高的加速电压。但是加速电压增高，不仅使电子束在试样中的扩散范围增加，增大了分析体积，影响分析的空间分辨率，而且增加了试样对X射线的吸收，影响分析的准确性。考虑到上述两方面的因素，一般取过电压比：V/Vc=EOEc=24。对于原子序数Z=1130的元素，K层电子的Ec（K）在l10keV范围，可选择V=1025kV；对于Z35的元素，一般都利用Ec不太高的L系或M系谱线进行分析，以便在适当的V值（例如低于30kV）条件下保持较高的激发效率、较好的空间分辨率和精度。,.,11,.,12,.,13,.,14,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应用,（2）计数率和计数时间在分析时，每一次强度测量要有足够的累计计数N。这不仅可提高测量精度，同时要使每个谱峰从统计角度来看都是显然可见的。一般N需大于105，对中等浓度元素计数率约为103104cps。计数时间为10100s。对于能谱仪，计数率过高有增加能谱失真的趋势，要使能谱系统在最佳分辨率情况下工作，计数率一般保持在2000cps以下，如总计数率不够，可适当增加计数时间。计数率cps主要决定于试样状况和束流大小。对于一定的试样，可通过调节束流大小来控制计数率。但必须注意，束流过大不仅导致样品的污染，同时也导致镜筒的污染，使图像分辨率下降。,.,15,1、（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：用聚焦电子束照射在需要分析的点上，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。能谱谱线的鉴别可以用以下两种方法：（l）根据经验及谱线所在的能量位置估计某一峰或几个峰是某元素的特征X射线峰，让能谱仪在荧光屏上显示该元素特征X射线标志线来核对；（2）当无法估计可能是什么元素时，根据谱峰所在位置的能量查找元素各系谱线的能量卡片或能量图来确定是什么元素。,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应用,.,16,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应用,右图为含Ba硫铝酸盐水泥的水化产物照片，右侧的是照片中1、2点的能谱成分分析图谱,.,17,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应用,SEMQuantresults.Systemresolution=61eVQuantitativemethod:ZAF(4iterations).Analysedelementscombinedwith:O(Valency:-2)Method:StoichiometryNormalisedresults.Nos.ofionscalculationbasedon32anionsperformula.8peakspossiblyomitted:0.00,0.26,2.14,2.62,4.50,9.70,11.44,13.32keVStandards:MgKMgO01/12/93AlKAl2O323/11/93SiKQuartz01/12/93KKMAD-1002/12/93CaKWollas23/11/93FeKFe01/12/93,ElmtSpect.ElementAtomicCompoundNos.ofType%ionsMgKED1.071.08MgO1.780.60AlKED5.825.26Al2O310.992.92SiKED13.1211.39SiO228.076.33KKED0.450.28K2O0.540.15CaKED35.9621.88CaO50.3112.16FeKED5.822.54Fe2O38.321.41O37.7757.5832.00Total100.00100.00100.00Cationsum23.58*=2Sigma,.,18,2线扫描分析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。能谱仪处于探测元素特征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。通常将电子束扫描线，特征X射线强度分布曲线重叠于二次电子图像之上，可以更加直观地表明元素含量分布与形貌、结构之间的关系。线扫描分析对于测定元素在材料相界和晶界上的富集与贫化是十分有效的。在有关扩散现象的研究中，能谱分析比剥层化学分析、放射性示踪原子等方法更方便。在垂直于扩散界面的方向上进行线扫描，可以很快显示浓度与扩散距离的关系曲线，若以微米级逐点分析，即可相当精确地测定扩散系数和激活性。,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应用,.,19,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应用,3、面扫描分析聚焦电子束在试样上作二维光栅扫描，能谱仪处于能探测元素特征X射线状态，用输出的脉冲信号调制同步扫描的显像管亮度，在荧光屏上得到由许多亮点组成的图像，称为X射线扫描像或元素面分布图像。试样每产生一个X光子，探测器输出一个脉冲，显像管荧光屏上就产生一个亮点;若试样上某区域该元素含量多，荧光屏图像上相应区域的亮点就密集。根据图像上亮点的疏密和分市，可确定该元素在试样中分布情况。,.,20,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应用,.,21,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应用,4、（定点）定量分析能谱仪在稳定的电子束照射下得到的X射线谱，在扣除背景计数率后，各元素的同类特征谱线的强度值与它们的浓度相对应。但是实际上并不是这样。见图2-100。,Ni和V的浓度相差一倍，谱强却相当，Cr的谱强大于Mn，但浓度却相反。显然，由谱线强度进行直接对比，只能得出半定量的分析结果，误差很大。产生误差的原因是：谱线强度除与元素含量有关外，还与试样的化学成分，这通常称为基体效应；能谱仪对不同波长的X射线的探测效率有所不同。如何消除这些误差，是定量分析要解决的问题。,.,22,9X射线能谱分析9.4分析方法及其应