第二章电子探针

1、透射(tu sh)电子显微镜思考题1、电子衍射基本公式(gngsh)的应用2、多晶电子衍射图标定3、明场像和暗场像的形成4、衬度、质厚衬度、衍射衬度的定义共三十七页第五节 电子探针X射线(shxin)显微分析（EPMA）主要(zhyo)内容 (1) 电子探针的原理 (2) 电子探针仪的结构 (3) 波谱仪(WDS)、能谱仪(EDS)的原理 (4) 电子探针分析方法共三十七页第一台商品电子探针X射线显微分析仪(简称电子探针仪)是1956年制成的。电子探针仪是一种微区成分分析仪器，它利用被聚焦成小于1m的高速电子束(电子探针)轰击样品表面，由X射线波谱仪或能谱仪检测从试样表面产生的特征X射线的波长

2、和强度，进行定性或定量(dngling)的化学成分。 特点：不损样，准确快速，灵敏度高，分析范围广（4Be92U）。 共三十七页电子束与固体(gt)样品相互作用电子探针信号(xnho)共三十七页电子探针分析(fnx)的理论依据 由Moseley（莫塞莱）定律=K/(Z-)2 X射线特征谱线的波长和产生此射线的样品材料的原子序数Z有一确定的关系(K为常数，为屏蔽系数)。 =K/(Z-)2 只要测出特征X射线的波长，就可确定相应元素的原子序数。 因为某种元素的特征X射线强度与该元素在样品中的浓度成比例，所以只要测出这种特征X射线的强度，就可计算(j sun)出该元素的相对含量。 这就是利用电子探针

3、仪作定性、定量分析的理论根据。 共三十七页一、电子探针仪的构造和工作(gngzu)原理 电子探针镜筒部分的结构大体上和扫描(somio)电子显微镜相同，只是在检测器部分使用的是X射线谱仪，专门用来检测X射线的特征波长或特征能量，以此来对微区的化学成分进行分析共三十七页常用的X射线谱仪有两种：一种是利用特征(tzhng)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 Spectrome

4、ter，简称EDS）。共三十七页1、波谱仪（WDS） X射线波谱仪的谱仪系统也即X射线的分光和探测系统是由分光晶体、X射线探测器和相应的机械(jxi)传动装置构成。共三十七页把单晶体弯曲使它衍射晶面的曲率半径等于聚焦圆半径R的两倍，即2R。表面磨制成和聚焦圆表面相合(即晶体表面的曲率半径和R相等(xingdng)，当某一波长的X射线自点光源S处发出时，晶体内表面任意点A、B、C上接收到的X射线相对于点光源来说,入射角都相等，由此A、B、C各点的衍射线都能在D点聚焦。所以这种方法也叫做完全聚焦法。聚焦(jjio)圆改变晶体和探测器的位置可以测到不同波长的射线旋转式波谱仪X射线的出射窗口较大共三十

5、七页这种谱仪的特点(tdin)是分光晶体从点光源A向外沿着一直线运动，X射线出射角不变，晶体通过自转改变角。全聚焦(jjio)直进式波谱仪这种谱仪结构复杂，但X射线照射晶体的方向固定，使X射线穿出样品表面过程中所走的路线相同，也就是吸收条件相同。共三十七页 可见在直进式谱仪中，特征X射线的波长直接与分光晶体(jngt)和点光源间的距离成正比。L由小变大意味着被检测的X射线波长由短变长，改变L就能检测到不同波长，即不同元素的X射线。例如：R=140mm，LiF分光(fn un)晶体的衍射晶面间距 d = 0.2013nm（200）， 在L=134.7mm处,可探测Fe ,在L=107.2mm处,

6、可探测Cu ,。共三十七页 分光(fn un)晶体分光晶体是专门用来对X射线起色散(ssn)（分光）作用的晶体，它应具有良好的衍射性能、强的反射能力和好的分辨率。在X射线谱仪中使用的分光晶体还必须能弯曲成一定的弧度、在真空中不发生变化等。各种晶体能色散的X射线波长范围，取决于衍射晶面间距d和布拉格角的可变范围，对波长大于2d的X射线则不能进行色散。谱仪的角有一定变动范围，15-65；每一种晶体的衍射晶面是固定的，因此它只能色散一段波长范围的X射线和适用于一定原子序数范围的元素分析。目前，电子探针仪能分析的元素范围是原子序数为4的铍（Be）到原子序数为92的铀（U）。其中小于氟（F）的元素称为轻

7、元素，它们的X射线波长范围大约在1.8-11.3 nm。共三十七页共三十七页X-ray探测器：与X-ray衍射仪相同(xin tn)。记录系统：X-ray强度显示， X-ray强度分布曲线图292，X-ray波长(bchng)色散谱共三十七页2、 能谱仪（EDS）利用特征X-ray能量(nngling)不同展谱 能谱仪的主要组成部分如图所示，由探测器、前置放大器、脉冲信号处理(xn ho ch l)单元、模数转换器、多道分析器、小型计算机及显示记录系统组成，它实际上是一套复杂的电子仪器。共三十七页 锂漂移(pio y)硅Si(Li)探测器 Si(Li)是厚度为3-5 mm、直径为3-10mm的

8、薄片，它是p型Si在严格的工艺条件下漂移进Li制成的。Si(Li)探测器实际上是一个p-I-n型二级管，镀金的p型Si接高压(goy)负端，n型Si接高压正端并和前置放大器的场效应管相连接。 Si(Li)探测器处于真空系统内，其前方有一个7-8 m的铍窗，整个探头装在与存有液氮的杜瓦瓶相连的冷指内。电子空穴对数目N=E/3.8共三十七页 能谱仪的特点1.能谱仪所用的Li(Si)检测器尺寸小，可以装在靠近样品的区域，X射线利用率比较高；2.电子束流小，束斑尺寸小，对样品的污染作用小，采样的体积也较小,最小可达0.1um3；而波谱仪大于1um3;3.分析速度快，可在2-3分钟内完成元素定性全分析;

9、4.能谱仪工作时，不需要象波谱仪那样聚焦，因而不受聚焦圆的限制，样品的位置可起伏2-3mm，适用于粗糙表面成分(chng fn)分析;5.Si(Li)探测器必须在液氮温度(77K)下使用保存，维护费用高.共三十七页二、波谱仪和能谱仪的比较(bjio)操作特性 波谱仪（WDS） 能谱仪（EDS） 分析方式 用几块分光晶体按顺序进行分析 用Si(Li) EDS进行多元素同时分析分析元素范围 92 Z492 Z6 (无窗) 92 Z11 (铍窗) 分辨率 与分光晶体有关，5 eV （高）与能量有关，145150 eV（低）几何收集效率 0.2% 2% 共三十七页量子效率 30% 100% (2.51

10、5 keV)瞬时接收范围 波长满足式（263） 全部能量范围对表面要求 平整，光滑 较粗糙表面也适用典型数据收集时间 10 min 23 min 波谱仪和能谱仪的比较(bjio)共三十七页波谱仪和能谱仪的比较(bjio)谱失真 不存在主要包括：逃逸峰、峰重叠、脉冲堆积、电子束散射、铍窗吸收效应等最小束斑直径 200 nm 5 nm 探测极限 0.010.1% 0.10.5%对试样损伤 大小共三十七页三、分析方法及其应用(yngyng) 电子探针仪的分析方法 电子探针分析有三种基本分析方法： 点分析、线扫描分析、面扫描分析 分析方式有定性分析和定量分析。 准确的分析对实验条件有两大方面的要求。一

11、是对样品有一定的要求：如良好(lingho)的导电、导热性，表面平整度等；二是对工作条件有一定的要求：如加速电压，计数率和计数时间，X射线出射角等。共三十七页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(yun s)。其原理如下：在荧光屏显示的图像上选定需要分析的点，使聚焦电子束照射在该点上，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。1、定点(dn din)定性分析共三十七页 能谱定性分析(dngxngfnx)能谱谱线的鉴别可以用以下二种方法：(1)根据经验及谱线所在的能量位置估计某一

12、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(kpin)或能量图来确定是什么元素。共三十七页X射线能谱定性分析与定量分析相比，虽然比较简单、直观，但也必须遵循一定的分析方法，能使分析结果正确可靠。一般来说，对于试样中的主要元素（例如含量10）的鉴别是容易(rngy)做到正确可靠的；但对于试样中次要元素（例如含量在0.5-10）或微量元素（例如含量0.5）的鉴别则必须注意谱的干扰、失真、谱线的多重性等问题，否则会产生错误。共三十七页 波谱(bp)定性分析由于波谱仪的分辨率高

13、，波谱的峰背比至少是能谱的10倍，因此(ync)对一给定元素，可以在谱中出现更多的谱线。共三十七页此外，由于波谱仪的晶体分光(fn un)特点，对波长为的X射线不仅可以在 B处探测到n1的一级X射线，同时可在其它角处探测到n = 2，3的高级衍射线。EF共三十七页同样，在某一 B 处，n1，1的X射线可以产生衍射；n2，1/2的X射线也可以产生衍射，如果波谱仪无法将它们分离，则它们将出现于波谱的同一波长（角）处而不能分辨(fnbin)。 p167 例子共三十七页 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(jnxng)慢扫描，X射线谱仪处于探测某一元素特征X射线状态。 显像管

14、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（计数率）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象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。2、线扫描(somio)分折共三十七页共三十七页共三十七页共三十七页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，电子探针比剥层化学分析(huxu fnx)、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

15、微米级逐点分析，即可相当精确地测定扩散系数和激活能。共三十七页3、面扫描(somio)分析聚焦电子束在试样上作二维光栅扫描，X射线(shxin)谱仪处于能探测某一元素特征X射线状态，用谱仪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布，可确定该元素在试样中分布情况。共三十七页在一幅X射线扫描像中，亮区代表(dibio)元素含量高，灰区代表(dibio)元素含量较低，黑色区域代表(dibio)元素含量很低或不存在。 共三十七页共三十七页思考题1.电子探针显微分析(fnx)的基本原理。2.波谱仪的工作原理。3.定点分析、线扫描分析及面扫描分析。共三十七页内容摘要透射电子显微镜思考题。3、明场像和暗场像的形成。旋转式波谱仪。可见在直进式谱仪中，特征