第十五章电子探针显微分析

电子探针是在电子光学和X射线光谱学原理基础上发展的一种高效率分析仪器电子探针利用探测器接收样品的特征X射线信号，进行微区成分定性与定量分析电子探针整体结构与扫描电镜基本相同，但加速电压较高(最高为50kV)，且束流较大，以便获得足够的过压比和信号强度电子探针兼有形貌观察和成分分析两种功能，其主要功能是微区成分分析。检测X射线的探测器—能谱仪亦可作为附件安装在透射电镜上，而使透射电镜可进行微观组织、晶体结构和化学成分三位一体原位分析第十五章电子探针显微分析当前1页，总共31页。1第十五章电子探针显微分析本章主要内容第一节电子探针仪的结构与工作原理第二节电子探针仪的分析方法及应用当前2页，总共31页。2第一节电子探针仪的结构与工作原理图15-1为电子探针结构示意图，其电子光学系统和真空系统与扫描电镜基本相同电子探针的信号检测系统是X射线谱仪，检测X射线波长的谱仪称波谱仪(WDS)，检测X射线能量的谱仪称能谱仪(EDS)图15-1电子探针的结构示意图当前3页，总共31页。3一、波长分散谱仪(一)工作原理如图15-2所示，在样品内激发的X射线，向样品表面以外的各个方向发射，而每一方向均有不同波长的X射线在样品上方放置一块晶面间距d的晶体，由布拉格定律2dsin

=

可知，在不同的2方向可检测到不同波长的X射线，从而实现X射线的分散和检测其检测原理是利用已知晶面间距的分光晶体检测未知波长的X射线

但平面分光晶体检测效率非常低图15-2平面分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理当前4页，总共31页。4二、波长分散谱仪(一)工作原理如图15-3，若将分光晶体进行弹性弯曲，并将射线源S、分光晶体表面和检测窗口D位于同一圆周上，可使衍射束聚焦而提高检测效率，图中虚线圆称罗兰圆或聚焦圆若晶体弯曲半径为聚焦圆半径的2倍，称约翰型聚焦法或半聚焦法；若晶体弯曲半径与聚焦圆半径相等，称约翰逊型聚焦法或全聚焦法

目前，新型的波谱仪多采用全聚焦法图15-3弹性弯曲的分光晶体a)约翰型聚焦法b)约翰逊型聚焦法第一节电子探针仪的结构与工作原理当前5页，总共31页。5二、波长分散谱仪(一)工作原理直进式波谱仪，分光晶体沿直线移动，工作原理如图15-4所示。晶体位置L、聚焦圆半径R满足，L=2Rsin，由已知

L和R求出，再利用布拉格方程计算特征X射线波长直进式波谱仪优点是，检测不同波长的X射线时，可保持出射角不变，有利于定量分析时的吸收修正直进式波谱仪缺点是结构较复杂，且

占据较大空间第一节电子探针仪的结构与工作原理图15-4直进式波谱仪当前6页，总共31页。6探测器试样入射束分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理二、波长分散谱仪(一)工作原理

当前7页，总共31页。7探测器分光晶体试样入射束第一节电子探针仪的结构与工作原理二、波长分散谱仪(一)工作原理

当前8页，总共31页。8试样入射束探测器分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理二、波长分散谱仪(一)工作原理

当前9页，总共31页。9试样入射束探测器分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理二、波长分散谱仪(一)工作原理

当前10页，总共31页。10试样入射束探测器分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理二、波长分散谱仪(一)工作原理

当前11页，总共31页。11试样入射束探测器分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理二、波长分散谱仪(一)工作原理

当前12页，总共31页。12试样入射束探测器分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理二、波长分散谱仪(一)工作原理

当前13页，总共31页。13试样入射束探测器分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理二、波长分散谱仪(一)工作原理

当前14页，总共31页。14试样入射束探测器分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理二、波长分散谱仪(一)工作原理

当前15页，总共31页。15二、波长分散谱仪(一)工作原理如图15-5所示，回转式波谱仪检测不同波长X射线时，分光晶体在聚焦圆周上移动，检测器以相应的2倍的角速度在同一圆周上移动

回转式波谱仪优点是结构简单

缺点是接收不同波长X射线时，出射角将发生改变，不利于定量分析时的吸收修正第一节电子探针仪的结构与工作原理图15-5回转式波谱仪当前16页，总共31页。16第一节电子探针仪的结构与工作原理二、波长分散谱仪(一)工作原理

试样探测器入射束分光晶体当前17页，总共31页。17二、波长分散谱仪(一)工作原理

试样探测器入射束分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理当前18页，总共31页。18二、波长分散谱仪(一)工作原理

试样探测器入射束分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理当前19页，总共31页。19一、波长分散谱仪(二)分析方法将分光晶体连续移动，谱仪连续检测接收不同波长的X射线，可获得如图15-6所示的X射线谱图

特征峰的波长与元素的原子序数对应，峰强度对应于该元素的含量图15-6合金钢(0.62Si,1.11Mn,0.96Cr,0.56Ni,0.26V,0.24Cu)定点分析的X射线谱图第一节电子探针仪的结构与工作原理当前20页，总共31页。20一、波长分散谱仪(二)分析方法1)样品分析点的确定利用电子探针配置的专用光学显微镜，

将分析点准确聚焦到聚焦圆的圆周上，此时分析点正好位于显微镜目镜标尺的中心2)分光晶体的选择对于晶面间距一定的分光晶体能检测的X射线波长范围是有限的，所以一台电子探针通常配置3~5道波谱仪，每道谱仪配备2块分光晶体，可以覆盖Be~U所有元素的特征X射线波长范围。分析时根据元素特征X射线的波长，选择合适的分光晶体第一节电子探针仪的结构与工作原理当前21页，总共31页。21一、波长分散谱仪(二)分析方法

表15-1列出了常用分光晶体及其适用的波长范围分光晶体晶面2d/nm适用波长/nmLiFSiO2PETRAPKAPTAP硬脂酸铅(200)(10-11)(002)(001)(10-10)(10-10)—0.402670.668620.8742.61212.66322.5910.080.08~0.380.11~0.630.14~0.830.20~1.830.45~2.540.61~1.831.7~9.4表15-1常用分光晶体数据第一节电子探针仪的结构与工作原理当前22页，总共31页。22二、能量分散谱仪(一)工作原理如图15-7所示，能谱仪采用Si(Li)晶体作为探测器，当能量为E

的X光子进入检测器后，将激发N个电子-空穴对，产生一个电子-空穴对所需的能量为，则X光子能量为E=N

只要检测出电子-空穴对的数目，就可计算出X光子的能量再利用多道脉冲高度分析器分类，绘制出按能量分散的谱图图15-7能谱仪工作原理框图第一节电子探针仪的结构与工作原理当前23页，总共31页。23二、能量分散谱仪(一)工作原理如下图所示为氧化物的X射线能谱图，横坐标是能量，纵坐标是强度(或计数)氧化物的X射线能谱图第一节电子探针仪的结构与工作原理当前24页，总共31页。24二、能量分散谱仪(二)能谱仪成分分析的特点与波谱仪相比，能谱仪具有如下优点1)能谱仪的检测效率高，因为能谱仪探头可安放在样品分析点附近，可有效提高收集立体角2)能谱仪分析速度快，因为能谱仪可同时检测接收不同波长的X射线3)能谱仪稳定性和重复性较好，因为能谱仪无机械传动装置4)能谱仪对样品表面无特殊要求，也可用于粗糙表面的成分分析，因为能谱仪不需样品聚焦第一节电子探针仪的结构与工作原理当前25页，总共31页。25二、能量分散谱仪(二)能谱仪成分分析的特点与波谱仪相比，能谱仪有如下缺点1)能谱仪的能量分辨率低，Si(Li)探测器约为130eV，而波谱仪为5~15eV。能量分辨率低使特征峰变宽，见图15-8，结果导致峰高降低，以及使能量相近的峰重叠2)能谱仪的元素分析范围小，因为能谱仪检测器窗口造成对低能量X射线的吸收。能谱仪的元素分析范围，早期的为Na~U，目前为B以上元素，而波谱仪的分析范围为Be~U3)能谱仪的Si(Li)晶体必须在低温下使用，因此需用液氮冷却第一节电子探针仪的结构与工作原理当前26页，总共31页。26二、能量分散谱仪(二)能谱仪成分分析的特点同一试样利用能谱仪和波谱仪分析，谱图见图15-8图15-8能谱仪和波谱仪X射线谱图的比较第一节电子探针仪的结构与工作原理当前27页，总共31页。27一、定性分析1.点分析将电子束固定入射到选定的样品分析点，波谱仪连续改变分光晶体的位置，连续接收不同波长的X射线，可获得分析点的X射线全谱；或用能谱仪直接采集分析点的X射线全谱根据谱图中特征X射线的波长(或能量)，确定分析点含有的元素种类点分析主要用于物相的元素组成分析，结合定量分析结果，为物相鉴定提供依据点分析示例见图13-9第二节电子探针仪的分析方法及应用当前28页，总共31页。28图13-9元素的点分析ABCDAl33.71Ti5.42Y60.87Al1.33Ti3.26Y93.64Nb1.77Al28.10Ti58.96Nb12.94Al32.45Ti54.21Nb13.34第二节电子探针仪的分析方法及应用一、定性分析1.点分析

当前29页，总共31页。29一、定性分析2.线分析将电子束在样品表面沿选定的直线扫描，谱仪固定接收被测元素的特征X射线，可获得该元素在样品这一直线上的浓度变化曲线主要用于研究各类界处面的元素扩散