theintroductionofEDS教学讲解课件

TheIntroductionofEDSX射线的产生及与物质的相互作用EDS：检测特征X射线能量，称为能量色散谱仪（EnergyDispersiveSpectroscopy，简称能谱仪DES）

注：能谱仪同时检测样品出射的全部X射线。“色散”来源于英文“dispersive”，该词愿意“分开”，物理意义为“分光”或“色散”。根据能谱仪的工作原理，把“dispersive”理解为“展谱”更确切。X射线的产生当高能电子进入样本后，受到样品原子的非弹性散射，将其能量传递给原子而使其中某个内壳层的电子被电离，并脱离该原子，内壳层上出现一个空位，原子处于不稳定的高能激发态。在激发后的瞬间(10-12s内)，原子便恢复到最低能量的基态。在这个过程中，一系列外层电子向空位跃迁，释放出多余的能量，产生特征X射线和俄歇(Auger)电子。概念介绍临界激发能在原子结构中，核外电子分布在不同的壳层。原子核与壳层电子间的结合能是个确定值，所以要将电子从各自壳层激发电离出来的最小能量也是个确定值，这个最小能量称为临界激发能。

注：1)临界激发能随着原子序数的增大而增大；同一元素近壳层比远壳层临界激发能大。

2)对于X射线微区分析，通常要求入射电子束能量要超过被分析元素的2-3倍，使原子被充分激发，以便获得足够的特征X射线。特征X射线假定原子K壳层电子被激发电离出现一个空位，附近L壳层的一个电子跃迁到这个空位，使原子能态降低，这个过程产生Ka辐射；如果M壳层的电子填充K壳层的空位，就会产生Kß辐射。这些X射线辐射以光子形式释放出来，它们的能量等于跃迁过程中相关壳层的临界激发能之差。这种X射线反映不同元素原子内部壳层结构的特征，因此称为特征X射线。电子壳层核外电子分布在K、L、M、N壳层上。但即使在同一壳层上的电子，其结合能都略有差异。特征X射线的命名及谱线系特征X射线的命名一般根据产生特征谱线的的原子原始态和终态来定义。例如：K层出现空位，即K为始态，决定谱线为K系谱线，如果L壳层电子跃迁填补空位，产生的谱线为Ka，即L壳层为终态；若终态为M壳层，则谱线为Kß。

注：1）在能谱分析中，由于谱峰较宽，能量分辨率相对较低，因此能量接近的X射线不能区分开来。例如：CuKa1=8.048Kev，CuKa2=8.028Kev，只能用CuKa表示，其能量为8.04Kev，显示为1条谱峰。

2）随着原子序数增加，原子壳层越复杂，被激发产生的特征X射线有K系向L和M系过渡。谱线权重虽然不同的外壳层电子都可能跃迁填充内壳层出现的空穴，从而产生不同能量的特征X射线，但每种跃迁的几率不同，故用“权重”表示形成某线系内每条谱线的相对几率，简称“线权”。

注：电子跃迁遵循“近者优先”规律。连续X射线当入射电子在样品原子形成的库伦电场的作用下减速，其减少的能量以X射线的形式发射出来。由于电子受库伦电场的作用是随机的，所以这类X射线的能量从零延伸到入射电子能量，故称连续X射线辐射。其能量与样本信息无关，构成能谱的背底。能谱仪结构--Si(Li)探测器能谱仪结构

X射线能谱仪主要由：探测器、前置放大器、脉冲处理器、显示系统和计算机构成能谱仪工作流程从样品出射的X射线进入探测器，转变成电脉冲，经过前置和主放大器放大，由脉冲处理器分类和累计计数，通过显示器展现X射线能谱图，利用计算机配备的专用软件对能谱进行定性和定量分析。EDS工作原理—Si(Li)探测器Si(Li)探测器EDS按：探测器、前置放大器、脉冲处理器3部分阐述EDS工作原理Si(Li)探测器

锂漂移硅探测器(Lithium-driftedsilicondetector，简称Si(Li)探测器)，或称硅锂探测器，是能谱仪的关键部件。由超薄窗口、锂漂移硅晶体、场效应管、液氮罐构成。Si(Li)晶体

Si(Li)为Li离子通过Si晶格与全部杂质B结合形成中性化合物(Si的高纯度本征区)：X射线能量耗散区，在此将X射线光子电离Si的K层，使X射线能量全部吸收，转化为电子-空穴对。转化为电子-空穴对平均能量：ε=3.8ev。这样，能量为E的X射线产生的电子-空穴对n=E/ε。电子-空穴对寿命极短，在晶体两端的镀金电极作用下迅速拉开到晶体两端，收集到的总电荷量：

Q=n*e=e*E/ε。例如：探测器收集到1个FeKa光子，能量为6.4ev，产生1684个电子-空穴对，相当于2.7*10-16C电荷，送入前置放大器。前置放大器与主放大器作用：输入电荷通过电容C形成电压：V=Q/C，进一步形成电脉冲并放大。保证输出电压脉冲幅度与电子-空穴对的数目成正比，即输出脉冲的幅度正比于入射X射线的能量值。为了获得高信噪比，一般选用低噪声场效应管(FET)作为前级，紧靠晶体防止。前置放大器将形成的脉冲信号输入脉冲处理器。Si(Li)晶体与场效应管保持低温方法：通过热导率极高的金属，放置于液氮中；原因：1.防止锂离子反向漂移或沉积；

2.保持场效应管的低噪音(热扰动)脉冲处理器脉冲处理器把电压脉冲经数模转化为脉冲计数后送入计算机内存。通常选用1024个通道储存脉冲计数，每个通道用道址编号，道址按X射线能量值从小到大编排，通常每道选定20kev，则可覆盖0-20kev的能量范围。不同能量的脉冲计数按自身的能量值分别存在相应的通道中。每收集1个X射线光子，它的特征能量对应的脉冲计数将在相应的通道中“+1”操作，即在该通道中累计1个计数，使样品各元素产生的特征X射线按其能量值展开。

该过程在设定的菜谱时间结束，把脉冲存储器的内容用显示器展现出来，就是样品元素成分的能谱图。横坐标为X射线能量，纵坐标为X射线计数，即强度值，与元素含量有关。EDS关键参数计数率(Acquisitionrate)

表示系统每秒可处理的X射线光子数，单位cps(countspersecond)。通常是指脉冲处理器的输出计数率。为了进行定量和定性分析，必须采集数万个计数，如果计数率太低，就需要较长的采谱时间。如果计数率太高，会出现“和峰”(sunpeak)：当进入探测器的光子太多时，增加了两个或几个光子同时到达的几率，处理器无法区分它们，就计入在几个光子能量之和的通道，形成和峰，出现在主峰右侧，其能量为主峰的数倍，这是一种假象，样品中并不存在与这个和峰能量对应的元素，定性分析时要把它去除。推荐Si(Li)探测器的计数率约2000cps。可以改变电镜束流、选用不同束斑尺寸、或者调解探测器与样品之间的距离来控制计数率在这个范围之内采谱时间(Acquisitiontime)为了定量分析，从统计意义考虑，必须采集足够的计数。总计数=计数率*采谱时间。微量成分在1%，总计数超过20W个是必要的。采谱时间长，可改善峰背比，微量元素的谱峰也可显现EDS采谱关键参数死时间与活时间(DeadtimeandLivetime)

通常探测器接受大量X射线光子，但系统脉冲处理器在某一时间区段内只能处理一个先期到达的计数脉冲，通道处于关闭状态，拒绝下一个的计数脉冲进入，并将其排斥掉，反而造成计数率下降。

这个占用时间称为“死时间”，简称DT

与DT对应，系统存在“活时间”，简称LT：系统等待接受和处理信号的时间区段。采谱设定的时间通常为LT。例如：设计LT=100s，计数率=2000cps，谱仪显示DT=15%，谱仪将自动进行DT校正，在LT上延长15%的采集时间，把损失的脉冲计数补偿回来。所以采谱的真实时间=LT+DT，一般DT<20%处理时间(Processtime)

系统的脉冲处理时间也称为时间常数。时间常数越短，意味计数脉冲处理过程越快，允许更多的X射线光子进入处理器，输出计数率上升，DT变短，但谱峰变宽，即谱峰分辨率下降。EDS展望：硅漂移探测器Si(Li)探测器不足

锂漂移硅探测器Si(Li)自问世以来，多年来成为能谱仪的基本配置。但存在以下不足：Si(Li)探测器的X射线能量耗散区，也称本征区，是在制备过程中形成的，为此Si晶体必须长期保存在液氮低温下才能正常工作，给使用造成不便；节间电容大，探测器死时间长，限制了探测器计数率的提高。硅漂移探测器发展

硅漂移探测器(Silicondriftdetector，简称SDD)，它是上世纪八十年代后期产生的技术，经历了近20年的技术改进，2006年商品化的第4代SDD探测器技术趋于完善，在SEM-EDS领域也已经成为各大X射线能谱仪厂商大力推介的探测器。硅漂移探测器优势高的可操作计数率(>100,000cps)；接近室温的操作温度(~-20摄氏度)；无需液氮冷却；快速冷却(电制冷)；接近能谱理论分辨率；轻元素可探测到Be(4)；没有颤噪效应(液氮制冷，水凝结的冰晶在杜瓦瓶中的振动)耐光子辐射

SDD晶体结构

SDD探测器核心是高纯n型Si，在Si片顶面中心区制备有前级放大器的场效应管(FET)，外部围绕环形阳极，由于阳极尺寸小，也称点状阳极。在阳极周围可由许多p型材料组成的同心浅环，构成漂移电极。在Si片的底面，即X射线的入射面制备了大面积的均匀pn结。SDD工作原理

SDD工作时，顶面和底面加上反向电压，对电子形成一个偏置势垒；在漂移电极上从内环向外环同时施加一个电位差。两者结合形成横向梯度电场。当X射线入射到晶体内形成电子-空穴对后，梯度电场迫使信号电子向阳极漂移，在阳极形成电荷信号，直接馈送到FET，实现电荷脉冲的首次放大，并输出电压脉冲信号，送入后续放大器处理，完成X射线的采集。空穴则漂向底面或p型材料环消失。SDD较Si(Li)探测器优越原因高计数率

SDD的场效应管直接做在阳极中央，节间电容小，噪音和漏电率低，入射Si片的X射线完全释放能量只需150ns，而Si(Li)探测器需要6us。因此SDD探测器具有非常低的DT，可以在很高的cps下工作，而且分辨率不下降。快速微区分析

SDD探测器每秒钟可以采集和处理数万个X射线计数，配置高效优质脉冲处理器，大大提高了元素面分布的采集速度和明显改善其图像质量。能谱仪配SDD探测器可以对材料进行快速X射线微区分析。接近室温工作

SDD硅片没有Li离子，不会出现Li离子在室温下反向漂移致使X射线能量耗散区被破坏的情况。因此SDD探测器在室温下可以正常工作，不需要液氮或其他相关的制冷设备。为了提高峰背比，SDD探测器利用半导体制冷技术，使其在-35～-25℃，效果更好，开机后30s就可以进行定量分析。半导体制冷技术(半导体制冷器)结构：由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，看起来像三明治。工作过程：通上电源之後，冷端的热量被移到热端，导