关于电子探针x射线显微分析

电

子

探

针x

射

线

显

微

分

析

Electron

Probe

Microanalysis

4.

电

子

探

针x射

线

显

微

分

析电子探针仪

(EPMA)

是

一

种微区成分分析

仪器

。■采

用

被聚

焦

成

小

于1

um的高速电子束轰

击样品表

面，

利用电子束与

样品相互

作

用激发出

的特

征x射线，测量其

λ和

I,确定

微区的定

性、定

量的

化

学

成

分

。SEM-EPMA组

合型仪器，具有扫描放大成

像和微区成分分析两方面功能。λ与样品材料

的Z

有

关

，测出

λ,

即

可确定相应元素

的Z。具有足够能

量的细电子束轰

击

试

样

表

面

,

激发

特

征x

射

线

，

其波长为：4.1工

作

原

理某种元素

的特征x

射线强度与该元

素在

样

品中

的浓度成比例

，

测

出x射线I,就

可

计算

出该元

素

的相

对

含

量。工

作

原

理主要

有柱

体

(

镜

筒

)

、x

射

线谱仪

、

纪录显

示系

统

。镜筒包括电子光学系统、样品室、OM

等。EPMA与

TE

M大体相似，增加了检测特征x

射线

λ和I

的x射线谱仪

—

—波

谱

仪、能

谱

仪

。4

.

2

构

造X-Y记

录

仪荧光

屏打

印机信号探测器样

品oQ放前

置

放大器信

号

探

测

器多

道

分

析

器大

器WDSEDSX-ray

谱仪(

1

)

波

长

分

散

谱

仪

WDSWavelength

DispersiveSpectrometer通过衍射分光原理，

测

量x

射线的

λ分布

及I。■

已知d的

晶

体

(分

光

晶体),

反

射

不

同

的

x射线

，在特定位置

检

测

。由布拉格

定

律，从试样中发出的特征X射线

，

经一定晶面间距的晶体分光，

波

长

不

同

的特征X

射线将有不同的衍射角。■连

续

改

变

0

,在与X

射线入射方向呈20

的位置上测到不同波长的特征X

射线信号

。■由莫塞莱定律可确定被测物质所

含

元素

。工

作

原

理专

门用来对x

射

线

起

色

散

(

分

光

)

作

用

的

晶体，

具有

良好

的衍射性能、强

的反射能力和好的分辨率。晶体展谱

遵

循

布

拉

格

方

程，对于不

同

λ的x

射线，

需要选用与其波长相当的分光

晶体

。为

了提高接

收X射线强度，分光晶体通常

使用弯曲

晶体

。分光晶体弯

曲

分

光

晶

体

两

种

聚

焦

方

式

约翰型聚焦法：

晶体曲率半径是聚焦圆半径的两倍■约翰逊型聚焦法：

晶体曲率半径和聚焦圆半径相等两种聚焦方法(a)

约翰型聚焦法

(b)

约翰逊型聚焦法(b)(a)约翰型：

当

某

一

波

长

的X射

线

自

点

光

源S外发出时

，

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点附近聚焦

。■

因A

、B

、C三点的衍射线并不恰在一点，

是一

种

近

似的聚焦

方

式

。约翰逊型

：

A

、B

、C三

点

的衍射束正好

聚

焦

在D点

，

叫做完全

聚

焦

法两种聚焦方式波

长

色

散

谱Afnm分

析

速

度慢单个元素测量，

做全分析时间较长。■分

辨

率高

：

10eV谱仪分辨率是指分开、识别相邻两个谱峰的能力。

测量精度高，

多用于超轻元素Z<9测量。■

峰

背

比

大背底扣除容易，

数据处理简单。■分析

元

素

范围：

4

Be-92U■

样品

表面

要

求

平

整、

光

滑

。WDS

特点：(

2

)

能

量

色

散

谱

仪

EDSEnergy

DispersiveSpectrometer利

用固态检测器

(

锂

漂

移

硅

)

测

量

每

个x射线光

子的能

量，

并

按E

大小

展

谱

。■得到以能

量

为

横

坐

标、强

度

为

纵

坐

标的x射线能

量

色

散

谱，

显示

于

荧

光

屏

上

。锂漂移硅半导体探测器，

习惯记Si(Li)探测器。X射线光子进入

Si

晶体内

，产生电子

-空穴对，

在100

K左右温度时，

每产生一个电子-空穴对消耗的平均能量为3.8eV。

能量为E的X射线光

子所激发的电子-空穴对数N为N=E/ε入射X射线光子E不同，

激发的N

不同，探测器

输

出

电

压

脉

冲

高

度

由N决

定

。工

作

原

理Spectrum1

KLMLabel

StrontiumTitanateVFS:40(

antime

SCursor:

3.781

keV,

86

cts.4000Spectral

DisplayFile

View

Acquire

Display

Process

Analyze

Tools

SchedulesCu0.000

keVDeadtime:SeC

PHADeadtime:10%log

H

八

i2

排□ounts11.800山NaC1

的

扫

描

形

貌

像

及

其

能

量

色

散

谱Energy(keV)■

分

析

速

度快■

分辨

率

较低：

150eV■峰背比小谱峰宽、

易重叠，

背底扣除困难，

数据处理复杂■分析元素范围：11

Na-92U■进行

低

倍扫

描

成

像，

大视

域的元素

分

布图

。■对

样品污染作用小■适于

粗

糙

表

面

成

分

分

析不受聚焦圆的限制，样品的位置可起伏2

—

3mm■

工

作

条

件

：探测器须在液氮温度下使用，维护费用高。EDS

特点：WDS与

EDS比

较WDS分析元素范围广、分辨率高、适于精确的定量分析，

对样品表面要求高、分析

速度慢，

易引起样品和镜筒的污染

。EDS在分析元素

范围、分

辨

率

方

面略

逊

，分析速

度

快、对

样品表

面

要

求

不

高、可

用较小的束流和细

微电子束，

适

于

与SEM

配

合

使用

。强度(计数率波长λ/nm强度(计数率能

量

E/keV波

谱

仪NTENSITY(counts)→A

VI

EI

_ENGTHY

(ke'

V)(

三

)ENERGW波谱

仪的晶体分

光

特点，对

波

长

为

λ的X

射线不仅可以在探

测到n=1

的

一

级X

射

线

,

同时可在

其

它

0

角

处

探

测

到n

为不同值的

高

级

衍

射

线

。波谱定

性

分

析

不

如能

谱

定

性

分

析

那

么

简

单、直观，

就要求

对波

谱

进

行

更

合

乎

逻

辑的分析，

以

免

造

成

错

误

。SKa(n=1)存

在

于

0

.

5

3

7

2nm处

，CoKa(n=

1

)

在

0

.

1

7

8

9nm处

，CoKa(n=3)的三级衍射在3×0

.

1789nm=0.5367nm

处

，

故SKα的一

级线

和CoKa的三级线非

常

近

无

法区分

。GKα

和

CoKα具有不同的能

量

使探

测

界

输I出不同电压脉冲幅度。CoKα是SKa

的3倍

，根

据SKa电压脉冲信号

设

置窗口电压，通过

脉冲高度分析器排除CoKα

的脉冲，从

而

使谱

中

0

.

5

3

7

2

nm处仅存

在SKα

线

。例

：比较项

目WDSEDS元

素

分

析

范围4Be～9₂U11Na～g₂U/₄Be～9₂U元

素

分

析

方

法能

量

辨

率

/

e

V

灵敏度检测效率定

量

分

析

精

度仪

器

特

殊

性分

光晶

体

逐

个

元

素

分

析高

(3/

5

～

10

)低低，随

波

长

而

变

化好多

个

分

光晶

体固

态

检

测

器

元

素同时

检

测低

(

160/135)高高，

一

定

条

件

下

是

常

数差探

头

液

氮

冷

却EMPA对样品尺寸大小、导电性、预处理的要求与TEM相同，

除此之外，

应注意：①

定量分析的样品，表面必须抛光以保证平整、

光滑

。②

光学观察进行侵蚀的样品，应控制侵蚀程度。③

样品表面清洁，

防止污染。

(机械抛光、

化学

试剂、表面氧化膜和碳化产物、残存的污染)4

.

3

样

品

制

备定性分析：记

录

样品

发

射的

特

征x射

线

λ

。对比单元素特征谱线波长，

确定样品中的元素。■

定

量分

析

：记录样品发射的特征x射线λ和I。每种元素选择一

根谱线与已知成分纯元素标

样的

同根谱线进行比较，

确定元素含量。4.4分

析

方

法(

1)

定点元

素全

分

析

(

定

性

或

定量)■电子束

固定在分析

的某

一

点

(微

区),改变晶体的衍射角，记录该点不同元素的x

射线λ和I。■谱线强

度峰的位

置

波

长→

微区

含

有元

素元素某一谱线的强度→元素

的含量基本工作方式

：微

区

成

分

分

析200

nmλ/nm合金钢(0.

62Si,1.11Mn,0.96Cr,0.56Ni,0.26V,0.24Cu)定点分析的谱线图(2)

线

扫

描分

析聚

焦电

子

束

在

试

样

沿一

直

线

慢

扫

描，

同

时检测某一指定特征x射线的瞬时I,

得到特征x射线I沿试样扫描线的分布。

(

元素

的浓

度分

布

)■直

接在

SE

像、

BE

像

上叠加，显示扫描轨

迹

和x

射

线I分布曲线，直观反映元

素

浓

度分布与组织结构之间的关系。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，

可相当精

确

测定扩散系数和激活能。集与

贫

化是十分有效的。■垂直

于

扩

散界

面的方向上

进行

线

扫

描

，■对于测

定

元

素

在

材

料

相

界

和晶界上的富线

扫

描

分

析线

扫

描

分

析(3)

面

扫

描分

析电

子

束

在

试

样

表

面

进行

面

扫

描，

谱仪只

检测

某

一

元

素的特

征x

射

线

位

置，

得到由

许多亮点组成的图像。亮点为元素的所

在处，根据亮点的疏

密

程

度可确定元素

在试样表面

的分

布情

况

。准确显

示

与

基

体

成

分

不同的夹杂物的

形

状

，定性显示元

素偏

析。面

扫

描

分

析亮区代表元素含

量高，

灰区代表元素含量较

低

，

黑色区域代

表

元

素

含

量

很

低

或

不

存

在

。线扫描、面扫描要求样品表面平整，

否则出现

假象

。■线扫描、面

扫

描只作定

性

分

析，

不作定量分析O■定量

分

析是

一

种

半

定

量

分

析

。原因是：

谱线强度与元素含量有关外，

还

与

试

样的化学成分

有

关，通

常

称

为

“

基

体效

应”

,

谱仪对不

同波长

(或

能量

)

X

射

线

探

测

的

效率不

同

。注

意

：Energy(kev)CalciumYttriumNickelcouns■

一

种

无

损的

微区

分

析，特别

是

成

分

及

其

分

布

。■

对

微区、

微

粒、

微

量的

成

分

分

析

具

有

分

析元

素

范围

广、

灵

敏

度

高、

可

定

量

等

优

点，

在各领域

广

泛

应

用。

(冶金、材料

、生

物、

医学、

考古

等

)4

.

5

应

用组分

不

均

匀

合

金

试

样的

微区

成

分

分

析■扩散对试样中成分梯度的测定■

相图

低温

等

温

截

面的

测

定■金

属

/

半导

体

界

面

反

应

产

物应

用

举

例其

它

电

子

显

微

镜主要用于表面原子成象

(

导体)STM的横向分辨率高

达1

Ä

,

纵

向分辨率10

Ä。

它

对

原

子的

检

测

深