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1、电子探子探针显微分析微分析现在学习的是第1页，共66页v电子探针电子探针X X射线显微分析（简称电子探针显微分析）射线显微分析（简称电子探针显微分析）（Electron Probe MicroanalysisElectron Probe Microanalysis，简称，简称EPMAEPMA）是）是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，它特一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，因而是别适用于分析试样中微小区域的化学成分，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。析方法。v电子探针镜筒部分的
2、结构大体上和扫描电子显微镜电子探针镜筒部分的结构大体上和扫描电子显微镜相同，只是在检测器部分使用的是相同，只是在检测器部分使用的是X X射线谱仪，专射线谱仪，专门用来检测门用来检测X X射线的特征波长或特征能量，以此来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。对微区的化学成分进行分析。现在学习的是第2页，共66页11-1 11-1 电子探针显微分析的特点电子探针显微分析的特点 电子探针的应用范围越来越广，特别是材料显微电子探针的应用范围越来越广，特别是材料显微结构工艺性能关系的研究，电子探针起了重结构工艺性能关系的研究，电子探针起了重要作用。电子探针显微分析有以下几个特点：要作
3、用。电子探针显微分析有以下几个特点：1.1.显微结构分析显微结构分析2.2.元素分析范围广元素分析范围广3.3.定量分析准确度高定量分析准确度高4.4.不损坏试样、分析速度快不损坏试样、分析速度快5.5.微区离子迁移研究微区离子迁移研究现在学习的是第3页，共66页一一.显微结构分析显微结构分析电子探针是利用电子探针是利用0.50.5mm1m1m的高能电子束激发所分析的试样，的高能电子束激发所分析的试样，通过电子与试样的相互作用产生的特征通过电子与试样的相互作用产生的特征X X 射线、二次电子、吸收电射线、二次电子、吸收电子、子、背散射电子及阴极荧光等信息来分析试样的微区内背散射电子及阴极荧光等
4、信息来分析试样的微区内(mm范围范围内内)成份、形貌和化学结合状态等特征。成份、形貌和化学结合状态等特征。电子探针成分分析的空间分电子探针成分分析的空间分辨率（微区成分分析所能分析的最小区域）是几个立方辨率（微区成分分析所能分析的最小区域）是几个立方mm范围，范围，微区分析是它的一个重要特点之一微区分析是它的一个重要特点之一,它能将微区化学成份与显它能将微区化学成份与显微结构对应起来，是一种显微结构的分析。微结构对应起来，是一种显微结构的分析。而一般化学分析、而一般化学分析、X X 光荧光分析及光谱分析等，是分析试样较大范围内的平均化学光荧光分析及光谱分析等，是分析试样较大范围内的平均化学组成
5、，也无法与显微结构相对应组成，也无法与显微结构相对应,不能对材料显微结构与材料不能对材料显微结构与材料性能关系进行研究。性能关系进行研究。现在学习的是第4页，共66页二二.元素分析范围广元素分析范围广电子探针所分析的元素范围一般从硼电子探针所分析的元素范围一般从硼(B)B)铀铀()，因为电子探针成份分析是利用元素的特征因为电子探针成份分析是利用元素的特征X X 射射线，而氢和氦原子只有线，而氢和氦原子只有K K 层电子，不能产生特征层电子，不能产生特征X X 射射线，所以无法进行电子探针成分分析。锂线，所以无法进行电子探针成分分析。锂(Li)Li)和铍和铍(Be)Be)虽然能产生虽然能产生X
6、X 射线，但产生的特征射线，但产生的特征X X 射线波长太射线波长太长，通常无法进行检测，长，通常无法进行检测，少数电子探针用大面间距的少数电子探针用大面间距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测皂化膜作为衍射晶体已经可以检测BeBe元素。能谱仪的元素。能谱仪的元素分析范围现在也和波谱相同，分析元素范围从元素分析范围现在也和波谱相同，分析元素范围从硼硼(B)B)铀铀()。现在学习的是第5页，共66页三三.定量分析准确度高定量分析准确度高电子探针是目前微区元素定量分析最准确的仪器。电子探针是目前微区元素定量分析最准确的仪器。电子探针的检测极限电子探针的检测极限(能检测到的元素最低浓度能检测到的元素最低
7、浓度)一般为一般为（0.010.010.050.05）%，不同测量条件和不同元素有不同的不同测量条件和不同元素有不同的检测极限，但由于所分析的体积小，所以检测的绝对感检测极限，但由于所分析的体积小，所以检测的绝对感量极限值约为量极限值约为10-1410-14g g，主元素定量分析的相对误差为主元素定量分析的相对误差为(1(13)%3)%，对原子序数大于对原子序数大于11 11 的元素，含量在的元素，含量在10%10%以上的时，以上的时，其相对误差通常小于其相对误差通常小于2%2%。现在学习的是第6页，共66页四四.不损坏试样、分析速度快不损坏试样、分析速度快v现在电子探针均与计算机联机，可以连
8、续自动进现在电子探针均与计算机联机，可以连续自动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数据分行多种方法分析，并自动进行数据处理和数据分析，对含析，对含1010个元素以下的试样定性、定量分析，个元素以下的试样定性、定量分析，新型电子探针在新型电子探针在30min30min左右可以完成，如果用左右可以完成，如果用EDS EDS 进行定性、定量分析，几分种即可完成。对表面进行定性、定量分析，几分种即可完成。对表面不平的大试样进行元素面分析时，还可以自动聚不平的大试样进行元素面分析时，还可以自动聚焦分析。焦分析。v电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样分析电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样分析后，
9、可以完好保存或继续进行其它方面的分析测后，可以完好保存或继续进行其它方面的分析测试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证据等试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证据等的稀有试样分析尤为重要。的稀有试样分析尤为重要。现在学习的是第7页，共66页五五.微区离子迁移研究微区离子迁移研究v多年来，还用电子探针的入射电子束注入试样来多年来，还用电子探针的入射电子束注入试样来诱发离子迁移，研究了固体中微区离子迁移动力诱发离子迁移，研究了固体中微区离子迁移动力学、离子迁移机理、离子迁移种类、离子迁移的学、离子迁移机理、离子迁移种类、离子迁移的非均匀性及固体电解质离子迁移损坏过程等，已非均匀性及固体电解质离子迁
10、移损坏过程等，已经取得了许多新的结果。经取得了许多新的结果。现在学习的是第8页，共66页11-2 11-2 电子探针仪的构造和工作原理电子探针仪的构造和工作原理电子探针仪的构造和扫描电镜相似电子探针仪的构造和扫描电镜相似现在学习的是第9页，共66页一、电子探针的仪器构造一、电子探针的仪器构造电子探针的主要组成部份为电子探针的主要组成部份为:1.1.电子光学系统电子光学系统 2.X2.X射线谱仪系统射线谱仪系统 3.3.试样室试样室 4.4.电子计算机电子计算机 5.5.扫描显示系统扫描显示系统 6.6.真空系统等真空系统等现在学习的是第10页，共66页1.1.电子光学系统电子光学系统v电子光学
11、系统包括电子枪、电磁透镜、消像散器和扫描线圈等。其功能电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、消像散器和扫描线圈等。其功能是产生一定能量的电子束、足够大的电子束流、尽可能小的电子束直是产生一定能量的电子束、足够大的电子束流、尽可能小的电子束直径，产生一个稳定的径，产生一个稳定的X X 射线激发源。射线激发源。（a a）电子枪）电子枪v电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。它的主要作用是电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。它的主要作用是产生具有一定能量的细聚焦电子束产生具有一定能量的细聚焦电子束(探针探针)。从加热的钨灯丝发。从加热的钨灯丝发射电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一个射电子，由栅极
12、聚焦和阳极加速后，形成一个10m10m100m100m交交叉点（叉点（Crossover)Crossover)，再经过二级会聚透镜和物镜的聚焦作用，在试，再经过二级会聚透镜和物镜的聚焦作用，在试样表面形成一个小于样表面形成一个小于1m 1m 的电子探针。电子束直径和束流随电的电子探针。电子束直径和束流随电子枪的加速电压而改变，子枪的加速电压而改变，加速电压可变范围一般为加速电压可变范围一般为1kV1kV30kV30kV。现在学习的是第11页，共66页（b）电磁透镜 电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠近电子枪的透镜称会聚透镜，电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠近电子枪的透镜称会聚透镜，会聚透镜一般分两级，是
13、把电子枪形成的会聚透镜一般分两级，是把电子枪形成的10m10m100m 100m 的交的交叉点缩小叉点缩小1 1100 100 倍后，进入试样上方的物镜，物镜可将电子倍后，进入试样上方的物镜，物镜可将电子束再缩小并聚焦到试样上。为了挡掉大散射角的杂散电子，束再缩小并聚焦到试样上。为了挡掉大散射角的杂散电子，使入射到试样的电子束直径尽可能小，会聚透镜和物镜下方使入射到试样的电子束直径尽可能小，会聚透镜和物镜下方都有光阑。都有光阑。现在学习的是第12页，共66页二、二、X X 射线谱仪射线谱仪常用的常用的X X射线谱仪有两种：射线谱仪有两种：v一种是利用特征一种是利用特征X X射线的波长不同来展谱
14、，实现对射线的波长不同来展谱，实现对不同波长不同波长X X射线分别检测的波长色散谱仪，简称射线分别检测的波长色散谱仪，简称波波谱仪谱仪（Wavelength Dispersive SpectrometerWavelength Dispersive Spectrometer，简称简称WDSWDS）v另一种是利用特征另一种是利用特征X X射线能量不同来展谱的能量色射线能量不同来展谱的能量色散谱仪，简称散谱仪，简称能谱仪能谱仪（Energy Dispersive Energy Dispersive SpectrometerSpectrometer，简称，简称EDSEDS）。）。现在学习的是第13页，
15、共66页1 1、波谱仪、波谱仪（WDSWDS）的结构和工作原理的结构和工作原理vX X射线波谱仪的谱仪系统射线波谱仪的谱仪系统也即也即X X射线的分光和探测系统是由分射线的分光和探测系统是由分光晶体、光晶体、X X射线探测器和相应的机械传动装置构成射线探测器和相应的机械传动装置构成.现在学习的是第14页，共66页分光和探测原理vX X射线的分光和探测原理射线的分光和探测原理:特征特征X X 射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同元素就对应不同射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同元素就对应不同的特征的特征X X 射线波长，如果不同射线波长，如果不同X X 射线入射到晶体上，就会产生衍射，射线入
16、射到晶体上，就会产生衍射，根据根据BraggBragg公式：公式：可以选用已知面间距可以选用已知面间距d d的合适晶体分光，只要测出不同特征射线所产生的合适晶体分光，只要测出不同特征射线所产生的衍射角的衍射角22，就可以求出其波长，就可以求出其波长，再根据公式就可以知道所分析的，再根据公式就可以知道所分析的元素种类，特征元素种类，特征X X 射线的强度是从波谱仪的探测器射线的强度是从波谱仪的探测器(正比计数管正比计数管)测测得。根据以上原理制成的谱仪称为波长色散谱仪得。根据以上原理制成的谱仪称为波长色散谱仪(WDS)(WDS)。v如果我们把分光晶体作适当地弹性弯曲，并使射线源、弯曲晶体如果我们
17、把分光晶体作适当地弹性弯曲，并使射线源、弯曲晶体表面和检测器窗口位于同一个圆周上，这样就可以达到把衍射束表面和检测器窗口位于同一个圆周上，这样就可以达到把衍射束聚焦的目的。聚焦的目的。现在学习的是第15页，共66页聚焦圆聚焦圆v下图是两种下图是两种X X射线聚焦的方法。第一种方法称为约翰射线聚焦的方法。第一种方法称为约翰(Johann)(Johann)型聚焦型聚焦法（图法（图a a），虚线圆称为罗兰圆（），虚线圆称为罗兰圆（Rowland circleRowland circle）或聚焦圆，是一种）或聚焦圆，是一种近似的聚焦方式近似的聚焦方式。另一种改进的聚焦方式叫做约翰逊另一种改进的聚焦方式
18、叫做约翰逊(Johansson)(Johansson)型聚型聚焦法，也叫做完全聚焦法（图焦法，也叫做完全聚焦法（图b b）。）。现在学习的是第16页，共66页回转式波谱仪和直进式波谱仪回转式波谱仪和直进式波谱仪v在电子探针中，一般点光源在电子探针中，一般点光源S S不动，改变晶体和探测器的位置，达到分析不动，改变晶体和探测器的位置，达到分析检测的目的。根据晶体及探测器运动方式，可将谱仪分为回转式波谱仪和检测的目的。根据晶体及探测器运动方式，可将谱仪分为回转式波谱仪和直进式波谱仪等。直进式波谱仪等。现在学习的是第17页，共66页回转式波谱仪回转式波谱仪v聚焦圆的中心聚焦圆的中心O O固定，分光晶
19、体和检测器在圆周上以固定，分光晶体和检测器在圆周上以1 1：2 2的角速度运动的角速度运动来满足布拉格衍射条件。来满足布拉格衍射条件。v这种谱仪结构简单，但由于分光晶体转动而使这种谱仪结构简单，但由于分光晶体转动而使X X射线出射方向变化很大，射线出射方向变化很大，在样品表面不平度较大的情况下，由于在样品表面不平度较大的情况下，由于X X射线在样品内行进的路线不射线在样品内行进的路线不同，往往会造成分析上的误差。同，往往会造成分析上的误差。现在学习的是第18页，共66页X X射线出射方向变化射线出射方向变化现在学习的是第19页，共66页直进式谱仪v直进式谱仪如图直进式谱仪如图(b)(b)所示，
20、这种谱仪的特点是分光晶体从点光源所示，这种谱仪的特点是分光晶体从点光源S S向外沿着一直线运动，向外沿着一直线运动，X X射线出射角不变，晶体通过自转改射线出射角不变，晶体通过自转改变变 角。聚焦圆的中心角。聚焦圆的中心O O在以在以S S为中心，为中心，R R为半径的圆周上运动。为半径的圆周上运动。v这种谱仪结构复杂，但这种谱仪结构复杂，但X X射线照射晶体的方向固定，使射线照射晶体的方向固定，使X X射线穿出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。样品表面过程中所走的路线相同，也就是吸收条件相同。现在学习的是第20页，共66页分光晶体分光晶体v分光晶体是专门用来对分光晶体
21、是专门用来对X X射线起色散（分光）作用的晶体，它应射线起色散（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。在具有良好的衍射性能、强的反射能力和好的分辨率。在X X射线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。不发生变化等。v各种晶体能色散的各种晶体能色散的X X射线波长范围，取决于衍射晶面间距射线波长范围，取决于衍射晶面间距d d和布和布拉格角拉格角 的可变范围，对波长大于的可变范围，对波长大于2d2d的的X X射线则不能进行色散。射线则不能进行色散。现在学习的是第21页，共66页分光
22、晶体分光晶体v谱仪的谱仪的 角有一定变动范围，如角有一定变动范围，如15-6515-65；每一种晶体的衍射晶；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面是固定的，因此它只能色散一段波长范围的X X射线和适用于射线和适用于一定原子序数范围的元素分析。一定原子序数范围的元素分析。v目前，电子探针仪能分析的元素范围是原子序数为目前，电子探针仪能分析的元素范围是原子序数为4 4的铍（的铍（BeBe）到原）到原子序数为子序数为9292的铀（的铀（U U）。其中小于氟（）。其中小于氟（F F）的元素称为轻元素，它们）的元素称为轻元素，它们的的X X射线波长范围大约在射线波长范围大约在18
23、-113 18-113。现在学习的是第22页，共66页v表列出了波谱仪常用分光晶体的基本参数和可检测范围。表列出了波谱仪常用分光晶体的基本参数和可检测范围。表中表中STEPb(C18H35O2)2为硬脂酸铅，为硬脂酸铅，TAP(C8H5O4TI)为为邻苯二甲酸氢铊，邻苯二甲酸氢铊，PET(C5H12O4)为异戊四醇，为异戊四醇，LiF为氟化锂为氟化锂晶体。晶体。现在学习的是第23页，共66页X X射线探测器射线探测器v作为作为X X射线的探测器，要求有高的探测灵敏度，与波长的正比性好射线的探测器，要求有高的探测灵敏度，与波长的正比性好和响应时间短。和响应时间短。v波谱仪使用的波谱仪使用的X X
24、射线探测器有流气正比记数管、充气正比记数管和闪射线探测器有流气正比记数管、充气正比记数管和闪烁计数管等。烁计数管等。v探测器每接受一个探测器每接受一个X X光子输出一个电脉冲信号。光子输出一个电脉冲信号。v有关有关X X射线探测器的结构及工作原理可参看射线探测器的结构及工作原理可参看“多晶体多晶体X X射线衍射射线衍射分析方法分析方法”一章，此处不再重复。一章，此处不再重复。现在学习的是第24页，共66页X X射线记数和记录系统射线记数和记录系统vX X射线探测器（例如正比计数管）输出的电脉冲信号经前置放大射线探测器（例如正比计数管）输出的电脉冲信号经前置放大器和主放大器放大后进入脉冲高度分析
25、器进行脉冲高度甄别。器和主放大器放大后进入脉冲高度分析器进行脉冲高度甄别。由脉冲高度分析器输出的标准形式的脉冲信号，需要转换成由脉冲高度分析器输出的标准形式的脉冲信号，需要转换成X X射线的强度并加以显示，可用多种显示方式。射线的强度并加以显示，可用多种显示方式。v脉冲信号输入计数计，提供在仪表上显示计数率脉冲信号输入计数计，提供在仪表上显示计数率(cps)(cps)读数，或读数，或供记录绘出计数率随波长变化（波谱）用的输出电压；此电压还供记录绘出计数率随波长变化（波谱）用的输出电压；此电压还可用来调制显像管，绘出电子束在试样上作线扫描时的可用来调制显像管，绘出电子束在试样上作线扫描时的X X
26、射线强射线强度（元素浓度）分布曲线。度（元素浓度）分布曲线。现在学习的是第25页，共66页波长色散谱波长色散谱 现在学习的是第26页，共66页2 2、能谱仪、能谱仪（EDSEDS）的结构和工作原理的结构和工作原理v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，理单元、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。它实际上是一套复杂的电子仪器。现在学习的是第27页，共66页锂漂移硅锂漂移硅Si(Li)Si(Li)探测器探
27、测器v能谱仪使用的是锂漂移硅能谱仪使用的是锂漂移硅Si(Li)Si(Li)探测器，其结构如后图所示。探测器，其结构如后图所示。vSi(Li)Si(Li)是厚度为是厚度为3-5 mm3-5 mm、直径为、直径为3-10mm3-10mm的薄片，它是的薄片，它是p p型型SiSi在严格在严格的工艺条件下漂移进的工艺条件下漂移进LiLi制成的。制成的。vSi(Li)Si(Li)可分为三层，中间是活性区可分为三层，中间是活性区(1(1区区)，由于，由于LiLi对对p p型半导体起了补型半导体起了补偿作用，是本征型半导体。偿作用，是本征型半导体。I I区的前面是一层区的前面是一层0.1 0.1 m m的的
28、p p型半导体型半导体(Si(Si失效层失效层)，在其外面镀有，在其外面镀有20 nm20 nm的金膜。的金膜。I I区后面是一层区后面是一层n n型型SiSi导体。导体。vSi(Li)Si(Li)探测器实际上是一个探测器实际上是一个p-I-np-I-n型二级管，镀金的型二级管，镀金的p p型型SiSi接高压接高压负端，负端，n n型型SiSi接高压正端并和前置放大器的场效应管相连接。接高压正端并和前置放大器的场效应管相连接。现在学习的是第28页，共66页锂漂移硅锂漂移硅Si(Li)Si(Li)探测器探测器现在学习的是第29页，共66页锂漂移硅锂漂移硅Si(Li)Si(Li)探测器探测器vSi
29、(Li)Si(Li)探测器处于真空系统内，其前方有一个探测器处于真空系统内，其前方有一个7-8 7-8 m m的铍窗，整的铍窗，整个探头装在与存有液氮的杜瓦瓶相连的冷指内。个探头装在与存有液氮的杜瓦瓶相连的冷指内。v漂移进去的漂移进去的LiLi原子在室温很容易扩散，因此探头必须一直保持原子在室温很容易扩散，因此探头必须一直保持在液氟温度下。在液氟温度下。vBeBe窗口使探头密封在低温真空环境之中，它还可以阻挡背散窗口使探头密封在低温真空环境之中，它还可以阻挡背散射电子以免探头受到损伤。射电子以免探头受到损伤。v低温环境还可降低前置放大器的噪声，有利于提高探测器的峰低温环境还可降低前置放大器的噪
30、声，有利于提高探测器的峰-背背底比底比现在学习的是第30页，共66页能谱仪的结构能谱仪的结构现在学习的是第31页，共66页能谱仪的工作原理能谱仪的工作原理v由试样出射的具有各种能量的由试样出射的具有各种能量的X X光子相继经光子相继经BeBe窗射入窗射入Si(Li)Si(Li)内，在内，在I I区产生电子区产生电子-空穴对。每产生一对电子空穴对。每产生一对电子-空穴对，要消耗掉空穴对，要消耗掉X X光子光子3.8 eV3.8 eV的能量。因此每一个能量为的能量。因此每一个能量为E E的入射光子产生的电子的入射光子产生的电子-空穴空穴对数目对数目N NE/3.8E/3.8。v加在加在Si(Li)
31、Si(Li)上的偏压将电子上的偏压将电子-空穴对收集起来，每入射一个空穴对收集起来，每入射一个X X光光子，探测器输出子，探测器输出个微小的电荷脉冲，其高度正比于入射的个微小的电荷脉冲，其高度正比于入射的X X光光子能量子能量E E。现在学习的是第32页，共66页能谱仪的工作原理能谱仪的工作原理v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。脉冲形式进入多道分析器。v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。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。与与X X光子能量成正比
32、的时钟脉冲数按大小分别进入不同存储单元。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。v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，因此通道地址和址和X X光子能量成正比，而通道的计数为光子能量成正比，而通道的计数为X X光子数。光子数。v最终得到以通道（能量）为横坐标、通道计数（强度）为纵最终得到以通道（能量）为横坐标、通道计数（强度）为纵坐标的坐标的X X射线能量色散谱，并显示于显像管荧光屏上。下图射线能量色散谱，并显示于显像管荧光屏上。下图为为NaClNaCl的扫描形貌像及其能量色散谱。的扫描形貌像及其能量色散谱。现在学习的是
33、第33页，共66页 现在学习的是第34页，共66页波谱仪和能谱仪的比较波谱仪和能谱仪的比较比较内容比较内容WDSWDSEDSEDS分析方式分析方式 用几块分光晶体用几块分光晶体顺序进行分析顺序进行分析 用用Si(Li)EDSSi(Li)EDS进行多元素同时分析进行多元素同时分析元素分析范围元素分析范围4Be92U4Be92U定量分析速度定量分析速度慢慢快快分辨率分辨率高（高（5eV）低（低（130 eV）检测极限检测极限10-2(%)10-1(%)定量分析准确度定量分析准确度高高低低X X射线收集效率射线收集效率低低高高峰背比（峰背比（WDS/EDSWDS/EDS）101现在学习的是第35页，
34、共66页波谱仪和能谱仪的比较波谱仪和能谱仪的比较v综上所述，波谱仪分析的元素范围广、探测极限小、分辨率高，综上所述，波谱仪分析的元素范围广、探测极限小、分辨率高，适用于精确的定量分析。其缺点是要求试样表面平整光滑，分析适用于精确的定量分析。其缺点是要求试样表面平整光滑，分析速度较慢，需要用较大的束流，从而容易引起样品和镜筒的污染。速度较慢，需要用较大的束流，从而容易引起样品和镜筒的污染。v能谱仪虽然在分析元素范围、探测极限、分辨率、谱峰重叠严重，能谱仪虽然在分析元素范围、探测极限、分辨率、谱峰重叠严重，定量分析结果一般不如波谱等方面不如波谱仪，但其分析速度快定量分析结果一般不如波谱等方面不如波
35、谱仪，但其分析速度快（元素分析时能谱是同时测量所有元素），可用较小的束流和微（元素分析时能谱是同时测量所有元素），可用较小的束流和微细的电子束，对试样表面要求不如波谱仪那样严格，因此特别适细的电子束，对试样表面要求不如波谱仪那样严格，因此特别适合于与扫描电子显微镜配合使用。合于与扫描电子显微镜配合使用。v目前扫描电镜与电子探针仪可同时配用能谱仪和波谱仪，构成扫描电目前扫描电镜与电子探针仪可同时配用能谱仪和波谱仪，构成扫描电镜镜-波谱仪波谱仪-能谱仪系统，使两种谱仪优势互补，是非常有效的材料能谱仪系统，使两种谱仪优势互补，是非常有效的材料研究工具。研究工具。现在学习的是第36页，共66页现在学习
36、的是第37页，共66页三、三、试样室试样室v用于安装、交换和移动试样。试样可以沿用于安装、交换和移动试样。试样可以沿X X、Y Y、Z Z轴方向移动，轴方向移动，有的试样台可以倾斜、旋转。现在试样台已用光编码定位，有的试样台可以倾斜、旋转。现在试样台已用光编码定位，准确度优于准确度优于1m1m，对表面不平的大试样进行元素面分析时，对表面不平的大试样进行元素面分析时，Z Z轴方向可以自动聚焦。轴方向可以自动聚焦。v试样室可以安装各种探测器，例如二次电子探测器、背散射电子试样室可以安装各种探测器，例如二次电子探测器、背散射电子探测器、波谱、能谱、及光学显微镜等。光学显微镜用于观察试探测器、波谱、能
37、谱、及光学显微镜等。光学显微镜用于观察试样样(包括荧光观察包括荧光观察)，以确定分析部位，利用电子束照射后能发出荧，以确定分析部位，利用电子束照射后能发出荧光的试样（如光的试样（如Zr02Zr02），能观察入射到试样上的电子束直径大小。），能观察入射到试样上的电子束直径大小。现在学习的是第38页，共66页四、电子计算机及扫描显示系统四、电子计算机及扫描显示系统 扫描显示系统是将电子束在试样表面和观察图像的荧光屏（扫描显示系统是将电子束在试样表面和观察图像的荧光屏（CRTCRT）进行同步光栅扫描，把电子束与试样相互作用产生的二次电子、背进行同步光栅扫描，把电子束与试样相互作用产生的二次电子、背散
38、射电子及散射电子及X X 射线等信号，经过探测器及信号处理系统后，送到射线等信号，经过探测器及信号处理系统后，送到CRT CRT 显示图像或照相纪录图像。以前采集图像一般为模拟图像，现在显示图像或照相纪录图像。以前采集图像一般为模拟图像，现在都是数字图像，数字图像可以进行图像处理和图像分析。都是数字图像，数字图像可以进行图像处理和图像分析。现在学习的是第39页，共66页五、真空系统五、真空系统 真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真空度，高真空度能真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真空度，高真空度能减少电子的能量损失和提高灯丝寿命，并减少了电子光路的污减少电子的能量损失和提高灯丝寿命，并减少
39、了电子光路的污染。真空度一般为染。真空度一般为0.01Pa0.01Pa0.001Pa0.001Pa，通常用机械泵油扩散，通常用机械泵油扩散泵抽真空。油扩散泵的残余油蒸汽在电子束的轰击下，会分泵抽真空。油扩散泵的残余油蒸汽在电子束的轰击下，会分解成碳的沉积物，影响超轻元素的定量分析结果，特别是对解成碳的沉积物，影响超轻元素的定量分析结果，特别是对碳的分析影响严重。用液氮冷阱冷却试样附近的冷指，或采碳的分析影响严重。用液氮冷阱冷却试样附近的冷指，或采用无油的涡轮分子泵抽真空，可以减少试样碳污染。用无油的涡轮分子泵抽真空，可以减少试样碳污染。现在学习的是第40页，共66页11-3 11-3 电子探针
40、分析的基本原理电子探针分析的基本原理电子探针除了用电子与试样相互作用产生的二次电子、背散射电子探针除了用电子与试样相互作用产生的二次电子、背散射电子进行形貌观察外，主要是利用波谱或能谱，测量入射电子电子进行形貌观察外，主要是利用波谱或能谱，测量入射电子与试样相互作用产生的特征与试样相互作用产生的特征X X 射线波长与强度，从而对试样中射线波长与强度，从而对试样中元素进行定性、定量分析。元素进行定性、定量分析。现在学习的是第41页，共66页v定性分析的基础是定性分析的基础是MoseleyMoseley关系式关系式:v式中式中为元素的特征为元素的特征X X 射线频率，射线频率，Z Z为原子序数，为
41、原子序数，K K与与均为常数，均为常数，C C为光速。当为光速。当11时，时，v与与Z Z的关系式可写成的关系式可写成:由式可知，组成试样的元素由式可知，组成试样的元素(对应的原子序数对应的原子序数Z)Z)与它产生的特征与它产生的特征X X 射线波长射线波长()()有单值关系，即每一种元素都有一个特定波长的特征有单值关系，即每一种元素都有一个特定波长的特征X X射线与之相对应，射线与之相对应，它不随入射电子的能量而变化。如果用它不随入射电子的能量而变化。如果用X X 射线波射线波谱仪测量电子激发试样所产生的特征谱仪测量电子激发试样所产生的特征X X 射线波长的种类，即可确定射线波长的种类，即可
42、确定试样中所存在元素的种类，这就是定性分析的基本原理。试样中所存在元素的种类，这就是定性分析的基本原理。一、定性分析的基本原理一、定性分析的基本原理现在学习的是第42页，共66页v能谱定性分析主要是根据不同元素之间的特征能谱定性分析主要是根据不同元素之间的特征X X 射线能量不同，即射线能量不同，即E Ehh，h h 为普朗克常数，为普朗克常数，为特征为特征X X 射频率，射频率，通过通过EDS EDS 检测检测试样中不同能量的特征试样中不同能量的特征X X 射线，即可进行元素的定性分析，射线，即可进行元素的定性分析，EDS EDS 定定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征性速度快，但由
43、于它分辨率低，不同元素的特征X X 射线谱峰往往射线谱峰往往相互重叠，必须正确判断才能获得正确的结果，分析过程中相互重叠，必须正确判断才能获得正确的结果，分析过程中如果谱峰相互重叠严重，可以用如果谱峰相互重叠严重，可以用WDSWDS和和EDSEDS联合分析，这样往往可联合分析，这样往往可以得到满意的结果。以得到满意的结果。现在学习的是第43页，共66页二、定量分析的基本原理二、定量分析的基本原理 试样中试样中A元素的相对含量元素的相对含量CA与该元素产生的特征与该元素产生的特征X射线的强度射线的强度IA(X射线计数射线计数)成正比成正比:CA IA，如果在相同的电子探针分析条件，如果在相同的电
44、子探针分析条件下，同时测量试样和已知成份的标样中下，同时测量试样和已知成份的标样中A 元素的同名元素的同名X 射线射线(如如K线线)强度，经过修正计算，就可以得出试样中强度，经过修正计算，就可以得出试样中A元素的元素的相对百分含量相对百分含量CA:式中式中C CA A为某为某A A元素的百分含量，元素的百分含量，K K 为常数，根据不同的修正方法为常数，根据不同的修正方法K K 可用不同的表达式表示，可用不同的表达式表示，I IA A 和和 I(I(A A)分别为试样中和标样中分别为试样中和标样中A A元素的特征元素的特征X X 射线强度，同样方法可求出试样中其它元素的百射线强度，同样方法可求
45、出试样中其它元素的百分含量。分含量。现在学习的是第44页，共66页11-4 11-4 电子探针的试样要求电子探针的试样要求1 1、试样尺寸、试样尺寸v所分析的试样应为块状或颗粒状，其最大尺寸要根据不同仪器所分析的试样应为块状或颗粒状，其最大尺寸要根据不同仪器的试样架大小而定。的试样架大小而定。定量分析的试样要均质，厚度通常应大于定量分析的试样要均质，厚度通常应大于5m5m。例如对。例如对JCXA-733 JCXA-733 电子探针仪，最大试样尺寸为电子探针仪，最大试样尺寸为32mm25mm32mm25mm。EPMA-8705 EPMA-8705 电子探仪所允许的最大试样尺寸为电子探仪所允许的最
46、大试样尺寸为102mm20mm102mm20mm。由于电子探针是微区分析，定点分析区域是几个立。由于电子探针是微区分析，定点分析区域是几个立方微米，电子束扫描分析和图像观察区域与放大倍数有关，但最大方微米，电子束扫描分析和图像观察区域与放大倍数有关，但最大也不会超过也不会超过5mm5mm。所以均匀试样没有必要做得很大，有代表性。所以均匀试样没有必要做得很大，有代表性即可。即可。v如果试样均匀，在可能的条件下，试样应尽量小，特别对分如果试样均匀，在可能的条件下，试样应尽量小，特别对分析不导电试样时，小试样能改善导电性和导热性能。析不导电试样时，小试样能改善导电性和导热性能。现在学习的是第45页，
47、共66页2 2、具有较好的电导和热导性能、具有较好的电导和热导性能金属材料一般都有较好的导电和导热性能，而硅酸盐材料和其它非金属金属材料一般都有较好的导电和导热性能，而硅酸盐材料和其它非金属材料一般电导和热导都较差。后者在入射电子的轰击下将产生电荷积累，材料一般电导和热导都较差。后者在入射电子的轰击下将产生电荷积累，造成电子束不稳定，图像模糊，并经常放电使分析和图像观察无法进行。造成电子束不稳定，图像模糊，并经常放电使分析和图像观察无法进行。试样导热性差还会造成电子束轰击点的温度显著升高，往往使试样中某试样导热性差还会造成电子束轰击点的温度显著升高，往往使试样中某些低熔点组份挥发而影响定量分析
48、准确度度些低熔点组份挥发而影响定量分析准确度度。因此因此,对于硅酸盐等非金属材料必须在表面均匀喷镀一层对于硅酸盐等非金属材料必须在表面均匀喷镀一层2020nmnm左右的左右的碳膜、铝膜或金膜等来增加试样表面的导电和导热性能。碳膜、铝膜或金膜等来增加试样表面的导电和导热性能。现在学习的是第46页，共66页3 3、试样表面光滑平整、试样表面光滑平整 试样表面必须抛光，在试样表面必须抛光，在100 100 倍反光显微镜下观察时，能比较容易倍反光显微镜下观察时，能比较容易地找到地找到50m50m50m50m无凹坑或擦痕的分析区域。因为无凹坑或擦痕的分析区域。因为X X 射线是射线是以一定的角度从试样表
49、面射出，如果试样表面凸凹不平，就以一定的角度从试样表面射出，如果试样表面凸凹不平，就可能使出射可能使出射X X 射线受到不规则的吸收，降低射线受到不规则的吸收，降低X X 射线测量强度，射线测量强度，下图表明试样表面台阶引起的附加吸收。下图表明试样表面台阶引起的附加吸收。现在学习的是第47页，共66页试样表面台阶引起的附加吸收试样表面台阶引起的附加吸收现在学习的是第48页，共66页4 4、试样制备方法、试样制备方法 粉体粉体可以直接撒在试样座的双面碳导电胶上，用表面平的物体，例可以直接撒在试样座的双面碳导电胶上，用表面平的物体，例如玻璃板压紧，然后用洗耳球吹去粘结不牢固的颗粒。当颗粒比较如玻璃
50、板压紧，然后用洗耳球吹去粘结不牢固的颗粒。当颗粒比较大时，例如大于大时，例如大于5m5m，可以寻找表面尽量平的大颗粒分析。也，可以寻找表面尽量平的大颗粒分析。也可以将粗颗粒粉体用环氧树脂等镶嵌材料混合后，进行粗磨、可以将粗颗粒粉体用环氧树脂等镶嵌材料混合后，进行粗磨、细磨及抛光方法制备。细磨及抛光方法制备。现在学习的是第49页，共66页对于小于对于小于5 5mm小颗粒，严格讲不符合定量分析条件，但实际工作中有小颗粒，严格讲不符合定量分析条件，但实际工作中有时可以采取一些措施得到较好的分析结果。时可以采取一些措施得到较好的分析结果。对粉体量少只能用电子探针分析时，要选择粉料堆积较厚的区域，以免对