《X射线光谱分析精选课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《X射线光谱分析精选课件.ppt（69页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、关于X射线光谱分析1第一页，本课件共有69页2第五章 X射线光谱分析n成分和价键分析概论成分和价键分析概论nX射线的产生射线的产生 nX射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 nX射线光谱分析射线光谱分析 第二页，本课件共有69页35.1 成分和价键分析概论n基本原理：核外电子的能级分布反应了原子的特征信息。基本原理：核外电子的能级分布反应了原子的特征信息。利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间跃迁，在利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间跃迁，在此过程中产生元素的特征信息。此过程中产生元素的特征信息。n根据出射信号的不同，成分分析手段分为两类：根据出射信号的不同，成分分析手段分为两
2、类：X光谱光谱和电子能谱，出射信号分别是和电子能谱，出射信号分别是X射线和电子。射线和电子。nX光谱包括光谱包括X射线荧光光谱（射线荧光光谱（XFS）和电子探针）和电子探针X射线显射线显微分析（微分析（EPMA）n电子能谱包括电子能谱包括X射线光电子能谱仪（射线光电子能谱仪（XPS）、俄歇电子）、俄歇电子能谱仪（能谱仪（AES）、电子能量损失谱（）、电子能量损失谱（EELS）等。）等。第三页，本课件共有69页4各种分析手段的特点nX光谱光谱(所探测的样品出射信号是所探测的样品出射信号是X射线射线)：n表面内部信息表面内部信息n空间分辨率不高空间分辨率不高n无法探测元素的化学环境无法探测元素的化
3、学环境n电子能谱电子能谱(所探测的样品出射信号是电子所探测的样品出射信号是电子)：n表面元素分析表面元素分析n表面元素价态分析表面元素价态分析第四页，本课件共有69页5基本原理n入射电磁波或物质波与样品原子作用，导致原子的总入射电磁波或物质波与样品原子作用，导致原子的总能量升高处于激发状态。能量升高处于激发状态。n激发态不稳定，原子较外层电子将跃迁入内层填补空位，激发态不稳定，原子较外层电子将跃迁入内层填补空位，使总能量降低趋于稳定。使总能量降低趋于稳定。n跃迁的始态和终态的能量差跃迁的始态和终态的能量差E为原子的特征能量，由元素种为原子的特征能量，由元素种类决定，并受原子所处环境的影响。类决
4、定，并受原子所处环境的影响。n可以根据一系列的可以根据一系列的E确定样品中的原子种类和价键结构。确定样品中的原子种类和价键结构。n样品发射的俄歇电子、光电子动能或样品发射的俄歇电子、光电子动能或X射线波长就由射线波长就由E决定。决定。第五页，本课件共有69页65.2 X射线的产生射线的产生 X射线的本质nX X射线是一种波长很短的电磁波，在电磁波谱上射线是一种波长很短的电磁波，在电磁波谱上位于紫外线和位于紫外线和 射线之间，波长范围是射线之间，波长范围是0.5-2.50.5-2.5埃。埃。n具有波粒二象性具有波粒二象性nX X射线的能量与频率或波长有关射线的能量与频率或波长有关第六页，本课件共
5、有69页7第七页，本课件共有69页8电磁波电磁波第八页，本课件共有69页9X射线的产生原理射线的产生原理 n电子束轰击电子束轰击n内层电子逸出，外层电内层电子逸出，外层电子跃迁子跃迁n能量差释放能量差释放 特征特征X射线射线n电子与原子核作用，能电子与原子核作用，能量损失量损失 连续连续X射线射线第九页，本课件共有69页10X射线谱nX X射线的强度射线的强度I I随波长随波长 变化变化的关系曲线。的关系曲线。nX X射线强度：单位时间内通射线强度：单位时间内通过与过与X X射线传播方向垂直的射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数目单位面积上的光量子数目的能量总和。的能量总和。nX X射线管阳
6、极靶发射出的射线管阳极靶发射出的X X射射线谱分为两类：线谱分为两类：连续连续X X射线射线谱和特征谱和特征X X射线谱射线谱第十页，本课件共有69页11连续X射线谱nX X射线谱由连续谱和特征谱组成射线谱由连续谱和特征谱组成.n连续谱，包括一个连续的连续谱，包括一个连续的X X射线波长范围，有两射线波长范围，有两个基本指标即个基本指标即0 0和和mmn实验规律及解释实验规律及解释n连续连续X X射线的总能量随管电流、阳极靶原子序数和管射线的总能量随管电流、阳极靶原子序数和管电压的增加而增大。电压的增加而增大。第十一页，本课件共有69页12特征X射线谱n对于对于W靶的靶的X光管来讲，当管电压增
7、大到光管来讲，当管电压增大到20KV以以上时，则将在连续谱基础上产生波长一定的谱线特征上时，则将在连续谱基础上产生波长一定的谱线特征X射线（标识射线（标识X射线）。特征波长值是固定的，仅与射线）。特征波长值是固定的，仅与阳极靶材有关。既使电压继续增大，也只有强度增阳极靶材有关。既使电压继续增大，也只有强度增大而波长固定不变。大而波长固定不变。n当一个外来电子将当一个外来电子将K层的一个电子击出成为自由电层的一个电子击出成为自由电子，这时位于较外层较高能量的子，这时位于较外层较高能量的L层电子就跃迁到层电子就跃迁到K层。这个能量差层。这个能量差E=EL-EK=h将以将以X射线的形式放射线的形式放
8、射出去，其波长射出去，其波长h/E必然是个仅仅取决于原子序必然是个仅仅取决于原子序数的常数。这种由数的常数。这种由LK的跃迁产生的的跃迁产生的X射线我们称为射线我们称为K辐射，同理还有辐射，同理还有K辐射，辐射，K辐射。辐射。n不过离开原子核越远的轨道产生跃迁的几率越小，所不过离开原子核越远的轨道产生跃迁的几率越小，所以高次辐射的强度也将越来越小。以高次辐射的强度也将越来越小。第十二页，本课件共有69页13第十三页，本课件共有69页14特征X射线K和和K两个特征射线两个特征射线Moseley定律决定特征定律决定特征X射线的波长射线的波长(1/)1/21/2=K(Z-=K(Z-)第十四页，本课件
9、共有69页155.3 X射线与物质的相互作用nX X射线到达物质表面后的射线到达物质表面后的能量将分为三大部分，即能量将分为三大部分，即散射、吸收、透射散射、吸收、透射nX X射线被物质散射时可射线被物质散射时可以产生两种散射现象，以产生两种散射现象，即相干散射和非相干散即相干散射和非相干散射射 X射线非相干散射示意图 第十五页，本课件共有69页161 相干散射和非相干散射n物质对物质对X X射线散射的实质是物质中的电子与射线散射的实质是物质中的电子与X X光子的相互光子的相互作用。当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保持在作用。当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保持在原来位置上原来位置上（
10、原子对电子的束缚力很强）（原子对电子的束缚力很强），则光子将，则光子将产生刚性碰撞，其作用效果是辐射出电磁波产生刚性碰撞，其作用效果是辐射出电磁波-散射散射波。这种散射波的波长和频率与入射波完全相同，新波。这种散射波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之间将可以发生相互干涉的散射波之间将可以发生相互干涉-相干散射。相干散射。X X射线的衍射现象正是基于相干散射之上的。射线的衍射现象正是基于相干散射之上的。n当物质中的当物质中的电子与原子之间的束缚力较小电子与原子之间的束缚力较小（如原子（如原子的外层电子）时，电子可能被的外层电子）时，电子可能被X X光子撞离原子成为反光子撞离原子成为反冲电
11、子。因反冲电子将带走一部分能量，使得光子能量冲电子。因反冲电子将带走一部分能量，使得光子能量减少，从而使随后的散射波波长发生改变。这样一来，减少，从而使随后的散射波波长发生改变。这样一来，入射波与散射波将不再具有相干能力，成为非相干散射。入射波与散射波将不再具有相干能力，成为非相干散射。作为晶体衍射的背底作为晶体衍射的背底 。第十六页，本课件共有69页172 X射线的吸收 nX X射线将被物质吸收，吸收的实质是发生能量转换。这射线将被物质吸收，吸收的实质是发生能量转换。这种能量转换主要包括光电效应和俄歇效应。种能量转换主要包括光电效应和俄歇效应。n光电效应光电效应 ：当入射：当入射X X光子的
12、能量足够大时，还可以将光子的能量足够大时，还可以将原子内层电子击出使其成为光电子。被打掉了内层电原子内层电子击出使其成为光电子。被打掉了内层电子的受激原子将产生层电子向内层跃迁的过程，同时子的受激原子将产生层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出波长严格一定的特征辐射出波长严格一定的特征X X射线。为区别于电子击射线。为区别于电子击靶时产生的特征辐射，由靶时产生的特征辐射，由X X射线发出的特征辐射称为射线发出的特征辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射。二次特征辐射，也称为荧光辐射。n俄歇效应俄歇效应第十七页，本课件共有69页18俄歇电子的产生俄歇电子的产生俄歇效应俄歇效应n当具有足够能量的粒子（光
13、子、电子或离子）与一个当具有足够能量的粒子（光子、电子或离子）与一个原子碰撞时，原子内层轨道上的电子被激发出后，在原子碰撞时，原子内层轨道上的电子被激发出后，在原子的内层轨道上产生一个空穴，形成了激发态正离原子的内层轨道上产生一个空穴，形成了激发态正离子。子。n例如例如X X射线激发固体中的原子内层电子，原子在射线激发固体中的原子内层电子，原子在发射光电子的同时内层出现空位发射光电子的同时内层出现空位,此时原子处于激此时原子处于激发态，将会以两种方式退激发：发态，将会以两种方式退激发：n发射特征发射特征X X射线：原子内层射线：原子内层(例如例如K K层层)出现空位，较出现空位，较外层外层 (
14、例如例如L L层层)电子向内层辐射跃迁，发射荧光电子向内层辐射跃迁，发射荧光(二二 次次)X)X射线，射线，h h =E=EE=EL L-E-EK K。第十八页，本课件共有69页19n在这激发态离子的退激发过程中，外层轨道的电子在这激发态离子的退激发过程中，外层轨道的电子可以向该空穴跃迁并释放出能量，而该释放出的能可以向该空穴跃迁并释放出能量，而该释放出的能量又可以激发同一轨道层或更外层轨道的电子使之量又可以激发同一轨道层或更外层轨道的电子使之电离而逃离样品表面，这种出射电子就是俄歇电子。电离而逃离样品表面，这种出射电子就是俄歇电子。n发射俄歇电子发射俄歇电子:以以K K层出现空位为例，层出现
15、空位为例，L L层层(如如L2L2层层)电子向电子向K K层跃迁，多余能量不以产生辐射的形层跃迁，多余能量不以产生辐射的形式释放，而使式释放，而使L L层上另一电子脱离原子发射出去，层上另一电子脱离原子发射出去，此电子即称为俄歇电子此电子即称为俄歇电子n显然，俄歇效应是一个无辐射跃迁过程显然，俄歇效应是一个无辐射跃迁过程第十九页，本课件共有69页20光电子、荧光光电子、荧光X射线及俄歇电子产生过程射线及俄歇电子产生过程第二十页，本课件共有69页21光电子、荧光光电子、荧光X射线及俄歇电子产生过程射线及俄歇电子产生过程第二十一页，本课件共有69页22X射线与物质的相互作用n除此之外，除此之外，X
16、 X射线穿透物质时还有热效应，产生热能。射线穿透物质时还有热效应，产生热能。n我们将光电效应，俄歇效应和热效应所消耗的那部分入我们将光电效应，俄歇效应和热效应所消耗的那部分入射射X X射线能量称为物质对射线能量称为物质对X X射线的真吸收。可见，由射线的真吸收。可见，由于散射和真吸收过程的存在（主要是真吸收），于散射和真吸收过程的存在（主要是真吸收），与物质作用后入射与物质作用后入射X X射线的能量强度将被衰减。射线的能量强度将被衰减。n当吸收物质一定时，当吸收物质一定时，X X射线的波长越长越容易被吸射线的波长越长越容易被吸收，吸收体的原子序数越高，收，吸收体的原子序数越高，X X射线越容易
17、被吸收。射线越容易被吸收。第二十二页，本课件共有69页23X射线与固体材料相互作用时产生的信号射线与固体材料相互作用时产生的信号第二十三页，本课件共有69页245.4 X射线光谱分析n波谱仪和能谱仪（电子探针）波谱仪和能谱仪（电子探针）n分析方法分析方法n当用当用X X射线、高速电子和其它高能粒子轰击样品时，试射线、高速电子和其它高能粒子轰击样品时，试样中各元素的原子若受到激发，将处于高能量状态，当样中各元素的原子若受到激发，将处于高能量状态，当它们向低能量状态转变时，产生特征它们向低能量状态转变时，产生特征X X射线。射线。n将产生的特征将产生的特征X X射线按波长或能量展开，所得谱图即为射
18、线按波长或能量展开，所得谱图即为波谱或能谱，从谱图中可辨认元素的特征谱线，并测得它波谱或能谱，从谱图中可辨认元素的特征谱线，并测得它们的强度，据此进行材料的成分分析。们的强度，据此进行材料的成分分析。第二十四页，本课件共有69页255.4.1 概述n电子探针仪（电子探针仪（EPMA）是一种）是一种微区成分分析仪器。微区成分分析仪器。n采用被聚焦成小于采用被聚焦成小于1um的高速电子束轰击样品表面，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利用电子束与样品相互作用激发出的特征x射线，测射线，测量其量其和和，确定微区的定性、定量的化学成分。，确定微区的定性、定量的化学成分。n能
19、方便地分析从能方便地分析从4Be到到92U之间的所有元素。之间的所有元素。nSEM-EPMA组合型仪器，具有扫描放大成像和微区成组合型仪器，具有扫描放大成像和微区成分分析两方面功能。分分析两方面功能。第二十五页，本课件共有69页26 n高能细聚焦电子束与样品相互作用，激发出样品元素高能细聚焦电子束与样品相互作用，激发出样品元素的特征的特征X射线，分析特征射线，分析特征X射线的射线的波长（或特征能量）波长（或特征能量）和和强度强度，可确定组成样品的，可确定组成样品的元素种类元素种类及其及其含量含量。n电子探针的信号检测系统是电子探针的信号检测系统是X射线谱仪，用来测定特征射线谱仪，用来测定特征波
20、长的谱仪叫做波谱仪；用来测定波长的谱仪叫做波谱仪；用来测定X射线特征能量的谱射线特征能量的谱仪叫能谱仪。仪叫能谱仪。n微区分析：电子束固定在某一微区微区分析：电子束固定在某一微区 检测浓度极限：检测浓度极限：10-4；绝对感量：绝对感量：10-14g （如果采样体积为如果采样体积为1m3,对应质量对应质量10-10g）第二十六页，本课件共有69页27工作原理工作原理n利用一束聚焦到很细且被加速到利用一束聚焦到很细且被加速到530kev的电子束，轰击用的电子束，轰击用显微镜选定的待分析样品上的某个显微镜选定的待分析样品上的某个“点点”，利用高能电子，利用高能电子与固体物质相互作用时所激发出的特征
21、与固体物质相互作用时所激发出的特征X射线波长和强度射线波长和强度的不同，来确定分析区域中的化学成分。的不同，来确定分析区域中的化学成分。n具有足够能量的细电子束轰击试样表面，激发特征具有足够能量的细电子束轰击试样表面，激发特征x射线，其波射线，其波长为：长为：n与样品材料的与样品材料的Z有关，测出有关，测出，即可确定相应元素的，即可确定相应元素的Z。n某种元素的特征某种元素的特征x射线强度与该元素在样品中的浓度成比例，射线强度与该元素在样品中的浓度成比例，测出测出x射线射线I，就可计算出该元素的相对含量。，就可计算出该元素的相对含量。第二十七页，本课件共有69页28电子探针结构电子探针结构第二
22、十八页，本课件共有69页295.4.2 波谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer，简称WDS）l特征特征X射线射线 的波长：决定于初态和终态的能量差的波长：决定于初态和终态的能量差 h=Ei-Ef=hc/l特征特征X射线波长与原子序数的关系射线波长与原子序数的关系n=B(Z-C)-2n 其中其中 B、C是常数，与谱族有关是常数，与谱族有关n根据根据Bragg方程，从试样激发出的方程，从试样激发出的X射线经适当的射线经适当的晶体分光，晶体分光，波长不同的特征波长不同的特征X射线有不同的衍射角。射线有不同的衍射角。利用此原理制成的谱仪就叫波长色散谱仪，简称波谱仪
23、利用此原理制成的谱仪就叫波长色散谱仪，简称波谱仪（WDS）。）。第二十九页，本课件共有69页30工作原理工作原理n由布拉格定律，从试样中发出的特征由布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经一定射线，经一定晶面间距的晶体分光，波长不同的特征晶面间距的晶体分光，波长不同的特征X射线将有不射线将有不同的衍射角。同的衍射角。n连续改变连续改变，在与，在与X射线入射方向呈射线入射方向呈2 的位置的位置上测上测到不同波长的特征到不同波长的特征X射线信号。射线信号。n由莫塞莱定律可确定被测物质所含元素由莫塞莱定律可确定被测物质所含元素。第三十页，本课件共有69页31 根据根据BraggBragg定理：定理：
24、n=2dsinn=2dsinq若若d,d,已知，可计算出已知，可计算出。波长不同的。波长不同的X X射线将有不同的衍射线将有不同的衍射角。射角。q由于由于sinsin的变化范围为的变化范围为0 01 1，因此，因此 只能小于只能小于2d2d。而不同元素。而不同元素的特征的特征X X射线波长变化很大，需要配备面间距不同的数块射线波长变化很大，需要配备面间距不同的数块分光晶体。分光晶体。n LiFLiF晶体，晶体，d=4.028 d=4.028 测量测量=0.89-3.5=0.89-3.5n RAP RAP晶体晶体 d=26.121 d=26.121 测量测量=5.8-23=5.8-23第三十一页
25、，本课件共有69页32n在波谱仪中，在波谱仪中，X X射线信号来自样射线信号来自样品表层的一个极小的体积品表层的一个极小的体积(约约1m1m3 3)，X X射线是发散的，能够射线是发散的，能够到达分光晶体表面的，只是其到达分光晶体表面的，只是其中极小的一部分，信号很微弱。中极小的一部分，信号很微弱。n采取聚焦方式提高测试效率。采取聚焦方式提高测试效率。使使X X射线源射线源(样品表面被分析点样品表面被分析点)、分光晶体和探测器三者处于同一分光晶体和探测器三者处于同一圆周上，称聚焦圆。圆周上，称聚焦圆。n从点光源发射出的呈发散状的符从点光源发射出的呈发散状的符合布拉格条件的同一波长的合布拉格条件
26、的同一波长的X X射射线，经弯曲晶体反射后将聚焦于线，经弯曲晶体反射后将聚焦于一点。一点。第三十二页，本课件共有69页33波谱仪：利用单晶对波谱仪：利用单晶对X射线的衍射来测量激发射线的衍射来测量激发X射线的波长，作为射线的波长，作为所含元素的依据。所含元素的依据。第三十三页，本课件共有69页34WDS 特点：特点：n分析速度分析速度慢慢 单个元素测量，做全分析时间较长。单个元素测量，做全分析时间较长。n分辨率分辨率高高：10eV10eV 谱仪分辨率是指分开、识别相邻两个谱峰的能力。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，多用于超轻元素测量精度高，多用于超轻元素Z9测量。测量。
27、n峰背比大峰背比大 背底扣除容易，数据处理简单。背底扣除容易，数据处理简单。n分析元素范围：分析元素范围：4Be4Be92U92Un样品表面要求平整、光滑。样品表面要求平整、光滑。第三十四页，本课件共有69页355.4.3 能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，简称简称EDS）n利用利用X光量子的能量不同进行元素分析。光量子的能量不同进行元素分析。n对于某一种元素的对于某一种元素的X光量子有特定的能量，利用半导光量子有特定的能量，利用半导体探测器和多道脉冲高度分析器，将体探测器和多道脉冲高度分析器，将X光量子按能量光量子按能量展谱。展谱。第三十五页，本课件共有6
28、9页36单通道分析器：电子束扫描，显示某种成分象单通道分析器：电子束扫描，显示某种成分象多通道分析器：显示微区多通道分析器：显示微区X射线能谱射线能谱某微区元素分布某种元素面分布第三十六页，本课件共有69页37 能谱仪的关键部件是能谱仪的关键部件是Si(Li)检测器，它实际上是一个以检测器，它实际上是一个以Li 为施主杂质的二极管。为施主杂质的二极管。X光照射半导体，产生的电子空穴光照射半导体，产生的电子空穴对数与光子能量成正比。对数与光子能量成正比。Si(Li)（锂漂移硅）锂漂移硅）检测器探头结构示意图检测器探头结构示意图第三十七页，本课件共有69页38 一个一个X X射线的光子通过射线的光
29、子通过8 82525 m m的铍窗口进入探测器后会的铍窗口进入探测器后会被被SiSi原子所俘获，原子所俘获，SiSi原子吸收了入射的原子吸收了入射的X X射线光子后先发射一射线光子后先发射一个高能电子，当这个光电子在探测器中移动并发生非弹性个高能电子，当这个光电子在探测器中移动并发生非弹性散射时，就会产生电子散射时，就会产生电子空穴对。空穴对。此时，发射光电子后的此时，发射光电子后的SiSi原子处于高能激发态，它的能量原子处于高能激发态，它的能量以发射俄歇电子或以发射俄歇电子或SiSi的特征的特征X X射线的形式释放出来俄歇电子射线的形式释放出来俄歇电子也会发生非弹性散射而产生电子也会发生非弹
30、性散射而产生电子空穴对空穴对 SiSi的特征的特征X X射线也可能被重新吸收而重复以上的过程，还射线也可能被重新吸收而重复以上的过程，还可能被非弹性散射如此发生的一系列事件使得最初入射的可能被非弹性散射如此发生的一系列事件使得最初入射的那个那个X X射线光子的能量完全耗尽在探测器中。射线光子的能量完全耗尽在探测器中。第三十八页，本课件共有69页39 在在检检测测器器两两端端得得到到的的电电荷荷脉脉冲冲信信号号经经过过预预放放大大器器积积分分成成电电压压信信号号并并加加以以初初步步放放大大，主主放放大大器器将将此此信信号号进进一一步步放放大大，最最后后输输入入单单道道或或多多道道脉脉冲冲高高度度
31、分分析析器器中中，按按脉脉冲冲电电压压幅幅度度大大小小进进行行分分类类、累累计计，并并以以X X射射线线计计数数(强强度度)相相对于对于x x射线能量的分布图形显示打印出来射线能量的分布图形显示打印出来 第三十九页，本课件共有69页40EDS 特点：特点：n分析速度分析速度快快n分辨率较分辨率较低低：150eV150eVn峰背比小峰背比小 谱峰宽、易重叠，背底扣除困难，数据处理复杂谱峰宽、易重叠，背底扣除困难，数据处理复杂n分析元素范围：分析元素范围：11Na11Na92U92Un进行低倍扫描成像，大视域的元素分布图。进行低倍扫描成像，大视域的元素分布图。n对样品污染作用小对样品污染作用小n适
32、于粗糙表面成分分析适于粗糙表面成分分析 不受聚焦圆的限制，样品的位置可起伏不受聚焦圆的限制，样品的位置可起伏23mmn工作条件：工作条件：探测器须在液氮温度下使用，维护费用高。探测器须在液氮温度下使用，维护费用高。第四十页，本课件共有69页41WDS 与与EDS比较比较nWDS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。nEDS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。第四十一页，本课件共有69页42能谱仪与波谱仪相比的优点和缺点能谱仪与波谱仪相比的优点和缺点n优点优
33、点 (1)(1)所有能量所有能量X X射线同时检测射线同时检测,分析速度快分析速度快 (2)(2)灵灵敏敏度度高高，不不必必聚聚焦焦，对对样样品品表表面面无无特特殊殊要要求求，适适合粗糙表面的分析合粗糙表面的分析 (3)(3)谱线重复性好谱线重复性好 n缺点缺点 (1)(1)能量分辨率低，峰背比低。能量分辨率低，峰背比低。（2 2）Si(Li)Si(Li)探测器上的铍窗口，限制超轻元素探测器上的铍窗口，限制超轻元素 X X射线的发射线的发射，只能分析原子序数大于射，只能分析原子序数大于1111的元素。的元素。(3)(3)工作条件要求严格。工作条件要求严格。Si(Li)Si(Li)探头必须始终保
34、持在液氮探头必须始终保持在液氮冷却的低温状态。冷却的低温状态。第四十二页，本课件共有69页43波谱仪能谱仪第四十三页，本课件共有69页445.4.4 分析方法分析方法定性分析：定性分析：利用利用X射线谱仪，先将样品发射的射线谱仪，先将样品发射的X射线展成射线展成X射射线谱，记录下样品所发射的特征谱线的波长，然后根线谱，记录下样品所发射的特征谱线的波长，然后根据据X射线波长表，判断这些特征谱线是属于哪种元素射线波长表，判断这些特征谱线是属于哪种元素的哪根谱线，最后确定样品中含有什么元素的哪根谱线，最后确定样品中含有什么元素 第四十四页，本课件共有69页45定量分析 定定量量分分析析时时，不不仅仅
35、要要记记录录下下样样品品发发射射的的特特征征谱谱线线的的波波长长，还还要要记记录录下下它它们们的的强强度度，然然后后将将样样品品发发射射的的特特征征谱谱线线强强度度(只只需需每每种种元元素素选选一一根根谱谱线线，一一般般选选最最强强的的谱谱线线)与与成成分分已已知知的的标标样样(一一般般为为纯纯元元素素标标样样)的的同同名名谱谱线线相比较，确定出该元素的含量相比较，确定出该元素的含量 为为获获得得元元素素含含量量的的精精确确值值，还还要要进进行行修修正正，常常用用的的修修正方法有正方法有“经验修正法经验修正法”和和“ZAF”ZAF”修正法修正法 第四十五页，本课件共有69页46电子探针分析模式
36、n以点、线、微区、面的方式测定样品的成份和平以点、线、微区、面的方式测定样品的成份和平均含量。均含量。n定点分析n测定样品在某一线长度上的元素分布分析模式。测定样品在某一线长度上的元素分布分析模式。电子电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素质量分数的定性束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素质量分数的定性或半定量分析。或半定量分析。（线扫描分析）n测定元素在样品指定区域内的面分布分析模式。测定元素在样品指定区域内的面分布分析模式。电子束电子束在样品表面作光栅式面扫描，以特定元素的在样品表面作光栅式面扫描，以特定元素的X X射线的信号强射线的信号强度调制阴极射线管荧光屏的亮度，获得该元素质量
37、分数分布度调制阴极射线管荧光屏的亮度，获得该元素质量分数分布的扫描图像的扫描图像（面扫描分析）第四十六页，本课件共有69页471、定点分析 对对样样品品表表面面选选定定微微区区作作定定点点的的全全谱谱扫扫描描，进进行行定定性性或或半半定定量量分分析析，并并对对其其所所含含元元素素的的质质量量分分数数进进行行定定量量分分析析；采采用用多多道道谱谱仪仪并并配配以以电电子子计计算算机机自自动动检检谱谱设设备备，可可在在很很短短(15min)时时间间内内定定性性完完成成从从4Be到到92U全全部元素的特征部元素的特征X射线波长范围的全谱扫描射线波长范围的全谱扫描第四十七页，本课件共有69页482、线扫
38、描分析 电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素质电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素质量分数的定性或半定量分析。量分数的定性或半定量分析。利利用用线线扫扫描描分分析析可可以以获获得得某某一一元元素素分分布布均均匀匀性性的的信信息息当当入入射射电电子子束束在在样样品品表表面面沿沿选选定定的的直直线线轨轨迹迹(穿穿越越粒粒子子和和界界面面)进进行行扫扫描描时时，谱谱仪仪检检测测某某一一元元素素的的特特征征X射射线线信信号号并并将将其其强强度度(计计数数率率)显显示示出出来来，这这样样可可以以更更直直观观地地表表明明元元素素质质量量分分数数不不均均匀匀性性与与样样品品组组织织之之间间的的关
39、系关系 第四十八页，本课件共有69页49 X射射线线信信号号强强度度的的线线扫扫描描分分析析，对对于于测测定定元元素素在在材材料料内内部部相相区区或或界界面面上上的的富富集集和和贫贫化化，分分析析扩扩散散过过程程中中质质量量分分数数与与扩扩散散距距离离的的关关系系，以以及及对对材材料料表表面面化化学学热热处处理理的的表表面面渗渗层层组组织织进进行行分分析析和和测测定定等等都都是是一一种种十十分分有有效效的的手手段段，但但对对C、N、B以以及及Al、Si等等低低原原子子序序数数的的元元素素，检测的灵敏度不够高，定量精度较差。检测的灵敏度不够高，定量精度较差。第四十九页，本课件共有69页50AB第
40、五十页，本课件共有69页513、面扫描分析 n电电子子束束在在样样品品表表面面作作光光栅栅式式面面扫扫描描，以以特特定定元元素素的的X X射射线线的的信信号号强强度度调调制制阴阴极极射射线线管管荧荧光光屏屏的的亮亮度度，获获得该元素质量分数分布的扫描图像得该元素质量分数分布的扫描图像 二二维维成成分分象象：X X射射线线检检测测器器固固定定在在某某一一波波长长，扫扫描描电电子子束束，用用X X射射线线检检测测器器的的输输出出信信号号调调制制同同步步 扫扫描描的的荧荧光光屏屏的的亮亮度度。成象分辨率在成象分辨率在1m 1m 量量 级。级。第五十一页，本课件共有69页52 在在面面扫扫描描图图像像
41、中中，元元素素质质量量分分数数较较高高的的区区域域应应该该是是图图像像中中较较亮亮的的部部分分若若将将元元素素质质量量分分数数分分布布的的不不均均匀匀性性与与材材料料的的微微观观组组织织联联系系起起来来，就就可可以以对对材材料料进进行行更更全全面面的的分析分析 应应该该注注意意，在在面面扫扫描描图图像像中中同同一一视视域域不不同同元元素素特特征征谱谱线线扫扫描描像像之之间间的的亮亮度度对对比比，不不能能被被认认为为是是各各该该元元素相对含量的标志素相对含量的标志第五十二页，本课件共有69页53第五十三页，本课件共有69页54第五十四页，本课件共有69页55第五十五页，本课件共有69页56附：二
42、次离子质谱二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrometry 简称简称 SIMS)n粒子与离子的概念差异粒子与离子的概念差异q在微观领域，粒子是离子、电子、光子和亚核粒子在微观领域，粒子是离子、电子、光子和亚核粒子等的总称等的总称第五十六页，本课件共有69页57概述概述n离子束分析的概念离子束分析的概念q总的来说总的来说：以离子束作为工具，通过它与物质相互：以离子束作为工具，通过它与物质相互作用来判断物质中元素组成及结构的一门学科作用来判断物质中元素组成及结构的一门学科q具体来说具体来说：利用具有一定能量的离子（如：质子、：利用具有一定能量的离子（如：质子、alpha
43、离子及其它重离子）束去轰击样品，使样品离子及其它重离子）束去轰击样品，使样品中的元素发生电离、激发、发射和核反应以及自身中的元素发生电离、激发、发射和核反应以及自身的散射等过程，通过测量这些过程中所产生的射线的散射等过程，通过测量这些过程中所产生的射线的能量和强度来确定样品中元素的种类和含量的一的能量和强度来确定样品中元素的种类和含量的一门学科门学科第五十七页，本课件共有69页58样品离子束（E,q）俄歇电子离子束作用机制图X射线射线发射粒子背散射粒子二次离子第五十八页，本课件共有69页59离子束分析作用机制图次级（二次）离子质谱Secondary Ion Mass Spectrometry(
44、SIMS)俄歇电子谱Auger Electron Spectrometry(AES)粒子诱发X射线荧光分析Particle Induced X-ray Emission(PIXE)核反应分析Nuclear Reaction Analysis(NRA)卢瑟福背散射分析Rutherford Backscattering Spectrometry(RBS)离子-原原子子作用范畴离子-原原子子核核作用范畴弹性反冲分析Elastic Recoil Detection(ERD)第五十九页，本课件共有69页60离子束分析方法的优缺点离子束分析方法的优缺点q优点优点v灵敏度高、分析时间短、不破坏样品、分析范围
45、广和取样量少灵敏度高、分析时间短、不破坏样品、分析范围广和取样量少等优点，因此特别适用于等优点，因此特别适用于痕量元素痕量元素的分析的分析v在分析深度、采样质量、检测灵敏度、可分析元素范围和分析在分析深度、采样质量、检测灵敏度、可分析元素范围和分析时间等方面，均优于电子探针。时间等方面，均优于电子探针。具有很高的检测极限，对具有很高的检测极限，对杂质检测限通常为杂质检测限通常为ppm，甚至达，甚至达ppb量级量级v能分析化合物，得到其分子量及分子能分析化合物，得到其分子量及分子 结构的信息，检结构的信息，检测包括氢在内的所有元素及同位素测包括氢在内的所有元素及同位素v能获取样品能获取样品表层表
46、层信息信息v能进行微区成分的成象及深度剖面分析能进行微区成分的成象及深度剖面分析n缺点缺点q设备复杂、成本较高设备复杂、成本较高第六十页，本课件共有69页61应用范围q生命科学生命科学如医学、环境监测等q社会科学社会科学如考古、司法鉴定等q材料科学材料科学如成分检测、半导体工艺等q国民经济的各个部门国民经济的各个部门如工艺、农业、商业等第六十一页，本课件共有69页62SIMS原理原理利用质谱法分析初级离子入射靶面后，溅射产生的二次离子利用质谱法分析初级离子入射靶面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面信息的一种方法。而获取材料表面信息的一种方法。一次束：具有一定能量的离子一次束：具有一定能量的离
47、子检测信息：产生的正、负二次离子的质量检测信息：产生的正、负二次离子的质量(或或m/em/e谱谱)第六十二页，本课件共有69页63离子与表面的相互作用离子与表面的相互作用n离子束与表面的相互作用，用单个离子与表面的作用来处离子束与表面的相互作用，用单个离子与表面的作用来处理，通常：理，通常：n 一次束流密度一次束流密度 106 A/cm2 n 一个离子与表面相互作用总截面一个离子与表面相互作用总截面 10nm2n 一个离子与表面相互作用引起各种过程弛豫时间一个离子与表面相互作用引起各种过程弛豫时间 10-12秒秒n n 一次离子一次离子 固体表层固体表层n发射出表面发射出表面 背散射离子背散射
48、离子 溅射原子、分子和原子团溅射原子、分子和原子团 n (中性、激发态或电离中性、激发态或电离)n 反弹溅射反弹溅射n留在固体内留在固体内 离子注入离子注入 反弹注入反弹注入第六十三页，本课件共有69页64第六十四页，本课件共有69页65硅的二次离子质谱硅的二次离子质谱第六十五页，本课件共有69页66溅射溅射n溅射溅射(Sputtering)现象现象：粒子获得离开表面的动量，且其：粒子获得离开表面的动量，且其能量大于体内结合能时产生二次发射，这种现象叫做溅射。能量大于体内结合能时产生二次发射，这种现象叫做溅射。n研究溅射的重要性研究溅射的重要性：nSIMS的分析对象是溅射产物正、负二次离子的分析对象是溅射产物正、负二次离子n溅射的多种用途溅射的多种用途：n在各种分析仪器中产生深度剖面在各种分析仪器中产生深度剖面n清洁表面清洁表面n减薄样品减薄样品n溅射镀膜溅射镀膜n真空获得真空获得(溅射离子泵溅射离子泵)第六十六页，本课件共有69页67深度剖面分析深度剖面分析q 边剥离边分析，通过溅射速率将时间转化为深度。可边剥离边分析，通过溅射速率将时间转化为深度。可同时检测几种元素。同时检测几种元素。q 绝对分辨与相对分辨绝对分辨与相对分辨第六十七页，本课件共有69页68本章完第六十八页，本课件共有69页感感谢谢大大家家观观看看第六十九页，本课件共有69页