《材料分析测试技术》课程试卷答案

1/5一、选择题：（8分/每题1分）1..当X射线将某物质原子的K层电子打出去后，L层电子回迁K层，多余能量将另一个L层电子打出核外，这整个过程将产生（D）。A.光电子；B.二次荧光；C.俄歇电子；D.（A+C）2.有一体心立方晶体的晶格常数是0.286nm，用铁靶Kα（λKα=0.194nm）照射该晶体能产生（B）衍射线。A.三条；B.四条；C.五条；D.六条。3..最常用的X射线衍射方法是（B）。A.劳厄法；B.粉末多晶法；C.周转晶体法；D.德拜法。4..测定钢中的奥氏体含量，若采用定量X射线物相分析，常用方法是（C）。A.外标法；B.内标法；C.直接比较法；D.K值法。5.可以提高TEM的衬度的光栏是（B）。A.第二聚光镜光栏；B.物镜光栏；C.选区光栏；D.其它光栏。6.如果单晶体衍射花样是正六边形，那么晶体结构是（D）。A.六方结构；B.立方结构；C.四方结构；D.A或B。7..将某一衍射斑点移到荧光屏中心并用物镜光栏套住该衍射斑点成像，这是（C）。A.明场像；B.暗场像；C.中心暗场像；D.弱束暗场像。8.仅仅反映固体样品表面形貌信息的物理信号是（B）。A.背散射电子；B.二次电子；C.吸收电子；D.透射电子。一、判断题：（8分/每题1分）1.产生特征X射线的前提是原子内层电子被打出核外，原子处于激发状态。（√）2.倒易矢量能唯一地代表对应的正空间晶面。（√）3.大直径德拜相机可以提高衍射线接受分辨率，缩短暴光时间。（×）4.X射线物相定性分析可以告诉我们被测材料中有哪些物相，而定量分析可以告诉我们这些物相的含量有什么成分。（×）5.有效放大倍数与仪器可以达到的放大倍数不同，前者取决于仪器分辨率和人眼分辨率，后者仅仅是仪器的制造水平。（√）6.电子衍射和X射线衍射一样必须严格符合布拉格方程。（×）7.实际电镜样品的厚度很小时，能近似满足衍衬运动学理论的条件,这时运动学理论能很好地解释衬度像。（√）8.扫描电子显微镜的衬度和透射电镜一样取决于质厚衬度和衍射衬度。（×）二、填空题：（14分/每2空1分）1.电子衍射产生的复杂衍射花样是高阶劳厄斑、超结构斑点、二次衍射、孪晶斑点和菊池花样。2.当X射线管电压低于临界电压仅可以产生连续谱X射线；当X射线管电压超过临界电压就可以产生连续谱X射线和特征谱X射线。3.结构振幅用F表示，结构因素用2F表示，结构因素=0时没有衍射我们称结构消光或系统消光。对于有序固溶体，原本消光的地方会出现弱衍射。4.电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。5.衍射仪的核心是测角仪圆，它由辐射源、试样台和探测器共同组成测角仪。6.X射线测定应力常用仪器有应力仪和衍射仪，常用方法有Sin2Ψ法和0º-45º法。7.运动学理论的两个基本假设是双束近似和柱体近似。2/58.电子探针包括波谱仪和能谱仪两种仪器。三、名词解释：（10分/每题2分）1.形状因子——由于晶体形状引起的衍射强度分布变化，又称干涉函数。2.聚焦圆——试样对入射X射线产生衍射后能聚焦到探测器上，此时辐射源、试样和探测器三者位于同一个圆周上，这个圆称之聚焦圆。3.景深与焦长——在成一幅清晰像的前提下，像平面不变，景物沿光轴前后移动的距离称“景深”；景物不动，像平面沿光轴前后移动的距离称“焦长”。4.应变场衬度——由于应变导致样品下表面衍射波振幅与强度改变，产生的衬度称应变场衬度；衬度范围对应应变场大小。5.背散射电子——入射电子被样品原子散射回来的部分；它包括弹性散射和非弹性散射部分；背散射电子的作用深度大，产额大小取决于样品原子种类和样品形状。四、问答题：（36分/每题9分）1.X射线学有几个分支？每个分支的研究对象是什么？答：X射线学有三个分支：X射线透射学，X射线衍射学，X射线光谱学。X射线透射学研究X射线透过物质后的强度衰减规律，由此可以研究探测物体内部形貌与缺陷；X射线衍射学研究晶体对X射线的衍射规律，由此可以通过X射线衍射研究晶体结构与进行物相分析等；X射线光谱学研究特征X射线与物质元素的关系，由此可以根据特征X射线分析样品组成。2.图题为某样品德拜相（示意图），摄照时未经滤波。巳知1、2为同一晶面衍射线，3、4为另一晶面衍射线．试对此现象作出解释．答：根据衍射图发现每个晶面都有两条衍射线，说明入射线存在两个波长。由于没有采用滤波装置，那么很可能是Kα、Kβ共同衍射的结果。3.分别说明成像操作与衍射操作时各级透镜（像平面与物平面）之间的相对位置关系，并画出光路图。答：成像操作时中间镜是以物镜的像作为物成像，然后由投影镜进一步放大投到荧光屏上，即中间镜的物平面与物镜的像平面重合；衍射操作是以物镜的背焦点作为物成像，然后由投影镜进一步放大投到荧光屏上，即中间镜的物平面与物镜的背焦面重合。入图所示：3/54.电子束和固体样品作用时会产生哪些信号？它们各具有什么特点？答：①背散射电子。背散射电于是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。背散射电子的产生范围深，由于背散射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。②二次电子。二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。二次电子来自表面50-500Å的区域，能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。③吸收电子。入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子产生），最后被样品吸收。若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表，就可以测得样品对地的信号。若把吸收电子信号作为调制图像的信号，则其衬度与二次电子像和背散射电子像的反差是互补的。④透射电子。如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，那么就会有相当数量的入射电子能够穿过薄样品而成为透射电子。样品下方检测到的透射电子信号中，除了有能量与入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子。其中有些待征能量损失E的非弹性散射电子和分析区域的成分有关，因此，可以用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。⑤特征X射线。特征X射线是原子的内层电子受到激发以后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。如果用X射线探测器测到了样品微区中存在某一特征波长，就可以判定该微区中存在的相应元素。⑥俄歇电子。如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量E不以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原于层中发出的，这说明俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。4/5五、综合题：（24分/每题12分）8、成像系统的主要构成及其特点是什么？解：成像系统组要是由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微镜图像或电子衍射花样。1)．物镜是采用强激磁、短焦距的透镜（f=1~3mm），它的放大倍数较高，一般为100~300倍。2)．中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在0~20倍范围调节。当放大倍数大于1时，用来进一步放大物像；当放大倍数小于1时，用来缩小物镜像。3)．投影镜的作用是把中间镜放大（或缩小）的像（或电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强激磁透镜。投影镜的激磁电流是固定的，因为成像电子束进入投影镜时孔径角很小，因此它的景深和焦长都非常大。9、分别说明成像操作和衍射操作时各级透镜（像平面和物平面）之间的相对位置关系，并画出光路图。解：如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这是成像操作。如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这是电子衍射操作。图在课本P14410、透射电镜中有哪些主要光阑，在什么位置？其作用如何？解：在透射电镜中主要有三种光阑：聚光镜光阑、物镜光阑、选区光阑。聚光镜光阑装在第二聚光镜的下方，其作用是限制照明孔径角。物镜光阑安放在物镜的后焦面上，其作用是使物镜孔径角减小，能减小像差，得到质量较高的显微图像；在后焦面上套取衍射束的斑点成暗场像。选区光阑放在物镜的像平面位置，其作用时对样品进行微小区域分析，即选区衍射。19.电子束入射固体样品表面会激发哪些信号?它们有哪些特点和用途?答：电子束入射固体样品表面会激发出背散射电子，二次电子，吸收电子，透射电子，特征X射线，俄歇电子六种。（1）背散射电子是固体样品中的原子核反弹回来的部分入射电子，它来自样品表层几百纳米的深度范围。由于它的产额能随样品原子序数增大而增大，所以不仅能用做形貌分析，而且可以用来显示原子序数的衬度，定性地用做成分分析。（2）二次电子是在入射电子束作用下被轰击出来离开样品表面的核外电子。它来自表层5~10nm的深度范围内，它对样品表面形貌十分敏感，能用来非常有效的显示样品的表面形貌。（3）吸收电子是非散射电子经多次弹性散射之后被样品吸收的部分，它能产生原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的微区成分分析。(4)透射电子是入射电子穿过薄样品的部分，它的信号由微区的厚度，成分和晶体结构来决定。可以利用特征能量损失电子配合电子能量分析器进行微区成分分析。（5）特征X射线由样品原子内层电子被入射电子激发或电离而成，可以用来判定微区存在的元素。（6）俄歇电子是由内层电子能级跃迁所释放的能量将空位层的外层电子发射出去而产生的，平均自由程很小，只有1nm左右，可以用做表面层成分分析。2、电磁透镜的像差是怎样产生的，如何来消除或减小像差？解：电磁透镜的像差可以分为两类：几何像差和色差。几何像差是因为投射磁场几何形状上的缺陷造成的，色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。几何像差主要指球差和像散。球差是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律造成的，像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的。消除或减小的方法：球差：减小孔径半角或缩小焦距均可减小球差，尤其小孔径半角可使球差明显减小。像散：引入一个强度和方向都可以调节的矫正磁场即消像散器予以补偿。色差：采用稳定加速电压的方法有效地较小色差。3、说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素是什么？如何提高电磁透镜的分辨率？解：光学显微镜的分辨本领取决于照明光源的波长。5/5电磁透镜的分辨率由衍射效应和球面像差来决定，球差是限制电磁透镜分辨本领的主要因素。若只考虑衍射效应，在照明光源和介质一定的条件下，孔径角α越大，透镜的分辨本领越高。若同时考虑衍射和球差对分辨率的影响，关键在确定电磁透镜的最佳孔径半角，使衍射效应斑和球差散焦斑的尺寸大小相等。4、电子波有何特征？与可见光有何异同？解：电子波的波长较短，轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦。其波长取决于电子运动的速度和质量，电子波的波长要比可见光小5个数量级。6、透射电镜主要由几大系统构成？各系统之间关系如何？解：透射电镜由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。电子光学系统通常称镜筒，是透射电子显微镜的核心，它的光路原理与透射光学显微镜十分相似。它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。7、照明系统的作用是什么？它应满足什么要求？解：照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。其作用是提供一束高亮度、