无机材料测试技术11电子探针X射线显微分析

第十一章电子探针X射线显微分析•概述•显微分析特点•构造与工作原理•样品制备•分析方法一、概述•电子探针是电子探针X射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA(ElectronprobeX-raymicroanalyser)。•电子探针仪是一种微区成分分析仪器，它利用被聚焦成小于1m的高速电子束轰击样品表面，由X射线波谱仪或能谱仪检测从试样表面有限深度和侧向扩展的微区体积内产生的特征X射线的波长和强度，得到微区的定性或定量的化学成分。•电子探针分析的基本原理早在1913年就被Moseley发现，但直到1949年，法国的Castaing才用透射电镜（TEM）改装成一台电子探针样机。•1955年Castaing在法国物理学会的一次会议上，展出了电子探针的原形机，1956年由法国CAMECA公司制成商品，1958年第一台电子探针装进了国际镍公司的研究室中。•扫描型电子探针商品是1960年问世。70年代开始，电子探针和扫描电镜的功能组合为一体，同时应用电子计算机控制分析过程和进行数据处理。二、电子探针显微分析特点1.显微结构分析2.元素分析范围广3.定量分析准确度高4.不损坏试样、分析速度快5.微区离子迁移研究1.显微结构分析电子探针是利用0.5μm－1μm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X射线、二次电子、吸收电子、背散射电子及阴极荧光等信息来分析试样的微区内(μm范围内)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辨率（微区成分分析所能分析的最小区域）是几个立方μm范围，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微结构对应起来，是一种显微结构的分析。而一般化学分析、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性能关系进行研究。2.元素分析范围广电子探针所分析的元素范围一般从硼(B)——铀(Ｕ)，因为电子探针成份分析是利用元素的特征X射线，而氢和氦原子只有K层电子，不能产生特征X射线，所以无法进行电子探针成分分析。锂(Li)和铍(Be)虽然能产生X射线，但产生的特征X射线波长太长，通常无法进行检测，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Be元素。能谱仪的元素分析范围现在也和波谱相同，分析元素范围从铍(Be)——铀(Ｕ)3.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。电子探针的检测极限(能检测到的元素最低浓度)一般为（0.01－0.05）%，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，所以检测的绝对感量极限值约为10-14g，主元素定量分析的相对误差为(1—3)%，对原子序数大于11的元素，含量在10%以上的时，其相对误差通常小于2%。4.不损坏试样、分析速度快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析，对含10个元素以下的试样定性、定量分析，新型电子探针在30min左右可以完成，如果用EDS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，还可以自动聚焦分析。电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样分析后，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的稀有试样分析尤为重要。5.微区离子迁移研究多年来，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，已经取得了许多新的结果。三、电子探针仪的构造和工作原理1、电子探针分析的基本原理1）定性分析的基本原理2）定量分析的基本原理1）定性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X射线波长与强度，从而对试样中元素进行定性、定量分析。式中：ν为元素的特征X射线频率，Z为原子序数，K与σ均为常数，C为光速。当σ≈1时，λ与Z的关系式可写成:定性分析的基础是Moseley关系式:由式可知，组成试样的元素(对应的原子序数Z)与它产生的特征X射线波长(λ)有单值关系，即每一种元素都有一个特定波长的特征X射线与之相对应，它不随入射电子的能量而变化。如果用X射线波谱仪测量电子激发试样所产生的特征X射线波长的种类，即可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。能谱定性分析主要是根据不同元素之间的特征X射线能量不同，即E＝hν，h为普朗克常数，ν为特征X射频率，通过EDS检测试样中不同能量的特征X射线，即可进行元素的定性分析，EDS定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征X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，分析过程中如果谱峰相互重叠严重，可以用WDS和EDS联合分析，这样往往可以得到满意的结果。2）定量分析的基本原理试样中A元素的相对含量CA与该元素产生的特征X射线的强度IA(X射线计数)成正比:CA∝IA，如果在相同的电子探针分析条件下，同时测量试样和已知成份的标样中A元素的同名X射线(如Kα线)强度，经过修正计算，就可以得出试样中A元素的相对百分含量CA:式中：CA为某A元素的百分含量，K为常数，根据不同的修正方法，K可用不同的表达式表示，IA和I(A)分别为试样中和标样中A元素的特征X射线强度，同样方法可求出试样中其它元素的百分含量。2、电子探针的仪器构造1）电子光学系统2）X射线谱仪系统3）试样室4）电子计算机5）扫描显示系统6）真空系统1）电子光学系统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径，产生一个稳定的X射线激发源。（a）电子枪电子枪是由阴极（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(探针)。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10μm～100μm交叉点（Crossover)，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1μm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，加速电压可变范围一般为1kV～30kV。（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，会聚透镜一般分两级，是把电子枪形成的10μm－100μm的交叉点缩小1－100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，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。2）X射线谱仪X射线谱仪的性能，直接影响到元素分析的灵敏度和分辨本领，它的作用是测量电子与试样相互作用产生的X射线波长和强度。谱仪分为二类:一类是波长色散谱仪(WDS)，一类是能量色散谱仪(EDS)。众所周知，X射线是一种电磁辐射，具有波粒二象性，因此可以用二种方式对它进行描述。如果把它视为连续的电磁波，那么特征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的特征X射线波长，如果不同X射线入射到晶体上，就会产生衍射，根据Bragg公式：可以选用已知面间距d的合适晶体分光，只要测出不同特征射线所产生的衍射角2θ，就可以求出其波长λ，再根据公式就可以知道所分析的元素种类，特征X射线的强度是从波谱仪的探测器(正比计数管)测得。根据以上原理制成的谱仪称为波长色散谱仪(WDS)。（a）波长色散谱仪•旋转式波谱仪：结构简单，但有三个缺点：a)其出射角φ是变化的，若φ2＜φ1，则出射角为φ2的x射线穿透路程比较长，其强度就低，计算时须增加修正系数，比较麻烦；b)X射线出射线出射窗口要设计得很大；c)出射角φ越小，X射线接受效率越低。•直进式波谱仪旋转式：特点是X射线出射角φ固定不变，弥补了旋转式波谱仪的缺点。因此，虽然在结构上比较复杂，但它是目前最常用的一种谱仪。如图4-77所示，弯晶在某一方向上作直线运动并转动，探测器也随着运动。聚焦圆半径不变，圆心在以光源为中心的圆周上运动，光源、弯晶和接收狭缝也都始终落在聚焦圆的圆周上。不同波长的X射线要用不同面间距的晶体进行分光，日本电子公司的电子探针通常使用的四种晶体面间距及波长检测范围见表分光晶体及波长范围表中STE[Pb(C18H35O2)2]为硬脂酸铅，TAP(C8H5O4TI)为邻苯二甲酸氢铊，PET(C5H12O4)为异戊四醇，LiF为氟化锂晶体。（b）能量色散谱仪如果把X射线看成由一些不连续的光子组成，光子的能量为E＝ｈν，ｈ为普朗克常数，ν为光子振动频率。不同元素发出的特征X射线具有不同频率，即具有不同能量，当不同能量的X射线光子进入锂漂移硅[Si(Li)]探测器后，在Si(Li)晶体内将产生电子－空穴对，在低温（如液氮冷却探测器）条件下，产生一个电子－空穴对平均消耗能量ε为3.8eV。能量为E的X射线光子进入Si(Li)晶体激发的电子－空穴对N＝E/ε，入射光子的能量不同，所激发出的电子－空穴对数目也不同，例如，MnKα能量为5.895keV,形成的电子－空穴对为1550个。能谱仪结构框图探测器输出的电压脉冲高度，由电子－空穴对的数目N决定，由于电压脉冲信号非常小，为了降低噪音，探测器用液氮冷却，然后用前置放大器对信号放大，放大后的信号进入多道脉冲高度分析器，把不同能量的X射线光子分开来，并在输出设备（如显像管）上显示出脉冲数—脉冲高度曲线，纵坐标是脉冲数，即入射X射线光子数，与所分析元素含量有关，横坐标为脉冲高度，与元素种类有关，这样就可以测出X射线光子的能量和强度，从而得出所分析元素的种类和含量，这种谱仪称能量色散谱仪(EDS)，简称能谱仪。(c)能谱分析和波谱分析特点能谱仪70年代问世以来，发展速度很快，现在分辨率已达到130eV左右，以前Be窗口能谱仪分析元素范围从11Na－92U，现在用新型有机膜超薄窗口，分析元素可从4Be－92U。元素定性、定量分析软件也有很大改善，中等原子序数的元素定量分析准确度已接近波谱。近年来能谱仪的图象处理和图象分析功能发展很快。探测器的性能也有提高，能谱使用时加液氮，不使用时不加液氮。有的能谱探测器用电制冷方法冷却，使探头维护更方便。能谱有许多优点，例如，元素分析时能谱是同时测量所有元素，而波谱要一个一个元素测量，所以分析速度远比波谱快。能谱探头紧靠试样，使X射线收集效率提高，这有利于试样表面光洁度不好及粉体试样的元素定性、定量分析。另外，能谱分析时所需探针电流小，对电子束照射后易损伤的试样，例如生物试样、快离子导体试样等损伤小。但能谱也有缺点，如分辨率差，谱峰重叠严重，定量分析结果一般不如波谱等。(下表为能谱和波谱主要性能的比较)现在大部分扫描电镜、电子探针及透射电镜都配能谱仪，使成分分析更方便。比较内容WDSEDS元素分析范围4Be－92U4Be－92U定量分析速度慢快分辨率高（≈5eV）低（130eV）检测极限10-2(%)10-1(%)定量分析准确度高低X射线收集效率低高峰背比（WDS/EDS）101能谱和波谱主要性能的比较CaK3.试样室用于安装、交换和移动试样。试样可以沿X、Y、Z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，准确度优于1μm，对表面不平的大试样进行元素面分析时，Z轴方向可以自动聚焦。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样(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光的试样（如ZrO2），能观察入射到试样上的电子束直径大小。（4）电子计算机(略）（5）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（CRT）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、背散射电子及X射线等信号，经过探测器及信号处理系统后，送到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，现在都是数字图像，数字图像可以进行图像处理和图像分析。（6）真空系统真空系统是保证电子枪和试样室有较高的