电子探针

电子探针原理及应用地质11-9杨晓曦陈晓青赵佳慧齐磊何衍鑫1、仪器简介•电子探针是一种分析仪器，可以用来分析薄片中矿物微区的化学组成。该仪器将高度聚焦的电子束聚焦在矿物上，激发组成矿物元素的特征X射线。用分光器或检波器测定荧光X射线的波长，并将其强度与标准样品对比，或根据不同强度校正直接计数出组分含量。2、仪器结构2、仪器结构3、工作原理•电子探针有三种基本工作方式：•1、点分析用于选定点的全谱定性分析或定量分析，以及对其中所含元素进行定量分析•2、线分析用于显示元素沿选定直线方向上的浓度变化•3、面分析用于观察元素在选定微区内浓度分布4.2波谱仪3、工作原理•X射线常用两种聚焦原理：•约翰(Johann)型聚焦法(a)虚圆罗兰圆（Rowlandcircle）或聚焦圆。•全聚焦法（b）3、工作原理•分光晶体•分光晶体是专门用来对X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X射线谱仪中使用的分光晶体还必须能弯曲成一定的弧度、在真空中不发生变化等。•各种晶体能色散的X射线波长范围，取决于衍射晶面间距d和布拉格角的可变范围，对波长大于2d的X射线则不能进行色散。3、工作原理•谱仪的角有一定变动范围，如15°-65°；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X射线和适用于一定原子序数范围的元素分析。•目前，电子探针仪能分析的元素范围是原子序数为4的铍（Be）到原子序数为92的铀（U）。其中小于氟（F）的元素称为轻元素，它们的X射线波长范围大约在18-113Å。4、能谱仪和波谱仪•在电子探针或扫描电子显微镜中进行微区分析可以采用两种方法：波谱分析或能谱分析。波谱分析发展较早，但近年来没有太大的进展；能谱分析虽然只有将近20年的历史，但发展迅速，成为微区分析的主要手段。4.1能谱仪•能谱仪全称为能量分散谱仪(EDS).•目前最常用的是Si(Li)X射线能谱仪,其关键部件是Si(Li)检测器,即锂漂移硅固态检测器,它实际上是一个以Li为施主杂质的n-i-p型二极管.4.1能谱仪•能谱仪使用锂漂移硅Si(Li)探测器，结构如图。•可以得到以通道（能量）为横坐标、通道计数（强度）为纵坐标的X射线能量色散谱，并显示于显像管荧光屏上。下图为NaCl的扫描形貌像及其能量色散谱。4.1能谱仪•能谱仪的优点:•(1)分析速度快•(2)灵敏度高•(3)谱线重复性好.•能谱仪的缺点:•(1)能量分辨率低,峰背比低.•(2)工作条件要求严格4.2波谱仪•波谱仪全称为波长分散谱仪(WDS).•在电子探针中,X射线是由样品表面以下m数量级的作用体积中激发出来的,如果这个体积中的样品是由多种元素组成,则可激发出各个相应元素的特征X射线.•被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光(色散),即不同波长的X射线将在各自满足布拉格方程的方向上被(与分光晶体以2:1的角速度同步转动的)检测器接收.4.2波谱仪•在电子探针中，一般点光源S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直进式波谱仪等。•回转式波谱仪•聚焦圆的中心O固定，分光晶体和检测器在圆周上以1：2的角速度运动来满足布拉格衍射条件。•这种谱仪结构简单，但由于分光晶体转动而使X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X射线在样品内行进的路线不同，往往会造成分析上的误差。4.2波谱仪4.2波谱仪•直进式谱仪•直进式谱仪的特点:分光晶体从点光源S向外沿着一直线运动，X射线出射角不变，晶体通过自转改变角。聚焦圆的中心O在以S为中心，R为半径的圆周上运动。•结构复杂，但X射线照射晶体的方向固定，使X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。•横坐标代表波长，纵坐标代表强度。谱线上有许多强度峰，每个峰在坐标上的位置代表相应元素特征X射线的波长，峰的高度代表这种元素的含量。在进行定点分析时，只要把图13－4中的距离L从最小便道最大，就可以在某些特定位置测到特征波长的信号，经处理后可在荧光屏或X-Y记录仪上把谱线描绘出来。•4.2波谱仪4.2波谱仪•波谱仪的特点:•波谱仪的突出优点是波长分辨率很高.如它可将波长十分接近的VK(0.228434nm),CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根谱线清晰地分开.•波谱仪的两个缺点•（1）:X射线信号的利用率极低•(2):难以在低束流和低激发强度下使用4.3能谱仪与波谱仪的比较操作特性波谱仪（WDS）能谱仪（EDS）分析方式用几块分光晶体顺序进行分析用Si(Li)EDS进行多元素同时分析分析元素范围Z≥4Z≥11(铍窗)Z≥6(无窗)分辨率与分光晶体有关，~5eV与能量有关，145~150eV(5.9keV)几何收集效率改变，0.2%2%4.3能谱仪与波谱仪的比较量子效率改变，30%~100%(2.5~15keV)瞬时接收范围谱仪能分辨的范围全部有用能量范围最大记数速率~50000cps(在一条谱线上)与分辨率有关，使在全谱范围内得到最佳分辨时，2000cps分析精度(浓度10%，Z10)1~5%5%4.3能谱仪与波谱仪的比较对表面要求平整，光滑较粗糙表面也适用典型数据收集时间10min2~3min谱失真少主要包括：逃逸峰、峰重叠、脉冲堆积、电子束散射、铍窗吸收效应等最小束斑直径~200nm~5nm探测极限0.01~0.1%0.1~0.5%对试样损伤大小5、电子探针应用•（1）定点定性分析•定点定性分析是对试样某一选定点（区域）进行定性成分分析，以确定该点区域内存在的元素。•其原理如下：用光学显微镜或在荧光屏显示的图像上选定需要分析的点，使聚焦电子束照射在该点上，激发试样元素的特征X射线。•用谱仪探测并显示X射线谱。根据谱线峰值位置的波长或能量确定分析点区域的试样中存在的元素。5、电子探针应用5、电子探针应用•定性分析与定量分析相比，虽然比较简单、直观，但也必须遵循一定的分析方法，能使分析结果正确可靠。•一般来说，对于试样中的主要元素（例如含量＞10％）的鉴别是容易做到正确可靠的；但对于试样中次要元素（例如含量在0.5-10％）或微量元素（例如含量＜0.5％）的鉴别则必须注意谱的干扰、失真、谱线多重性等问题，否则会产生错误。5、电子探针应用•(2)线扫描分折•使聚焦电子束在试样观察区内沿一选定直线（穿越粒子或界面）进行慢扫描，X射线谱仪处于探测某一元素特征X射线状态。•显像管射线束的横向扫描与电子束在试样上的扫描同步，用谱仪探测到的X射线信号强度（计数率）调制显像管射线束的纵向位置就可以得到反映该元素含量变化的特征X射线强度沿试样扫描线的分布。5、电子探针应用•通常将电子束扫描线，特征X射线强度分布曲线重叠于二次电子图象之上可以更加直观地表明元素含量分布与形貌、结构之间的关系5、电子探针应用CaPTi5、电子探针应用•(3)面扫描分析•在一幅X射线扫描像中，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。