1、中国地质大学中国地质大学( (武汉武汉) )材化材化学院学院The Faculty of Material Science & Chemistry ,China University of Geosciences2第2章 电子束与物质作用产生的信号第3章 电子显微镜的结构及工作原理 第4章 扫描电子显微镜的操作与应用主要内容第1章 电子光学基础3第第2 2章章 电子束与物质作用产生的信号电子束与物质作用产生的信号2.12.1 二次电子二次电子 2.22.2 背散射电子背散射电子 2.32.3 透射电子透射电子 2.4 2.4 吸收电子吸收电子 2.52.5 特征特征X X射线射线 2.6 2.
2、6 俄歇电子俄歇电子 2.7 2.7 阴极荧光阴极荧光4高速运动的电子束轰击样品表面，电子与元高速运动的电子束轰击样品表面，电子与元素的原子核及外层电子发生单次或多次弹性与非素的原子核及外层电子发生单次或多次弹性与非弹性碰撞，有一些电子被反射出样品的表面，其弹性碰撞，有一些电子被反射出样品的表面，其余的渗入样品中，逐渐失去其动能，最后被阻止，余的渗入样品中，逐渐失去其动能，最后被阻止，并被样品吸收。并被样品吸收。在此过程中有在此过程中有99以上以上的入射电子能量转变的入射电子能量转变成热能，只有约成热能，只有约1的入射电子能量从样品中激发的入射电子能量从样品中激发出各种信号。出各种信号。56
3、只有了解上述物理信息的产生原理及所只有了解上述物理信息的产生原理及所代表的含义，才能设法检测它们、利用它代表的含义，才能设法检测它们、利用它们。们。l 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 (SEM)(SEM)l 透射电子显微镜透射电子显微镜 (TEM)(TEM)l 电子探针电子探针 (EPMA)(EPMA) 分别侧重于对上述某一方面或几方面的分别侧重于对上述某一方面或几方面的信息进行测量分析的。信息进行测量分析的。72.1 2.1 二次电子及其成像二次电子及其成像钛酸铋钠粉体的六面体形貌钛酸铋钠粉体的六面体形貌 2000020000绿泥石绿泥石2.1.1 2.1.1 二次电子的产生原理二次电子的产生
4、原理u 二次电子是指被入射电子轰击出来的样品中二次电子是指被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子原子的核外电子。u由于原子核外层价电子间的结合能很小，由于原子核外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，即可脱离原子核变成应的结合能的能量后，即可脱离原子核变成自由电子。自由电子。8u那些能量大于那些能量大于材料逸出功材料逸出功的自由电子可从样的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电二次电子子。910（1）二次电子发生在材料表面二次电子发生在材料表面5-10nm的
5、的区域，能量为区域，能量为0-50eV，大部分为，大部分为23eV。 因为只有在这个深度范围，由于入射电因为只有在这个深度范围，由于入射电子激发而产生的自由电子，才具有足够的子激发而产生的自由电子，才具有足够的能量，克服材料表面的势垒，从样品中发能量，克服材料表面的势垒，从样品中发射出来，成为二次电子。射出来，成为二次电子。2.1.2 2.1.2 二次电子的特点二次电子的特点 （2 2） 二次电子产额：二次电子产额：二次电子产额与以下三个因素有关：二次电子产额与以下三个因素有关：a a、样品的成分、样品的成分不同元素发射二次电子的能力不同，不过这个不同元素发射二次电子的能力不同，不过这个差别较
6、小。差别较小。11 b b、入射电子的能量与加速电压、入射电子的能量与加速电压12所以，二次电子发射率的最高值出现在入射电子特定能所以，二次电子发射率的最高值出现在入射电子特定能量的电压上。量的电压上。13 c、入射电子束与试样表面法线之间的夹角、入射电子束与试样表面法线之间的夹角入射电子束与试样表面法线之间的夹角满足以下关系：入射电子束与试样表面法线之间的夹角满足以下关系： k/cos ：二次电子产额；：二次电子产额； k ：比例常数：比例常数 ：电子束与试样表面法线之间的夹角：电子束与试样表面法线之间的夹角可见，入射电子束与试样法线之间的夹角越大，可见，入射电子束与试样法线之间的夹角越大，
7、二次电子产额也越大。二次电子产额也越大。14Why?15产生上述规律的原因：产生上述规律的原因：I.I.随着随着角的增加角的增加, ,入射电子束在样品表层范围入射电子束在样品表层范围内运动的总轨迹增长，引起价电子电离的机会内运动的总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多，产生二次电子数量就增加；增多，产生二次电子数量就增加；10nms1s2s3= 0= 30= 60S=d/cos ，s1s2s3dII.II. 随着随着角增大，入射电子束作用体积更靠近表面角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的机会增多，从而二次电子的产
8、额增大。机会增多，从而二次电子的产额增大。1617形貌衬度原理形貌衬度原理由于试样表由于试样表面凹凸不平，面凹凸不平，各点所产生的各点所产生的二次电子数量二次电子数量不等，这样就不等，这样就可形成试样外可形成试样外貌的二次电子貌的二次电子像。像。衬度衬度: :指像面上相邻部分间的黑白对比度或颜色差18在扫描电镜中，二次电子检测器一般在扫描电镜中，二次电子检测器一般是装在入射电子束轴线垂直的方向上。是装在入射电子束轴线垂直的方向上。小颗粒小颗粒尖端尖端侧面侧面凹槽凹槽实际样品中二次电子的激发过程示意图19通过一定的方式控制电子束，在样品表面的通过一定的方式控制电子束，在样品表面的一个微小区域，逐
9、点轰击样品，二次电子接收器一个微小区域，逐点轰击样品，二次电子接收器（探测器）也相应地逐点收集。（探测器）也相应地逐点收集。 把以上收集到的把以上收集到的信号转化成图像的方式，即得到二次电子像信号转化成图像的方式，即得到二次电子像形貌像形貌像。收集到信号多时，形貌像上表现为亮度。收集到信号多时，形貌像上表现为亮度大，否则为阴影。大，否则为阴影。203 3、二次电子检测原理、二次电子检测原理4 4、二次电子像举例、二次电子像举例21硅-碳-氮纳米材料陶瓷沿晶断裂22珍珠 祖母绿高岭石埃洛石235 5、二次电子像的优点：、二次电子像的优点：（1 1） 分辨率高，最高可达分辨率高，最高可达1010；
10、（2 2） 放大倍数灵活，几十到放大倍数灵活，几十到100100万倍可调；万倍可调；（3 3） 景深大，是光学显微镜的几百倍，所以立体感强；景深大，是光学显微镜的几百倍，所以立体感强； （4 4） 反差对比度好，图象细节清楚；反差对比度好，图象细节清楚；（5 5） 可以与成分分布状态结合观察，综合分析。可以与成分分布状态结合观察，综合分析。24 背散射电子：电子束轰击样品表面时，被样品弹射回来的方向不固定的一部分入射电子。 弹性背散射电子：被原子核反弹回来的，散射角大于90度的入射电子，其能量基本无变化（数千到数万eV）。 非弹性背散射电子：入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射，不仅能量变化
11、，而且方向也发生变化。能量范围很宽，从数十eV到数千eV。2.2 2.2 背散射电子背散射电子252.2.1 2.2.1 背散射电子的特点背散射电子的特点 从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多。散射电子所占的份额多。产生范围产生范围:100nm-1:100nm-1 mm深度。深度。 能量：能量损失较小，其能量大多与入射电能量：能量损失较小，其能量大多与入射电子能量相当，在几十子能量相当，在几十几千几千eVeV。 26 二次电子与背散射电子能量比较二次电子与背散射电子能量比较27背散射电子产额Z40Z20Z20后，其信号强度后，其信号强
12、度随随Z Z变化很小。变化很小。 背散射电子与二次电子产背散射电子与二次电子产额随院子序数变化的比较。额随院子序数变化的比较。背散射电子的发射主要取决于样品中元素背散射电子的发射主要取决于样品中元素的原子序数及样品表面入射角的大小。的原子序数及样品表面入射角的大小。29背射电子的产额随样品的原子序数增大而背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，所以背散射电子信号的强度与增加，所以背散射电子信号的强度与样品的化样品的化学组成学组成有关，即与组成样品的各元素有关，即与组成样品的各元素平均原子平均原子序数序数有关。有关。iiizcZ4332ZI背散射电子的信号强度背散射电子的信号强度I I与原子序
13、数与原子序数Z Z的关系为的关系为: :式中式中Z Z为原子序数，为原子序数，C C为百分含量为百分含量(Wt%)(Wt%)。30SiOSiO2 2和和SnOSnO2 2，前者的平均原子序数，前者的平均原子序数为为15.315.3，后者的为，后者的为27.327.3，因此后者的背散，因此后者的背散射强度明显大于前者。射强度明显大于前者。 Example 因此不同的物质相也具有不同的背散射能力，因此不同的物质相也具有不同的背散射能力，用背散射电子的测量亦可以大致的确定材料中用背散射电子的测量亦可以大致的确定材料中物质相态的差别物质相态的差别。 背散射电子像亦称为成分像。背散射电子像亦称为成分像。
14、2.2.2 2.2.2 背散射电子成像原理背散射电子成像原理( (原子序数衬度原理）原子序数衬度原理）样品表面上平均原子序数大的部位产生较强的样品表面上平均原子序数大的部位产生较强的背散射电子信号，形成较亮的区域；而平均原子序背散射电子信号，形成较亮的区域；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数原子序数衬度衬度。3132 另外,背散射电子也可以用来显示形貌衬度,但是用背散射信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子低。 背散射电子能量较高，以直线轨迹逸出样
15、品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背散射电子，而掩盖了许多有用的细节;所以背散射电子像也被称为有影像; 背散射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。 背散射电子成像背散射电子成像分辨率一般为分辨率一般为50-200nm50-200nm。332.2.3 2.2.3 背散射电子像背散射电子像An image of a (Cu,Al) alloy formed using backscattered electron imaging. The light area is Cu and the dark area is Al.34ZrO2-A
16、l2O3-SiO2系耐火材料的背系耐火材料的背散射电子成分像，散射电子成分像，1000ZrO2-Al2O3-SiO2系系耐火材料的背散射耐火材料的背散射电子像。由于电子像。由于ZrO2相平均原子序数远相平均原子序数远高于高于Al2O3相和相和SiO2 相，所以图中白色相，所以图中白色相为斜锆石，小的相为斜锆石，小的白色粒状斜锆石与白色粒状斜锆石与灰色莫来石混合区灰色莫来石混合区为莫来石斜锆石为莫来石斜锆石共析体，基体灰色共析体，基体灰色相为莫来石。相为莫来石。35背散射电子像的特征背散射电子像的特征a) 背散射电子像反映在区域内原子序数的相对大小背散射电子像反映在区域内原子序数的相对大小图像相
17、当于成分的反映，因此也叫成分像。图像相当于成分的反映，因此也叫成分像。b)背散射电子对样品的表面形貌也有反映，但不能和二背散射电子对样品的表面形貌也有反映，但不能和二次电子像比拟。因此一般只用背散射电子像反映物质次电子像比拟。因此一般只用背散射电子像反映物质的成分信息。的成分信息。c) 样品的要求：一般样品要经过抛光打磨，使表面平整，样品的要求：一般样品要经过抛光打磨，使表面平整，这样反映的成分信息更充分。这样反映的成分信息更充分。d)背散射电子像一般与二次电子像以及背散射电子像一般与二次电子像以及X射线成分分析联射线成分分析联合使用。合使用。36二次电子像、背散射电子像与原子序数二次电子像、
18、背散射电子像与原子序数Z Z的关系的关系SEI BEISrTiO3+MgOSrTiO3+MgO复相陶瓷的二次电子像和背散射电子像复相陶瓷的二次电子像和背散射电子像SEI:SEI:试样表面起伏清晰试样表面起伏清晰BEIBEI：起伏模糊，但亮度变化大：起伏模糊，但亮度变化大372.3.1 2.3.1 透射电子的产生透射电子的产生当电子束照射到薄试样上，如果样品厚度要当电子束照射到薄试样上，如果样品厚度要比入射电子的有效穿透深度薄很多（如薄膜样品），比入射电子的有效穿透深度薄很多（如薄膜样品），这时就会有一部分入射电子穿透样品，这部分入射这时就会有一部分入射电子穿透样品，这部分入射电子就称为透射电子
19、。电子就称为透射电子。2.3 2.3 透射电子透射电子382.3.2 2.3.2 透射电子的特点透射电子的特点 1 1、电子的穿透能力与加速电压有关，加速电、电子的穿透能力与加速电压有关，加速电压高，则入射电子能量高，穿透能力强，在相同压高，则入射电子能量高，穿透能力强，在相同条件下透射电子数量多。条件下透射电子数量多。 2 2、透射电子数目：与样品厚度成反比、透射电子数目：与样品厚度成反比 与原子序数成正比与原子序数成正比 392.3.3 2.3.3 透射电子的用途透射电子的用途 1 1、微区结构分析微区结构分析 2 2、可观察形貌、可观察形貌 3 3、微区成分分析；、微区成分分析；40 用
20、透射电子拍摄的二次电子像二次电子像a)珠光体组织 b) 准解理断口 c)断口萃取复型 透射电子图像41 用透射电子拍摄的二次电子像二次电子像。可观察晶体生长的细节42 用透射电子拍摄的晶格条纹像晶格条纹像。可观察到晶体中晶体结构单元(层)的厚度及排列。43电子衍射花样电子衍射花样 （单晶体：立方氧化锆）（单晶体：立方氧化锆）44 电子衍射花样电子衍射花样 （多晶体：（多晶体：AuAu多晶）多晶）45电子衍射花样电子衍射花样 （非晶相）（非晶相）46 入射电子进入样品后，经过多次非弹性散射，入射电子进入样品后，经过多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品足够厚，无透射电子），能量损失殆尽（假定样品
21、足够厚，无透射电子），最后被样品吸收。若在样品和地之间接一个高灵敏最后被样品吸收。若在样品和地之间接一个高灵敏度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信号即由吸收电子提供。号即由吸收电子提供。2.4 2.4 吸收电子吸收电子47吸收电子的产额与背散射电子相反，样品的原子序数越小，背散射电子越少,吸收电子越多;反之样品的原子序数越大，则背散射电子越多，吸收电子越少。入射电子激发固体样品产入射电子激发固体样品产生的四种电子信号强度生的四种电子信号强度与入射电子强度之间的与入射电子强度之间的关系关系ib+is+i+it=i0ib背散射电子信号背散射电子信
22、号is二次电子信号二次电子信号i吸收电子信号强度吸收电子信号强度it透射电子信号强度透射电子信号强度48两边除以两边除以i0，改写成，改写成 1 ib/i0，叫做背散射系数，叫做背散射系数 is/i0，叫做二次电子产，叫做二次电子产额（或发射）系数额（或发射）系数 i/i0，叫做吸收系数；，叫做吸收系数； it/i0，叫做透射系数。，叫做透射系数。49铜样品铜样品、及及系数与系数与t之间关系之间关系（入射电子能量（入射电子能量E0=10keV）50当样品厚度足够大时，透射电子电流为当样品厚度足够大时，透射电子电流为零，即零，即it=0，这时，这时 i0 = ib+is+i。 则吸收电子电流为：
23、则吸收电子电流为：i=i0（ib+is）。若逸出表面的背散射电子和二次电子数若逸出表面的背散射电子和二次电子数量越少，则吸收电子信号强度越大。量越少，则吸收电子信号强度越大。若把吸收电子信号调制成图像，若把吸收电子信号调制成图像，则它的则它的衬度恰好和二次电子或背散射电子信号调衬度恰好和二次电子或背散射电子信号调制的图像衬度相反。制的图像衬度相反。 51由于二次电子与原子序数基本无关，因此，由于二次电子与原子序数基本无关，因此，产生背散射电子较多的部位（原子序数大）其产生背散射电子较多的部位（原子序数大）其吸收电子数量就少，反之亦然。吸收电子数量就少，反之亦然。因此，吸收电子能产生原子序数衬度
24、，同因此，吸收电子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。样也可以用来进行定性的微区成分分析。吸收电子的检测是以样品本身为检测器，用吸收电子的检测是以样品本身为检测器，用高增益的吸收电流放大器，将吸收电流放大，并高增益的吸收电流放大器，将吸收电流放大，并调试显像管的亮度，便得到吸收电子像。调试显像管的亮度，便得到吸收电子像。吸收电吸收电子像与背散射电子像成反像子像与背散射电子像成反像. .吸收电子像分辨率低，约为吸收电子像分辨率低，约为0.1-10.1-1 mm。5253吸收电子图像吸收电子图像奥氏体铸铁的显微组织奥氏体铸铁的显微组织 (a)(a)背散射电子像背散射电子像 (
25、b)(b)吸收电子像吸收电子像 542.5.1 2.5.1 特征特征X X射线的产生及特点射线的产生及特点 特征特征X X射线是高能电子激发原子的内层电子，射线是高能电子激发原子的内层电子，使原子处于不稳定态，从而外层电子填补内层空位使原子处于不稳定态，从而外层电子填补内层空位使原子趋于稳定的状态，在跃迁的过程中，直接释使原子趋于稳定的状态，在跃迁的过程中，直接释放出具有特征能量和波长的一种电磁辐射，即特征放出具有特征能量和波长的一种电磁辐射，即特征X X射线。射线。2.5 2.5 特征特征X X射线射线 55特征特征X X射线的一般发射深度为射线的一般发射深度为0.5-0.5-5 5 mm范
26、围范围. . 由于各种元素的原子结构不同，跃迁由于各种元素的原子结构不同，跃迁方式各异，因而对方式各异，因而对不同元素不同元素电子跃迁所产生电子跃迁所产生的特征的特征X X射线射线能量（或波长）不同能量（或波长）不同。56=h= hc/ （莫塞莱定律）（莫塞莱定律）为特征为特征X射线的能量；射线的能量；为特征为特征X射线波长；射线波长； c为光速，为光速，K与与均为常数。均为常数。从以上公式可知：只要测出特征从以上公式可知：只要测出特征X X射线波长，或射线波长，或测出特征测出特征X X射线光子的能量，便可确定原子序数射线光子的能量，便可确定原子序数Z Z，即可确定特征即可确定特征X X射线发
27、射区所含的化学元素。射线发射区所含的化学元素。57公式原型公式原型221)(kZk对于对于K射线射线RRk43)2111(21k2=1RRk365)3121(221对于对于L射线射线k2=7.4R为里德伯格频率，为里德伯格频率，3.291015Hz =c/ c=3108m/s=1016/s如果能测定出如果能测定出X射射线的波长，则可确线的波长，则可确定原子序数定原子序数Z Z。58元素K1K1L14Be0.10811Na1.04126Fe6.4036.3900.70429Cu8.0478.9040.92835Br11.92313.2901.48055Cs30.97034.9844.28674W
28、59.31067.2338.39683Bi77.09787.33510.836几例不同元素的特征几例不同元素的特征X射线的能量射线的能量(keV)59普朗克常数h=6.62310-34JSBe的的K波长为波长为114.00JhcE16183410174. 000.11410310623. 6一般在一般在X射线能量表示时，用射线能量表示时，用eV或或keV表示。表示。1eV=1.60210-19JkeVeVE108. 010108. 010602. 110174. 031916c=3108m/s=1018/s波长能量公式可进一步简化为：波长能量公式可进一步简化为：)()(40.12keVhcE例
29、如例如CuK=1.541，E=8.047 keV CuK=1.392，E=8.908 keV如果能测定出如果能测定出X射线的能量，同样可以确定原子序数。射线的能量，同样可以确定原子序数。hcE X 射线 （X ray）的能量）的能量60元素K1K1L14Be0.10811Na1.04126Fe6.4036.3900.70429Cu8.0478.9040.92835Br11.92313.2901.48055Cs30.97034.9844.28674W59.31067.2338.39683Bi77.09787.33510.836几例不同元素的特征几例不同元素的特征X射线的能量射线的能量(keV)6
30、12.5.2 2.5.2 特征特征X X射线的检测射线的检测波长色散法波长色散法：测定特征：测定特征X X射线波长，进行成分射线波长，进行成分分析。分析。波长色散谱仪波长色散谱仪（WDS)WDS)能量色散法能量色散法：测定特征：测定特征X X射线能量进行成分分射线能量进行成分分析。析。能量色散谱仪能量色散谱仪（EDS)EDS)621 1、波长色散谱仪（、波长色散谱仪（WDSWDS）的工作原理）的工作原理波长色散谱仪波长色散谱仪: :利用利用分光晶体分光晶体对不同波长的对不同波长的X X射射线产生衍射效应，测定线产生衍射效应，测定X X射线波长的装置。射线波长的装置。 WDS的理论依据：布拉格（
31、的理论依据：布拉格（Brgaa）定律）定律 n=2dsin式中：式中：n是衍射级数，为整数；是衍射级数，为整数；是是X射线波长；射线波长；d是分光晶体面网间距；是分光晶体面网间距；是是X射线对晶体的入射角。射线对晶体的入射角。63 用一种已知面网间距的晶体用一种已知面网间距的晶体分光晶体分光晶体，当不同，当不同特征波长特征波长的的X射线照射其上时，如满足射线照射其上时，如满足2dsin=，则，则将产生衍射。显然，对于任意一个给定的入射角将产生衍射。显然，对于任意一个给定的入射角，仅，仅有一个确定的波长有一个确定的波长满足衍射条件。满足衍射条件。 dhkl21入射电子束入射电子束各种波长各种波长
32、X射线射线检测器检测器21试样试样这样我们可以首先建立一系列这样我们可以首先建立一系列角与相应元角与相应元素的对应关系素的对应关系，当某个由电子束激发的特征，当某个由电子束激发的特征X射射线照射到分光晶体上时，我们可在对应的线照射到分光晶体上时，我们可在对应的2角度角度接收到该波长的接收到该波长的X射线信号，同时也就测出了对射线信号，同时也就测出了对应的化学元素。应的化学元素。64单晶体收集单一波长单晶体收集单一波长X X射射线的效率很低，因此需改进。线的效率很低，因此需改进。把分光晶体的作适当的弯曲。射线把分光晶体的作适当的弯曲。射线源、弯曲晶面表面和检测器窗口三者位于源、弯曲晶面表面和检测
33、器窗口三者位于同一罗兰圆。此时整个分光晶体只收集一同一罗兰圆。此时整个分光晶体只收集一种波长的种波长的X X射线，使单色射线，使单色X X射线的衍射强射线的衍射强度大大提高。度大大提高。65两种聚焦方法：约翰型聚焦和约翰逊型聚焦法晶体表面曲率晶体表面曲率半径等于罗兰半径等于罗兰圆半径圆半径2 2倍倍缺陷：缺陷：衍射线并不恰衍射线并不恰聚焦一点聚焦一点约翰型聚焦法66晶体表面曲晶体表面曲率半径等于率半径等于罗兰圆半径罗兰圆半径R R，A A、B B、C C三点三点汇聚于一点，汇聚于一点，因此也叫全因此也叫全聚焦法。聚焦法。约翰逊型聚焦法67直进式波谱仪直进式波谱仪常见波谱仪布置形式：直进式波谱仪
34、和回转式波谱仪直进式：X射线照射分光晶体的方向是固定的。分光晶体沿直线运动时，晶体应产生相应的转动，这样可接受到不同的X射线。L L1 1=2Rsin=2Rsin1, 1, 2dsin2dsin1 1= =1 1得出得出1 1、1 1，同理，可，同理，可求得求得2 2、2 2 和和3 3、3 368旋转式波谱仪旋转式波谱仪：聚焦圆的圆心O不能移动，分光晶体和检测器在聚焦圆的圆周上以1：2的角速度运动，以保证满足布拉格方程。69在直进式波谱仪中，在直进式波谱仪中，L和和之间服从之间服从L=2Rsin的关系。因为结构上的限制，的关系。因为结构上的限制，L不能做的太长，不能做的太长，一般只能在一般只
35、能在10-30cm范围内变化。在聚焦圆半径范围内变化。在聚焦圆半径R=20cm时，时，变化范围大约在变化范围大约在15-65之间。之间。可见一个分光晶体能够覆盖的波长范围是有可见一个分光晶体能够覆盖的波长范围是有限的，因此它只能测定某一原子序数范围的元素。限的，因此它只能测定某一原子序数范围的元素。因此，一个谱仪中经常装有两块晶体可以互换，因此，一个谱仪中经常装有两块晶体可以互换，而一台电子探针仪上往往装有而一台电子探针仪上往往装有2-6个谱仪一起工作，个谱仪一起工作，可以同时测定几个元素。可以同时测定几个元素。波谱仪的缺陷波谱仪的缺陷7071波谱仪常用的分光晶体常用晶体常用晶体2d/nm适用
36、波长适用波长/nmLiF0.4020.08-0.38SiO20.6680.11-0.63RET0.8740.14-0.83RAP2.6120.2-1.83KAP2.6630.45-2.54TAP2.590.61-1.83硬脂酸铅硬脂酸铅10.081.7-9.472波长色散仪原理图波长色散仪原理图分光晶体分光晶体样品样品检测器检测器单道脉冲高单道脉冲高度分析器度分析器主放大器主放大器前置放大器前置放大器定标器定标器记录器记录器频率计频率计入射电子束入射电子束X X射线方向射线方向罗兰圆罗兰圆732 2、能量色散谱仪（、能量色散谱仪（EDSEDS）的工作原理）的工作原理 不同元素发射出来的特征不同
37、元素发射出来的特征X X射线能量也不相同，射线能量也不相同，利用特征利用特征X X射线能量不同而进行的元素分析称为射线能量不同而进行的元素分析称为能量色散法能量色散法。所用谱仪称为。所用谱仪称为能量色散能量色散X X射线谱仪，射线谱仪，简称能谱仪简称能谱仪。 74样品样品主放大器主放大器电子束电子束X X射线射线SiSi（LiLi）场效应晶体管场效应晶体管前置放大器前置放大器多 道 脉 冲多 道 脉 冲分析器分析器CRTCRT电传打字机电传打字机记录器记录器液液 氮氮BeBe窗窗偏压电源偏压电源能谱仪结构及工作原理 X射线能谱仪的主要构成单元是射线能谱仪的主要构成单元是Si(Li)半导体检半导
38、体检测器测器，即锂漂移硅半导体检测器和，即锂漂移硅半导体检测器和多道脉冲分析器多道脉冲分析器。 能量为数千电子伏特的入射电子束照射到样品能量为数千电子伏特的入射电子束照射到样品上，激发出特征上，激发出特征X射线，通过射线，通过Be窗直接照射到窗直接照射到Si(Li)半导体检测器上，使半导体检测器上，使Si原子电离并产生大量原子电离并产生大量电子电子-空空穴对穴对，其数量与其数量与X射线能量成正比射线能量成正比。75产生一个空穴对的最低平均能量为产生一个空穴对的最低平均能量为则由一个则由一个X射线光子造成的电子空穴对的数目射线光子造成的电子空穴对的数目为为:N=E/入射入射X射线光子的射线光子的
39、能量能量越高，越高，N就越大。就越大。不同元素发射不同能量的不同元素发射不同能量的X射线，不同能量的射线，不同能量的X射线射线将产生不同的电子空穴对数。将产生不同的电子空穴对数。如：如：Fe的的K辐射可产生辐射可产生1685个电子空穴对，而个电子空穴对，而Cu为为2110个。个。76通过通过对对Si(Li)检测器检测器加偏压（一般为加偏压（一般为-500-1000V)，可分离收集，可分离收集电子空穴对电子空穴对，并用场效应管前，并用场效应管前置放大器将其转换成置放大器将其转换成电流脉冲电流脉冲。再由主放大器转换。再由主放大器转换成成电压脉冲电压脉冲，然后送到，然后送到多道脉冲分析器多道脉冲分析
40、器。 例如对例如对Fe的的K来说，来说，V=0.27mV，对，对Cu的的K，V=0.34mV。即不同元素产生的脉冲高度不一样。即不同元素产生的脉冲高度不一样。7778多道脉冲高度分析器中的数模转换器首先把多道脉冲高度分析器中的数模转换器首先把脉冲信号转换成脉冲信号转换成数字信号数字信号，建立起电压脉冲幅值建立起电压脉冲幅值与道址的对应关系与道址的对应关系（道址号与（道址号与X X光子能量间存在光子能量间存在对应关系）。对应关系）。 电压脉冲高度越高，道址号越高电压脉冲高度越高，道址号越高常用的常用的X射线能量范围在射线能量范围在0.2-20.48keV。如果总道址数为如果总道址数为1024，那
41、么每个道址对应的能量，那么每个道址对应的能量范围是范围是20eV。 X光子（射线）能量低的对应道址号小，高的对光子（射线）能量低的对应道址号小，高的对应道址号大。根据不同道址上记录的应道址号大。根据不同道址上记录的X射线的数目，射线的数目，就可以确定各种元素的就可以确定各种元素的X射线强度。射线强度。79然后，在然后，在X-YX-Y记录仪或阴极射线管上把脉冲数与脉冲高记录仪或阴极射线管上把脉冲数与脉冲高度曲线显示出来，这就是度曲线显示出来，这就是X X射线的能谱曲线。射线的能谱曲线。80Al、Si、Ca X射线能谱图81 Si（Li）半导体检测器和场效应晶体管皆应在液氮温）半导体检测器和场效应
42、晶体管皆应在液氮温度条件下使用和保存。度条件下使用和保存。因为锂在室温下很容易扩散，造成因为锂在室温下很容易扩散，造成假输出；同时为了减小前置放大器的电噪声，所用的场效假输出；同时为了减小前置放大器的电噪声，所用的场效应晶体管也必须放在液氮中，以提高检测器分辨率。应晶体管也必须放在液氮中，以提高检测器分辨率。 Si（Li）半导体检测器目前多数还不能用于分析超轻）半导体检测器目前多数还不能用于分析超轻元素（元素（O、N、C等）等）。其原因是检测器分辨率还不够高；。其原因是检测器分辨率还不够高；另外由于半导体检测器表面附有另外由于半导体检测器表面附有7.5-25m厚度的铍窗（用厚度的铍窗（用作防污
43、染和可见光真空隔离等），对输入的弱作防污染和可见光真空隔离等），对输入的弱X射线吸收射线吸收很严重，是能谱分析轻元素的主要障碍。很严重，是能谱分析轻元素的主要障碍。 注意：注意：82 能谱仪中锂漂移硅探测器对X射线发射源所张的立体角显著大于波谱仪，所以前者可以接收到更多的X射线信号；其次波谱仪因分光晶体衍射而造成部分X射线强度损失。 因此能谱仪的检测效率较高能谱仪的检测效率较高。3 3、波谱仪与能谱仪的性能比较波谱仪与能谱仪的性能比较检测效检测效率率83 能谱仪因检测效率高，可在较小的电子束流下工作，使束斑直径减小，空间分析能力提高。 目前，在分析电镜中的微束操作方式下能能谱仪分析的最小微区已
44、经达到纳米数量级，而谱仪分析的最小微区已经达到纳米数量级，而波谱仪的空间分辨率仅处于微米数量级。波谱仪的空间分辨率仅处于微米数量级。 空间分析能力空间分析能力能谱仪的最佳能谱仪的最佳能量分辨本领为能量分辨本领为149eV149eV，波谱仪的，波谱仪的波长分辨本领表述波长分辨本领表述为能量的形式后相为能量的形式后相当于当于5-10eV5-10eV，可，可见波谱仪的分辨本见波谱仪的分辨本领比能谱仪高一个领比能谱仪高一个数量级。数量级。 84分辨本分辨本领领 85 能谱仪可在同一时间内对分析点内的所有能谱仪可在同一时间内对分析点内的所有X X射线光子的能量进行检测和计数，仅需几射线光子的能量进行检测
45、和计数，仅需几分钟时间可得到全谱定性分析结果；分钟时间可得到全谱定性分析结果； 波谱仪只能逐个测定每一元素的特征波长，波谱仪只能逐个测定每一元素的特征波长，一次全分析往往需要几个小时。一次全分析往往需要几个小时。 分析速分析速度度 波谱仪可以测量铍波谱仪可以测量铍(Be)-铀铀(U)之间的所有之间的所有元素，而能谱仪中元素，而能谱仪中Si(Li)检测器的铍窗口吸收检测器的铍窗口吸收超轻元素的超轻元素的X射线，只能分析纳（射线，只能分析纳（Na）以后）以后的元素。的元素。 86分析元素的范围分析元素的范围87 能谱仪结构简单，没有机械传动部分，数据的稳定性和重现性较好。 波谱仪的定量分析误差（1
46、-5%）远小于能谱仪的定量分析误差（2-10%）。 可靠性可靠性波谱仪在检测时要求样品表面平整。能波谱仪在检测时要求样品表面平整。能谱仪对样品表面没有特殊要求，适合于粗谱仪对样品表面没有特殊要求，适合于粗糙表面的分析。糙表面的分析。88样品要样品要求求89比较项目比较项目X X射线能谱仪射线能谱仪X X射线波谱仪射线波谱仪入射电流入射电流1010-10-101010-12-12A A1010-7-71010-8-8A A分辨本领分辨本领149eV149eV5-10eV5-10eV峰背比（峰背比（L/BL/B）不好不好10010010010010001000检测元素范围检测元素范围NaNaU U
47、BeBeU U污染程度污染程度小小大大样品的损伤样品的损伤小小大大定性分析速度定性分析速度2 23min3min202030min30min检测器对样品容许波动检测器对样品容许波动数毫米以内数毫米以内3m3m以内以内多元素同时分析多元素同时分析容易容易受谱仪道数限制受谱仪道数限制最小分析区域最小分析区域1m1m以下以下1m1m以上以上维护维护用液氮用液氮容易容易X X射线能谱仪与射线能谱仪与X X射线波谱仪性能比较射线波谱仪性能比较904 4、特征、特征X X射线成分分析方法射线成分分析方法利用测定利用测定X X射线的专门装置（波谱仪或者射线的专门装置（波谱仪或者能谱仪），只收集在电子束的照射
48、下，某一种能谱仪），只收集在电子束的照射下，某一种或者几种元素产生的特征或者几种元素产生的特征X X射线，可以得到某射线，可以得到某一种或几种元素的分布情况。一种或几种元素的分布情况。 成像原理与前述的二次电子、背散射电子成像原理与前述的二次电子、背散射电子等相似。等相似。911 1）定性分析）定性分析A. A. 点分析点分析 用于测定样品上某个指定点的化学成分用于测定样品上某个指定点的化学成分。能谱仪中的多道分析器可使样品中所有元能谱仪中的多道分析器可使样品中所有元素的特征素的特征X X射线信号同时检测和显示。不像射线信号同时检测和显示。不像波谱仪那样要做全部谱扫描，甚至还要更换波谱仪那样要
49、做全部谱扫描，甚至还要更换分光晶体。分光晶体。 92(top) Scanning electron microscope image of salt crystals. (below) Spectrum of the energy of characteristic X-rays emitted from the salt (NaCl) crystals shown above. In the energy spectrum the X-ray peaks from sodium (Na) and chlorine (Cl) are identified. 棒状物的EDS图：Al3 Ti颗粒物
50、的EDS图: Al2O3Al-TiO2反应体系SEM图94例：一例陨石的研究（2009年降落于山西浑源）二次电子像二次电子像选点进行能谱成分分析选点进行能谱成分分析9596元素摩尔组成元素摩尔组成(mol%)矿物组成矿物组成(mol%)1Si 71.11%、Fe 28.89%Fe0.81Si2 100%2Si 70.13%、Fe 29.87%Fe0.85Si2 100%3C 32.02%、O 47.07%、Al 0.81%、Si 20.10%4C 60.69%、O 9.00%、Si 30.31%5Si 70.78%、Fe 29.22%Fe0.83Si2 100%6C 69.79%、O 26.8
