1、1第十三章第十三章电子探针显微分析电子探针显微分析 Electron Probe Micro-Analysis 2概概 述（述（1）n电子探针：电子探针：它是在电子光学电子光学和 X 射线光谱学射线光谱学原理的基础上发展起来的一种高效率、综合分析的仪器。n功能：功能：在观察微观形貌观察微观形貌的同时，进行微区成分分析微区成分分析。 n原理：原理：是用细聚焦电子束入射样品表面，激发出样品元素的特征 X 射线，分析特征分析特征 X 射线的波长射线的波长（或特征能量或特征能量），），可可对样品中所含元素的种类对样品中所含元素的种类进行进行定性分析定性分析；分析分析 X 射线的强射线的强度，则可对应元
2、素含量度，则可对应元素含量进行进行定量分析。定量分析。n构造：构造：主机部分与 SEM 相同，只增加了检测X射线的信号的谱仪，用于检测X射线的特征波长或特征能量。 3第一节第一节 电子探针仪的结构与工作原理电子探针仪的结构与工作原理 4电子探针仪的结构电子探针仪的结构n电子探针仪的结构示意图：电子探针仪的结构示意图： 电子探针仪：电子探针仪：信号检测系统是 X 射线谱仪。射线谱仪。1. 波长分散谱仪：波长分散谱仪： (WDS) 用来测定特征X 射线波长 的谱仪，简称为波谱仪。波谱仪。2. 能量分散谱仪：能量分散谱仪： (EDS) 用来测定 X 射线特征能量 的谱仪，简称为能谱仪。能谱仪。 图1
3、3l 电子探针仪的结构示意图 5电子探针接收到的信号电子探针接收到的信号6法国法国CAMECA公司电子探针仪的结构图公司电子探针仪的结构图7法国法国CAMECA公司电子探针仪公司电子探针仪法国Cameca公司 SX100型EPMA8日本电子公司日本电子公司JXA-8100电子探针仪电子探针仪 JXA-81009一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（1）一、工作原理：一、工作原理： 1. 当电子束轰击样品时，由表面下m 或 nm级的作用体积内激发出特征X射线，若作用体积内含有多种元素，则可激发出各相应元素的特征波长特征波长X射线射线。 10一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（2）2
4、. 若样品上方放置一块面间距为 d 的平面晶体平面晶体，当X射线波长、入射角和面间距 d 符合2 d sin= 时，则特征 X 射线就发生强烈衍射。强烈衍射。图13-2 分光晶体对X射线的衍射n平面晶体：平面晶体：n各特征 X 射线，只从特定入射角进入晶体时，才能发生较强衍射。如： 1 1 2 2 等。11一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（3）3. 不同波长不同波长 X 射线以不同入射角入射，将产生各自衍射束射线以不同入射角入射，将产生各自衍射束。n平面晶体：平面晶体：如同一个单色器，具有分光的作用。具有分光的作用。它可使不同波长 X射线分散开来。分光晶体对分光晶体对X射线的衍射射线
5、的衍射n在面向衍射束安置探测器，便可记录下各波长 X射线。n但各波长但各波长X射线强度极低。射线强度极低。n故需将一定角度内某波长故需将一定角度内某波长X射线进行聚焦，增加强度。射线进行聚焦，增加强度。12一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（4）4. 要使X射线聚焦，射线聚焦，需将晶体弹性弯曲晶体弹性弯曲，使X光源光源S、晶体表面晶体表面和检测器检测器D位于同一圆周上。位于同一圆周上。此时，整个晶体接收某波长X射线，强度将大大提高。 图13-3 两种聚焦方法a) 约翰型聚焦法 (b) 约翰逊型聚焦法 罗兰圆或聚焦圆13一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（5）5. X射线聚焦的两
6、种方法：射线聚焦的两种方法： 约翰约翰(Johann)型聚焦法：型聚焦法：将单晶体弯曲，使它衍射晶面的曲率半径等于聚焦圆半径R的两倍，即2R。约翰型聚焦法RR2n则X光入射到晶体表面任意点A、B、C，入射角都相等，故发生衍射；n但因晶体表面A、B、C点不在聚焦圆上，故衍射线只能在D点附近聚焦点附近聚焦（近似聚焦）。（近似聚焦）。14一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（6） 约翰逊约翰逊(Johansson)型聚焦法：型聚焦法：把衍射晶面衍射晶面曲率半径弯成2R，再将晶体表面外形晶体表面外形磨制成和聚焦圆相合(即晶体表面的曲率半径和R相等)。 约翰逊型聚焦法n这可使晶体表面各点衍射束正好
7、聚焦在 D点（全聚（全聚焦法）。焦法）。n分光晶体分光晶体虽可弹性弯曲，但不易磨制，故不大可能达到理想聚焦条件。 15一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（7）6. 两种常见的谱仪布置形式：两种常见的谱仪布置形式：直进式直进式和回转式回转式。 直进式波谱仪 直进式波谱仪工作原理：直进式波谱仪工作原理：n晶体：晶体：沿直线运动沿直线运动，并转动，并转动，则各波长1、2和3的 X射线以各角度1、2和3入射而发生衍射。n检侧器：检侧器：在聚焦圆上协调滑动，在聚焦圆上协调滑动，就接收到经聚焦各波长衍射线。 16一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（8）n 分光晶体直线运动，检测器能在各位置
8、上接收到衍射束，表明试样被激发体积内存在着相应的几种元素。n 衍射束强度大小和元素含量成正比。17一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（8） 直进式波谱仪优点：直进式波谱仪优点：对给定对给定 d晶体，晶体，L与与 间成线性关系。间成线性关系。图13-4 直进式波谱仪 )(sin2dRRLn L 谱仪长度。n L 由短变长。n 通常：R= 20 cm， 150650 L10 36 cm 由几何关系可得： 发射源发射源 S 到晶体的距离距离 L 与聚焦圆半径聚焦圆半径 R 满足：18一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（9）n直进式波谱仪的另一优点：直进式波谱仪的另一优点：n X 射线
9、照射分光晶体的方向是固定的，即出射角出射角不变。不变。出射角出射角不变：不变：使 X射线穿出样品表面过程中所走的路线相同，即吸收条件相等，这定量吸收条件相等，这定量分析有利。分析有利。19一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（10）n回转式波谱仪的工作原理图：回转式波谱仪的工作原理图：n 聚焦圆的圆心 O不动， 分光晶体和检测器在聚分光晶体和检测器在聚 焦圆的圆周上以焦圆的圆周上以1：2的的 角速度运动，角速度运动，以保证满 足布拉格衍射条件。 图13-5 回转式波谱仪 20一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（11）n回转式波谱仪特点：回转式波谱仪特点：回转式波谱仪 n结构简单，
10、但X射线出射射线出射有较大变化。有较大变化。导致X 射线在样品内行进路线不同，往往会因吸收条件变化吸收条件变化而造成定量分析上的误差。n在表面不平度较大时，更为明显。21一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（12）n直进式波谱仪：直进式波谱仪：n某分光晶体衍射晶面间距 d 一定。因 L和成L=2Rsin关系。但因结构上的限制，L 不能做得太长。n可见，一个分光晶体一个分光晶体 d 能够测量得波长范围有限，只能测定能够测量得波长范围有限，只能测定某一原子序数范围的元素。某一原子序数范围的元素。n若要分析Z=492内的元素，须用几块晶面间距d不同的晶体，因此，一个谱仪中常装两块以上晶体可互换
11、。n电子探针仪：电子探针仪：往往装有26个谱仪，一起工作时可同时测定几个元素。22一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（13）n常用的分光晶体：常用的分光晶体：PET：异戊四醇（C5H12O4),RAP：邻苯二酸铷（ C3H6O4Rb),KAP：邻苯二酸钾（ C3H6O4K),TAP：邻苯二甲酸氢（TlHC8H404）STE：硬脂酸铅（C18H35O2)2M，（人造伪晶体）（人造伪晶体）。23一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（14）n分光晶体及其元素分析范围：分光晶体及其元素分析范围：24一、波长分散谱仪一、波长分散谱仪（WDS）（15）陶瓷材料的波谱仪分析结果n 例如： 陶瓷
12、材料的分析结果 含有Al, Si, Fe, Zr,Sn 等元素。n 使用的分光晶体： TAP、PET。25二、能量分散谱仪二、能量分散谱仪（EDS）（）（1） 一一、能谱仪能谱仪工作原理工作原理：n当电子束轰击样品时，在作用体积内各种元素各种元素激发出具有各具有各自波长的自波长的特征特征 X射线（或具各能量射线（或具各能量E 的的X光子）光子）。nX光子能量光子能量E ：则取决于电子能级跃迁过程中不同能级的能能量差。量差。n能谱仪：能谱仪：利用不同元素发射的不同元素发射的X射线光子特征能量不同射线光子特征能量不同来进行成分分析成分分析的。nX射线能量检测器：射线能量检测器：目前常用锂漂移硅固态
13、锂漂移硅固态X射线能量探测器，射线能量探测器，即 Si（Li）检测器）检测器 。它是能谱仪的关键部件。 26Si（Li）检测器）检测器能谱仪探头Si（Li）固体探测器27二、能量分散谱仪二、能量分散谱仪（EDS）（）（2）二、二、Si（Li）检测器工作原理：）检测器工作原理：n当X光子光子通过825m厚的Be（或（或BN或有机膜）窗或有机膜）窗进入检测检测器器，在Si(Li)晶体内激发出一定数目的电子电子-空穴对空穴对。Be窗图13-7 锂漂移硅能谱仪方框图 nSi(Li)晶体两端偏压收集偏压收集电子-空穴对前置放大器前置放大器电流脉电流脉冲冲主放大器积分主放大器积分电压脉冲电压脉冲 多道脉冲
14、高度分析器多道脉冲高度分析器按高高 度分类并计数，度分类并计数，就可得到特征 X射线按能量大小分布的图谱。 （能谱图）（能谱图） 28二、能量分散谱仪二、能量分散谱仪（EDS）（）（3）nSi（Li）检测器工作原理图：）检测器工作原理图：29二、能量分散谱仪二、能量分散谱仪（EDS）（）（4）nX光与Si(Li)晶体相互作用产生一个电子-空穴对所需能量3.8eV（100K下），则能量为 E光子产生电子-空穴对数目为：En eEneQ)(Ce19106 . 1n 如：如：E FeK=6.4keV ，则一个光子产生1684个电子个电子-空穴对空穴对，相应电荷量为2.71016 C，在电容CF上积分
15、，形成电压脉冲信号为：VQ/ CF，若CF1PF，则V0.27mV。此信号虽小，但与与X光子能量成正比。光子能量成正比。则相应的电荷量：30二、能量分散谱仪二、能量分散谱仪（EDS）（）（5）n入射X光子能量越高能量越高产生电电子子-空穴对数目空穴对数目 N就越多；就越多；n经偏压收集偏压收集前置放大器前置放大器电流脉冲高度就越高电流脉冲高度就越高，经主主放大器放大器电压脉冲多道脉冲高度分析器；n脉冲高度分析器：脉冲高度分析器：按脉冲高度分类并计数，描出特征特征 X射射线按能量大小分布的图谱。线按能量大小分布的图谱。 18-8不锈钢成份能谱图不锈钢成份能谱图31二、能量分散谱仪二、能量分散谱仪
16、（EDS）（）（6）n三、能谱仪成分分析优点：三、能谱仪成分分析优点： （和波谱仪相比）（和波谱仪相比） 分析速度快：分析速度快： 可在同一时间内对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果。n可检测元素范围：n带带Be窗的探测器窗的探测器： 11Na92U；n新型超薄窗口材料新型超薄窗口材料： 4Be92U；n波谱仪：波谱仪：只能逐个测量每种元素的特征波长。32二、能量分散谱仪二、能量分散谱仪（EDS）（）（7） 能谱仪：能谱仪：结构简单，无机械传动部分，结构简单，无机械传动部分，稳定性和重复性都好，且不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适合于粗糙表面的分析。
17、波谱仪：波谱仪：需光滑平坦表面，需光滑平坦表面，在此方面仍显不足。 能谱仪：能谱仪：探测探测X射线效率及灵敏度高。射线效率及灵敏度高。 因Si(Li)探头接近样品，收集立体角大，信号直接由探头收集，不必由分光晶体衍射，信号几乎无损失，其灵敏度比波谱仪灵敏度比波谱仪高一个数量级。高一个数量级。 能谱仪：能谱仪：可在低入射电子束流（可在低入射电子束流（1011 A）下工作，）下工作，这有利于提高分析的空间分辨率。而波谱仪须很大电子束流。波谱仪须很大电子束流。33二、能量分散谱仪二、能量分散谱仪（EDS）（）（8）四、能谱仪成分分析缺点：四、能谱仪成分分析缺点： （和波谱仪相比）（和波谱仪相比） 分
18、辨率比波谱仪、峰背比低，分辨率比波谱仪、峰背比低， 即仪器分辩不同能量特征X射线的能力差，波峰比较宽，重叠现象严重。 一般地：探测器能量分辨率：探测器能量分辨率： 能谱仪能谱仪：约约127eV，而波谱仪波谱仪可达可达5 eV。 工作条件要求严格工作条件要求严格 Si(Li)探头须用液氮冷却，液氮冷却，保持低温而不间断。否则， 晶体内Li扩散，改变分布状态，探头功能下降，甚至破坏。34第二节第二节 电子探针仪的分析方法及应用电子探针仪的分析方法及应用35一、一、EPMA的定性分析的定性分析（1）1 1定点成分分析：定点成分分析：电子束固定在需要分析的微区上。电子束固定在需要分析的微区上。 波谱仪
19、分析波谱仪分析：改变分光晶体和探测器位置，即可得分析点的X射线成份谱图；波谱仪定点分析36一、一、EPMA的定性分析的定性分析（1）n 能谱仪分析能谱仪分析：电子束固定在要分析微区，电子束固定在要分析微区，收集X射线信号，几分钟内即可得微区内所含元素的谱图。37一、一、EPMA的定性分析的定性分析（2）2.2.成分线分布分析：成分线分布分析： 波谱仪线分析：波谱仪线分析：将波谱仪分光晶体移到要测量元素的特征X射线信号（波长或能量）的位置上，n使电子束沿指定路径作直线轨迹扫描，便可得某元素含量的变化曲线。 n改变谱仪的位置，便可得另一元素含量的变化曲线。n 能谱仪线分析：能谱仪线分析：n将电子束
20、沿指定路径作直线轨迹逐点扫描，能谱仪探头接收逐点上各元素的X射线信号强度（含量），再将各点元素含量绘成曲线，即为成份含量线分布。38高速钢表面渗氮镀高速钢表面渗氮镀TiN的的N线分布图线分布图39Nb-Cu钎焊焊缝钎焊焊缝EPMA的成分线分布分析的成分线分布分析40一、一、EPMA的定性分析的定性分析（3）3 3成分面分布分析：成分面分布分析：n电子束在样品表面作光栅扫描光栅扫描，把谱仪固定在某一元素特征X射线信号的位置，接收信号可得该元素的面分布图像。实际上是用特征用特征X X射线调制的图像。射线调制的图像。n图像中的亮区表示这种元素的含量较高亮区表示这种元素的含量较高。 MgSiCa白云石成分分布图41火山熔岩成份面分布图火山熔岩成份面分布图n体低KV下散射范围缩小，面分布结果变好5kV, 2.8nAO-KaMg-KaAl-KaFe-LaSpecimen: Lava (Miyakejima)42EPMA的成分面分布分析（的成分面分布分析（1）TiFePbSiNa43EPMA的成分面分布分析（的成分面分布分析（2）CuZnGe44END请各位同学多提出宝贵的意见！请各位同学多提出宝贵的意见！ 谢谢！谢谢！
