1、电子探针显微分析电子探针显微分析JXA-8530F电子探针外观图电子探针外观图外观紧凑、整洁外观紧凑、整洁JXA-8530F电子探针外观图电子探针外观图东北大学分析测试中心东北大学分析测试中心5EPMAEPMA和和SEMSEM的区别的区别1、共同点：均可以得到二次电子像、共同点：均可以得到二次电子像(SEI)，背散射电子像，背散射电子像(BSEI)，用于寻找分析区域。用于寻找分析区域。电子探针的束流(指打在样品表面的电流)要比扫描电镜大几个数量级，造成电子探针的空间分辨率差，二次电子和背散射电子分辨率差，如果要求不高电子探针可以当作扫描来用。一般而言，电子探针的二次电子像分辨率为一般而言，电子
2、探针的二次电子像分辨率为 5 6 nm，低于，低于扫描电镜的扫描电镜的 2 3 nm 的二次电子像分辨率。的二次电子像分辨率。62、不同：、不同：EPMA 的的 WDS 具有更低的检出限，可以分析痕量元具有更低的检出限，可以分析痕量元素，且超轻元素素，且超轻元素(5B 9F)定量分析准确度远高于定量分析准确度远高于SEM 上的上的 EDS。X 射线波谱仪检测到的成分含量下限为射线波谱仪检测到的成分含量下限为 0.01%，高于扫描电镜，高于扫描电镜上所配置的能谱仪的检测下限上所配置的能谱仪的检测下限 0.1%一个数量级，且在分析中使一个数量级，且在分析中使用与材料基体成分相近的标准参考物质作为定
3、量修正的基础，所用与材料基体成分相近的标准参考物质作为定量修正的基础，所以电子探针所使用的波谱仪的微区分析的定量分析能力远高于扫以电子探针所使用的波谱仪的微区分析的定量分析能力远高于扫描电镜上使用的能谱仪。描电镜上使用的能谱仪。扫描电镜和电子探针从原理上讲是一样的，但是扫描电镜主要是做形貌观察，电子探针主要是做微区成分，用WDS分析元素。扫描电镜也可做微区成分，不过一般都用EDS，虽然很快，但是精度差。电子探针的分析电流和分析元素范围都要比扫描电镜宽。EPMAEPMA和和SEMSEM的区别的区别73、电子探针用的是波谱分析，扫描电镜用能谱分析。电子探针用的是波谱分析，扫描电镜用能谱分析。电子探
4、针用来做波谱成分分析是由于它的电子束要比一般 扫描电镜 稳定的多的缘故，通过提高硬体结构的强度和在镜筒高端使用离子泵，SEPM的真空可以达到E-007TORR，要比SEM的E-005TORR强的多，因此电子束也稳定的多，而波谱分析需要极稳定的电子束，大而稳定的束流，所以一般的SEM 不配备波谱议。所以SEPM是较SEM 高端的产品，但是使用范围要较SEM小。EPMA的侧重点在成分，而非形貌观测。现在的EPMA为了方便，一般也配个能谱,能谱速度快,可以做一般的常量元素。EPMAEPMA和和SEMSEM的区别的区别8材料现代测试方法 电子探针显微分析3、地质、矿物方面的应用每一道谱仪包含两块分光晶
5、体Processing option:All elements analyzed(Normalised)两者分别扣除背底和计数器死时间对所测值的影响，得到相应的强度值。材料现代测试方法 电子探针显微分析回转式波谱仪工作原理和波谱仪相比，能谱仪具有以下几方面的优点：Fe-Cr扩散偶扩散界面的线扫描分析1%，能谱仪的探测根极限为0.直进式波谱仪中，由聚焦电子束轰击试样产生的X射线从S点发射出来。V V 1-Jun-1999 12:00 AMPu、Ps分别表示试样和标样中某元素特征X射线的峰强度；从谱图上的峰位，可以得知各特征X射线的能量或波长。分光晶体交换（翻转）示意图5、电子探针的基本功能X射线
6、信号直接由探头收集，不必通过分光晶体衍射，不存在衍射导致的强度损失。虽然平面单晶体可以把各种不同波长的X射线分光展开，但就收集单波长X射线的效率来看是非常低的。2、不同：EPMA 的 WDS 具有更低的检出限，可以分析痕量元素，且超轻元素(5B 9F)定量分析准确度远高于SEM 上的 EDS。材料现代测试方法 电子探针显微分析EPMAEPMA的主要特点的主要特点a)显微结构的分析；b)元素分析范围广，几乎做到全元素的分析；5B-92Uc)定量分析准确度高，能做“痕量”元素、轻元素及有重叠峰存在时的分析；d)不损坏样品，分析速度快；e)用途广泛。被广泛用于冶金、地质、矿物、生物、医学、被广泛用于
7、冶金、地质、矿物、生物、医学、和考古等领域。和考古等领域。9EPMAEPMA的主要应用的主要应用1、材料学中的应用、材料学中的应用断口观察镀层表面形貌分析和深度检测断口观察镀层表面形貌分析和深度检测微区化学成分分析微区化学成分分析相平衡图的制定相平衡图的制定显微组织及超微尺寸材料的研究显微组织及超微尺寸材料的研究2、微电子中的应用、微电子中的应用焊点，电路板中微量元素的偏析定量研究，开焊原因分析，需定量分析偏析焊点，电路板中微量元素的偏析定量研究，开焊原因分析，需定量分析偏析富集元素富集元素3、地质、矿物方面的应用、地质、矿物方面的应用通常化学分析可以有效地确定矿物中特定的元素成分，通常化学分
8、析可以有效地确定矿物中特定的元素成分，X 射线衍射可以定性射线衍射可以定性和定量地给出矿物的晶体结构方面的信息。但是它们都不能解决一个根本问和定量地给出矿物的晶体结构方面的信息。但是它们都不能解决一个根本问题，即这些元素在一块矿石中的微观分布？一些贵金属和稀有金属是否在某题，即这些元素在一块矿石中的微观分布？一些贵金属和稀有金属是否在某些特定的地质结构中富集？某些矿物是否和其他的矿物共生？电子探针可以些特定的地质结构中富集？某些矿物是否和其他的矿物共生？电子探针可以解决这些问题。解决这些问题。10EPMAEPMA的主要应用的主要应用4、生物学、医学及法学中的应用、生物学、医学及法学中的应用此情
9、况下此情况下通常元素含量很低，而且需要精确定量，必须由电子探针完成。通常元素含量很低，而且需要精确定量，必须由电子探针完成。关节修复移植材料在周围组织中的扩散情况关节修复移植材料在周围组织中的扩散情况结石成分分析结石成分分析头发等中的微量元素分析（对于职业病鉴定，中毒分析等非常重要，通常头发等中的微量元素分析（对于职业病鉴定，中毒分析等非常重要，通常含量很低，而且需要精确定量，必须由电子探针完成）含量很低，而且需要精确定量，必须由电子探针完成）枪弹残余物颗粒成分分析（有专业的枪击残留物软件，对于重大案件以及枪弹残余物颗粒成分分析（有专业的枪击残留物软件，对于重大案件以及需要精确证据的案件分析，
10、必须由电子探针完成）需要精确证据的案件分析，必须由电子探针完成）死因不明尸骨中铅的亮粒（通过电子探针精确定量分析，可以鉴别出铅的死因不明尸骨中铅的亮粒（通过电子探针精确定量分析，可以鉴别出铅的亮粒为子弹残留物，死因为中枪，并可以比对出为那种子弹，这类工作只有亮粒为子弹残留物，死因为中枪，并可以比对出为那种子弹，这类工作只有电子探针可以精确完成）电子探针可以精确完成）被盗被烧珍贵文物，可以通过电子探针鉴定文物表面结构以及元素含量。被盗被烧珍贵文物，可以通过电子探针鉴定文物表面结构以及元素含量。文件真伪鉴别（通过比对墨迹元素含量可以精确比对鉴别，要求精确定量文件真伪鉴别（通过比对墨迹元素含量可以精
11、确比对鉴别，要求精确定量才可以进行鉴别比对）。纸，纸上颜料，油墨，墨水的成分分析，元素分布才可以进行鉴别比对）。纸，纸上颜料，油墨，墨水的成分分析，元素分布图可划出其中不同的区域，与伪造文件比照。图可划出其中不同的区域，与伪造文件比照。11主要内容1、电子探针的结构与工作原理电子探针的结构与工作原理2、X射线波长分散谱仪射线波长分散谱仪（波谱仪（波谱仪WDSWDS）3、X射线能量分散谱仪射线能量分散谱仪（能谱仪（能谱仪EDSEDS）4、波谱仪与能谱仪的比较波谱仪与能谱仪的比较5、电子探针的基本功能、电子探针的基本功能6、电子探针对试样的要求电子探针对试样的要求材料现代测试方法 电子探针显微分析
12、12材料现代测试方法 电子探针显微分析1 电子探针的结构与工作原理v 电子探针的基本概念n 电子探针就是利用聚焦电子束与试样作用时产生电子探针就是利用聚焦电子束与试样作用时产生的特征的特征X射线对试样微区的化学成分进行定性和定射线对试样微区的化学成分进行定性和定量分析。量分析。n 由于作用在试样上的电子束很细，形状如针，故由于作用在试样上的电子束很细，形状如针，故称之为电子探针。由于电子束很细，其作用范围很称之为电子探针。由于电子束很细，其作用范围很小。因此，利用电子探针可以对试样的微小区域进小。因此，利用电子探针可以对试样的微小区域进行化学成分的定性分析和定量分析。行化学成分的定性分析和定量
13、分析。13材料现代测试方法 电子探针显微分析v 电子探针的基本原理n 用聚焦电子束轰击试样表面的待测微区，使该区用聚焦电子束轰击试样表面的待测微区，使该区原子的内层电子发生跃迁，释放出特征原子的内层电子发生跃迁，释放出特征X射线。射线。n 用波谱仪或能谱仪对这些特征用波谱仪或能谱仪对这些特征X射线进行展谱分射线进行展谱分析，得到反映特征析，得到反映特征X射线波长（或能量）与强度关射线波长（或能量）与强度关系的系的X射线谱。根据特征射线谱。根据特征X射线的波长（或能量）进射线的波长（或能量）进行元素的定性分析。根据特征行元素的定性分析。根据特征X射线的强度进行元射线的强度进行元素的定量分析。素的
14、定量分析。14材料现代测试方法 电子探针显微分析v 电子探针的结构n 电子探针的结构电子探针的结构与扫描电镜的结构与扫描电镜的结构非常相似。除了信非常相似。除了信号检测处理系统不号检测处理系统不同外，其余部分如同外，其余部分如电子光学系统、扫电子光学系统、扫描系统、图像显示描系统、图像显示记录系统和真空系记录系统和真空系统、电源系统等几统、电源系统等几乎完全相同。乎完全相同。高压电缆高压电缆光镜光镜物镜光阑物镜光阑能谱仪能谱仪波谱仪波谱仪电子枪电子枪15材料现代测试方法 电子探针显微分析16材料现代测试方法 电子探针显微分析2 X射线波长分散谱仪 v 波谱仪的基本概念WDSWDS：用来测定特定
15、波长的谱仪：用来测定特定波长的谱仪n X射线波长分散谱仪实际上是射线波长分散谱仪实际上是X射线分光光度计。射线分光光度计。其作用是把试样在电子束的轰击下产生的特征其作用是把试样在电子束的轰击下产生的特征X射射线按波长不同分开，并测定和记录各种特征线按波长不同分开，并测定和记录各种特征X射线射线的波长和强度。根据特征的波长和强度。根据特征X射线的波长和强度即可射线的波长和强度即可对试样的元素组成进行分析。对试样的元素组成进行分析。17材料现代测试方法 电子探针显微分析v 波谱仪的结构n X射线波长分射线波长分散谱仪主要由散谱仪主要由分光晶体、分光晶体、X射线探测器、射线探测器、X射线计数器射线计
16、数器和记录系统等和记录系统等部分组成。部分组成。1819材料现代测试方法 电子探针显微分析v 分光探测系统的基本结构和分光原理11分光晶体探测器试样聚焦电子束2试样2n 波谱仪的分光探测系统由分光晶波谱仪的分光探测系统由分光晶体、体、X射线探测器和相应的机械传射线探测器和相应的机械传动装置组成。动装置组成。n 由聚焦电子束激发产生的特征由聚焦电子束激发产生的特征X射线照射到分光晶体上，波长符合射线照射到分光晶体上，波长符合布拉格方程的布拉格方程的X射线将产生衍射进射线将产生衍射进入探测器而被接收。转动分光晶体，入探测器而被接收。转动分光晶体，改变改变角，可以将不同波长的特征角，可以将不同波长的
17、特征X射线分开，同时改变探测器的位射线分开，同时改变探测器的位置和方向，就可把不同波长的置和方向，就可把不同波长的X射射线探测并记录下来。线探测并记录下来。20材料现代测试方法 电子探针显微分析 因为分光晶体的因为分光晶体的d值是已知的，根据值是已知的，根据分光晶体与入分光晶体与入射射X射线的夹角射线的夹角就可求出特征就可求出特征X射线的波长射线的波长。l=2d sinq 如果将分光晶体固定为某一角度，即可探测某种如果将分光晶体固定为某一角度，即可探测某种波长的特征波长的特征X射线。射线。21材料现代测试方法 电子探针显微分析n 虽然平面单晶体可以把各虽然平面单晶体可以把各种不同波长的种不同波
18、长的X射线分光展射线分光展开，但就收集单波长开，但就收集单波长X射线射线的效率来看是非常低的。的效率来看是非常低的。此外，在波谱仪中，此外，在波谱仪中，X射射线信号来自样品表层的一个线信号来自样品表层的一个极小的体积，可将其看做点极小的体积，可将其看做点光源，由此点光源发射的光源，由此点光源发射的X射线是发散的，故能够到达射线是发散的，故能够到达分光晶体表面的，只是其中分光晶体表面的，只是其中极小的一部分，信号很微弱。极小的一部分，信号很微弱。因此，这种检测因此，这种检测X射线的方射线的方法必须改进。法必须改进。22材料现代测试方法 电子探针显微分析电子探针X射线波谱及能谱分析有以下三种基本的
19、工作方法：但是它们都不能解决一个根本问题，即这些元素在一块矿石中的微观分布？一些贵金属和稀有金属是否在某些特定的地质结构中富集？某些矿物是否和其他的矿物共生？电子探针可以解决这些问题。利用能谱仪可以得到试样的X射线能谱图，该图反映了试样发射的X射线的能量与强度关系。显然，圆心位置会不断变化。材料现代测试方法 电子探针显微分析高亮度更容易进行图像观察。材料现代测试方法 电子探针显微分析根据峰位（特征X射线的能量）可以检测出试样中存在何种元素，即进行化学成分定性分析。由于每块分光晶体能够分散的X射线波长范围是有限的，因此，用一块分光晶体只能检测波长在某个范围的X射线。4、波谱仪与能谱仪的比较场发射
20、电子探针的特点3扫描电镜也可做微区成分，不过一般都用EDS，虽然很快，但是精度差。1%，能谱仪的探测根极限为0.X 射线波谱仪检测到的成分含量下限为 0.显像管射线束的横向扫描与电子束在试样上的扫描同步进行，用谱仪（波谱仪或能谱仪）探测到的特征X射线的强度（计数）调制显像管射线束的纵向位置，就可得到反映该元素含量变化情况的特征X射线强度沿扫描线的分布曲线。分光晶体直线运动时，假如检测器在某一位置接收到衍射束，即表明试样被激发的体积内存在相应的元素。回转式波谱仪中，聚焦圆的圆心O不移动，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。能谱仪没有机械传动部分，因此稳定性
21、和重复性都很好。转动分光晶体，改变角，可以将不同波长的特征X射线分开，同时改变探测器的位置和方向，就可把不同波长的X射线探测并记录下来。Probe diameter(nm)材料现代测试方法 电子探针显微分析 为了提高测试效率，必须为了提高测试效率，必须采取聚焦方式。如果把分光采取聚焦方式。如果把分光晶体作适当弯曲，并使射线晶体作适当弯曲，并使射线源、弯曲晶体表面和检测器源、弯曲晶体表面和检测器窗口位于同一个圆周上，这窗口位于同一个圆周上，这样就可以达到聚焦的目的。样就可以达到聚焦的目的。这种圆称为罗兰这种圆称为罗兰(Rowland)圆或聚焦圆。圆或聚焦圆。此时，从点光源此时，从点光源S发射出的
22、呈发散状的符合布拉格条发射出的呈发散状的符合布拉格条件的同一波长的件的同一波长的X射线，经晶体发射后聚焦于射线，经晶体发射后聚焦于P点。这种点。这种聚焦方式称为聚焦方式称为Johansson全聚焦，是目前波谱仪普遍采用全聚焦，是目前波谱仪普遍采用的聚焦方式。的聚焦方式。波谱仪的全聚焦方式23材料现代测试方法 电子探针显微分析n 根据波谱仪在测试过程中分光晶体运动轨迹的特根据波谱仪在测试过程中分光晶体运动轨迹的特点，波谱仪有两种常见的布置形式，即直进式波谱点，波谱仪有两种常见的布置形式，即直进式波谱仪和回转式波谱仪。仪和回转式波谱仪。24材料现代测试方法 电子探针显微分析v 直进式波谱仪工作原理
23、n 直进式波谱仪中，由聚焦电子束轰击直进式波谱仪中，由聚焦电子束轰击试样产生的试样产生的X射线从射线从S点发射出来。分点发射出来。分光晶体沿固定的直线光晶体沿固定的直线SC1移动，并进行移动，并进行相应的转动；探测器也按一定的规律移相应的转动；探测器也按一定的规律移动和转动。确保辐射源动和转动。确保辐射源S、分光晶体弯、分光晶体弯曲表面以及探测器始终维持在半径为曲表面以及探测器始终维持在半径为R的聚焦圆上。显然，圆心位置会不断变的聚焦圆上。显然，圆心位置会不断变化。化。因为聚焦圆的半径因为聚焦圆的半径R是已知的，根据是已知的，根据测出的测出的L1便可求出便可求出1，再由布拉格方程，再由布拉格方
24、程即可算出相对应的特征即可算出相对应的特征X射线波长射线波长1。直进式波谱仪罗兰圆半径不变，三点共圆，圆心变。罗兰圆半径不变，三点共圆，圆心变。25材料现代测试方法 电子探针显微分析 从几何关系来看，分光晶从几何关系来看，分光晶体与试样的距离体与试样的距离L、聚焦圆、聚焦圆的半径的半径R以及入射以及入射X射线与射线与分光晶体衍射平面的夹角分光晶体衍射平面的夹角有以下关系：有以下关系：RL2sinq将（将（1）式代入布拉格方程）式代入布拉格方程(1)qlsin2 d(2)可得：可得：RLdl(3)d:分光晶体的晶面间距分光晶体的晶面间距26材料现代测试方法 电子探针显微分析n 分光晶体直线运动时
25、，假如检测器在某一位置接分光晶体直线运动时，假如检测器在某一位置接收到衍射束，即表明试样被激发的体积内存在相应收到衍射束，即表明试样被激发的体积内存在相应的元素。衍射束的强度和元素含量成正比。的元素。衍射束的强度和元素含量成正比。例如例如:当聚焦圆的半径为当聚焦圆的半径为140mm时，用时，用LiF晶体为分光晶体，晶体为分光晶体，以面网间距为以面网间距为0.2013nm的（的（200）晶面为衍射平面，在）晶面为衍射平面，在L=134.7mm处，可探测到处，可探测到FeK(=0.1937nm)的特征的特征X射射线，在线，在L=107.2mm处，可探测到处，可探测到CuK（0.154nm）的特）的
26、特征征X射线。射线。RLdl27材料现代测试方法 电子探针显微分析合金钢波谱分析谱线图28材料现代测试方法 电子探针显微分析n 直进式波谱仪的优点是直进式波谱仪的优点是X射线照射分光晶体的方射线照射分光晶体的方向是固定的，即出射角保持不变，这样可使向是固定的，即出射角保持不变，这样可使X射线射线穿出样品表面过程中所走的路线相同，即吸收条件穿出样品表面过程中所走的路线相同，即吸收条件相等。相等。29显像管射线束的横向扫描与电子束在试样上的扫描同步进行，用谱仪（波谱仪或能谱仪）探测到的特征X射线的强度（计数）调制显像管射线束的纵向位置，就可得到反映该元素含量变化情况的特征X射线强度沿扫描线的分布曲
27、线。能谱仪主要由Si(Li)探测器、前置放大器、脉冲信号处理单元、模数转换器、多道脉冲分析器、小型计算机及显示记录系统等部分组成定量分析：样品中对应元素含量材料现代测试方法 电子探针显微分析能谱仪没有机械传动部分，因此稳定性和重复性都很好。Cr Cr 1-Jun-1999 12:00 AMX射线波长分散谱仪主要由分光晶体、X射线探测器、X射线计数器和记录系统等部分组成。扫描电镜和电子探针从原理上讲是一样的，但是扫描电镜主要是做形貌观察，电子探针主要是做微区成分，用WDS分析元素。材料现代测试方法 电子探针显微分析显微组织及超微尺寸材料的研究WDS：用来测定特定波长的谱仪利用能谱仪可以得到试样的
28、X射线能谱图，该图反映了试样发射的X射线的能量与强度关系。Si(Li)晶体对X射线的检测率极高，因此能谱仪的探测效率比波谱仪高。JXA-8530F电子探针外观图扫描电镜也可做微区成分，不过一般都用EDS，虽然很快，但是精度差。(3)能谱仪的结构比波谱仪简单。EPMA和SEM的区别场发射电子探针的特点1最后得到以通道地址（能量）为横坐标，以通道脉冲计数（强度）为纵坐标的X射线能量分散谱图。1 电子探针的结构与工作原理材料现代测试方法 电子探针显微分析v 回转式波谱仪工作原理n 回转式波谱仪中，聚焦圆的圆回转式波谱仪中，聚焦圆的圆心心O不移动，分光晶体和检测器不移动，分光晶体和检测器在聚焦圆的圆周
29、上以在聚焦圆的圆周上以1:2的角速的角速度运动，以保证满足布拉格方程。度运动，以保证满足布拉格方程。n 这种波谱仪结构比直进式波谱这种波谱仪结构比直进式波谱仪结构更为简单，出射方向改变仪结构更为简单，出射方向改变很大，在表面不平度较大的情况很大，在表面不平度较大的情况下，由于下，由于X射线在样品内行进路射线在样品内行进路线不同，往往会因吸收条件变化线不同，往往会因吸收条件变化而造成分析上的误差。而造成分析上的误差。回转式波谱仪30材料现代测试方法 电子探针显微分析v 分光晶体的检测范围n 一块分光晶体只能把一定波长范围的一块分光晶体只能把一定波长范围的X射线分开。射线分开。分光晶体能够分散的分
30、光晶体能够分散的X射线的波长范围决定于其衍射线的波长范围决定于其衍射面的晶面间距射面的晶面间距d和分光晶体衍射面与入射射线的和分光晶体衍射面与入射射线的夹角夹角的可变范围的可变范围。n 根据布拉格方程根据布拉格方程=2dsin，当，当=0o时，时，=0；当；当=90o时，时，=2d。从理论上看，每块分光晶体能够分。从理论上看，每块分光晶体能够分散的散的X射线波长范围应为射线波长范围应为02d。31材料现代测试方法 电子探针显微分析n 实际测试中，由于受到谱仪设计几何位置的的限实际测试中，由于受到谱仪设计几何位置的的限制，制，值过大时，晶面反射率太低；值过大时，晶面反射率太低；值过小时，一值过小
31、时，一是计数管损伤太厉害，二是空间位置也不能安排是计数管损伤太厉害，二是空间位置也不能安排。所以所以角大致是在角大致是在12o65o范围内。按此推算，分光范围内。按此推算，分光晶体能够分散的晶体能够分散的X射线波长范围大致是射线波长范围大致是0.4d1.8d之之间。间。如利用如利用LiF晶体的（晶体的（200）面网（）面网（d=2.013），理论检），理论检测范围为测范围为04.03，但实际探测范围为，但实际探测范围为0.893.5。32材料现代测试方法 电子探针显微分析n 由于每块分光晶体能够分散的由于每块分光晶体能够分散的X射线波长范围是射线波长范围是有限的，因此，用一块分光晶体只能检测波
32、长在某有限的，因此，用一块分光晶体只能检测波长在某个范围的个范围的X射线。为了使波谱仪能够尽可能多地分射线。为了使波谱仪能够尽可能多地分析周期表中的元素，必须配备几种晶面间距的分光析周期表中的元素，必须配备几种晶面间距的分光晶体。晶体。常用分光晶体的检测范围见后表。常用分光晶体的检测范围见后表。目前，电子探针波谱仪能分析的元素为目前，电子探针波谱仪能分析的元素为4Be92U。33波谱仪的种类和特征波谱仪的种类和特征3435直进式波谱仪的优点是X射线照射分光晶体的方向是固定的，即出射角保持不变，这样可使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。2013nm的（200）晶面为衍射平面
33、，在L=134.其能量等于外层电子能级与K层电子能级之差。材料现代测试方法 电子探针显微分析关节修复移植材料在周围组织中的扩散情况材料现代测试方法 电子探针显微分析1 电子探针的结构与工作原理但是，和波谱仪相比，能谱仪存在以下不足：材料现代测试方法 电子探针显微分析但是它们都不能解决一个根本问题，即这些元素在一块矿石中的微观分布？一些贵金属和稀有金属是否在某些特定的地质结构中富集？某些矿物是否和其他的矿物共生？电子探针可以解决这些问题。6 电子探针对试样的要求小束斑、高亮度小束斑空间分辨率高能更好的进行微区的EDS和EELS分析；虽然平面单晶体可以把各种不同波长的X射线分光展开，但就收集单波长
34、X射线的效率来看是非常低的。分光晶体可在谱仪轨道的任何位置交换（翻转）分光晶体交换后无须机械调整、数据的重复性好分析速度快，对于大量数据的分析（如面分布分析等），节省时间定量分析：样品中对应元素含量材料现代测试方法 电子探针显微分析X射线波长分散谱仪主要由分光晶体、X射线探测器、X射线计数器和记录系统等部分组成。分析结果的信噪比提高。材料现代测试方法 电子探针显微分析材料现代测试方法 电子探针显微分析各种分光晶体的分析范围各种分光晶体的分析范围36材料现代测试方法 电子探针显微分析每一道谱仪包括两块分光晶体承担不同元素范围的分析每一道谱仪包含两块分光晶体每一道谱仪包含两块分光晶体X射线测量强度
35、、分辨率和射线测量强度、分辨率和罗兰圆的关系罗兰圆的关系同一电子探针中，两种罗兰圆的设计思想，兼顾了分辨率和灵敏度（专利技术）同一电子探针中，两种罗兰圆的设计思想，兼顾了分辨率和灵敏度（专利技术）分光晶体可在谱仪轨道的任何位置交换（翻转）分光晶体交换后无须机械调整、数据的重复性好分析速度快，对于大量数据的分析（如面分布分析等），节省时间分光晶体交换（翻转）示意图分光晶体交换（翻转）示意图40各种电子枪的比较各种电子枪的比较表征电子枪的物理量：束流、束流稳定度、能量发散度表征电子枪的物理量：束流、束流稳定度、能量发散度热电子发射热电子发射场发射场发射电子枪种类电子枪种类钨灯丝钨灯丝W六硼化镧六硼
36、化镧LaB6热场发射热场发射ZrO/W冷场发射冷场发射W光源尺寸光源尺寸(m)50100.050.03发射温度发射温度(K)280018001800300能量发散度能量发散度(eV)2.31.50.70.3束流束流（小束斑下）（小束斑下）15100-100束流稳定度束流稳定度稳定稳定较稳定较稳定稳定稳定不稳定不稳定真空度真空度（Pa）10-310-510-710-8使用寿命使用寿命几个月几个月约约1年年约约5年年左右左右更长更长电子枪费用电子枪费用(US$)201,000较贵较贵较贵较贵场发射电子枪的主要优点场发射电子枪的主要优点FEGW或或LaB6小束斑、高亮度小束斑空间分辨率高能更好的进行
37、微区的小束斑、高亮度小束斑空间分辨率高能更好的进行微区的EDS和和EELS分析；高亮度更容易进行图像观察。分析；高亮度更容易进行图像观察。能量发散度小配备能量发散度小配备EELS，可以进行化学价态分析。可以进行化学价态分析。场发射枪场发射枪LaBLaB6 6枪枪钨灯丝枪钨灯丝枪5m5mm m5m5mm m5m5mm m金颗粒的二次电子金颗粒的二次电子像像 10kV、100nA1 110101001001000100010000100001.E-121.E-121.E-111.E-111.E-101.E-101.E-091.E-091.E-081.E-081.E-071.E-071.E-061.
38、E-06Probe current(A)Probe current(A)Probe diameter(nm)Probe diameter(nm)Acc.V=10kVAcc.V=10kVFEFEW WLaBLaB6 6Effective range for analysis by FEEffective range for analysis by FE场发射电子探针的特点场发射电子探针的特点1束斑尺寸束斑尺寸空间分辨率高空间分辨率高场发射电子探针的特点场发射电子探针的特点2利用小束斑下大束流的特点结果：二次电子、背散射电子像质量明显提高，接近场发射扫描电镜。波谱、能谱分析速度大大提高；分析结果的
39、信噪比提高。场发射电子探针的特点场发射电子探针的特点3无铅焊锡，束流为无铅焊锡，束流为10nA，加速电压为，加速电压为8kV，三个面分布分析分别对应于场发射枪、六硼化镧枪和钨，三个面分布分析分别对应于场发射枪、六硼化镧枪和钨灯丝枪的分析结果，由于场发射枪的小束斑下高亮度的优点，灯丝枪的分析结果，由于场发射枪的小束斑下高亮度的优点，Ag和和Cu的颗粒可清晰分辨的颗粒可清晰分辨。45材料现代测试方法 电子探针显微分析材料现代测试方法 电子探针显微分析定量分析一般采用波谱仪。值过小时，一是计数管损伤太厉害，二是空间位置也不能安排。2、不同：EPMA 的 WDS 具有更低的检出限，可以分析痕量元素，且
40、超轻元素(5B 9F)定量分析准确度远高于SEM 上的 EDS。一块分光晶体只能把一定波长范围的X射线分开。其能量等于外层电子能级与K层电子能级之差。由于作用在试样上的电子束很细，形状如针，故称之为电子探针。因此，根据试样被激发出来的特征X射线的能量分布情况，可以对试样的元素组成进行定性和定量分析。2013nm的（200）晶面为衍射平面，在L=134.03，但实际探测范围为0.EPMA对试样的要求与SEM对试样的要求基本上是一样的，也要求试样导电。根据峰位（特征X射线的能量）可以检测出试样中存在何种元素，即进行化学成分定性分析。1、电子探针的结构与工作原理3、X射线能量分散谱仪（能谱仪EDS）
41、每一道谱仪包含两块分光晶体X射线波长分散谱仪实际上是X射线分光光度计。能谱仪主要由Si(Li)探测器、前置放大器、脉冲信号处理单元、模数转换器、多道脉冲分析器、小型计算机及显示记录系统等部分组成定量分析：样品中对应元素含量直进式波谱仪中，由聚焦电子束轰击试样产生的X射线从S点发射出来。材料现代测试方法 电子探针显微分析3 X射线能量分散谱仪 v 能谱仪的基本概念用来测定用来测定X X射线特征能量的谱仪射线特征能量的谱仪n X射线能量分散谱仪（简称能谱仪）是根据射线能量分散谱仪（简称能谱仪）是根据X射线射线的能量不同对的能量不同对X射线进行展谱分析的仪器，其作用射线进行展谱分析的仪器，其作用是把
42、不同能量的是把不同能量的X射线分开，并测定和记录各种射线分开，并测定和记录各种X射射线的能量和强度。利用能谱仪可以得到试样的线的能量和强度。利用能谱仪可以得到试样的X射射线能谱图，该图反映了试样发射的线能谱图，该图反映了试样发射的X射线的能量与射线的能量与强度关系。强度关系。46材料现代测试方法 电子探针显微分析 X射线的能量射线的能量E与波长与波长具有以下关系：具有以下关系：lchE 前面已介绍，前面已介绍，各种元素的特征各种元素的特征X射线具有特定的波射线具有特定的波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量出的特征能量E。因此，根
43、据试样的。因此，根据试样的X射线能谱图射线能谱图同样可以对试样的微区化学成分进行定性和定量分同样可以对试样的微区化学成分进行定性和定量分析析。47材料现代测试方法 电子探针显微分析 当原子当原子K层的电子被打层的电子被打掉出现空位时，其外面的掉出现空位时，其外面的L、M、N层的电子均层的电子均有可能跃迁到有可能跃迁到K层来填补层来填补空位，由此将产生空位，由此将产生K系特系特征征X射线。射线。其能量等于外其能量等于外层电子能级与层电子能级与K层电子能层电子能级之差级之差。K系特征系特征X射线包括射线包括L层电子跃迁到层电子跃迁到K层产生的层产生的K特征特征X射线，射线，M层电子跃迁到层电子跃迁
44、到K层产生的层产生的 K特征特征X射线和射线和N层层电子跃迁到电子跃迁到K层产生的层产生的K特征特征X射线。射线。n 特征X射线的能量48材料现代测试方法 电子探针显微分析n 原子的能级结构决定原子的能级结构决定了其对应的特征了其对应的特征X射线的射线的能量，能量，各种元素的特征各种元素的特征X射线都具有特定的能量射线都具有特定的能量。因此，根据试样被激发因此，根据试样被激发出来的特征出来的特征X射线的能量射线的能量分布情况，可以对试样分布情况，可以对试样的元素组成进行定性和的元素组成进行定性和定量分析。定量分析。49材料现代测试方法 电子探针显微分析v 能谱仪的结构n 能谱仪主要由能谱仪主要
45、由Si(Li)探测器、前置放大器、脉冲信探测器、前置放大器、脉冲信号处理单元、模数转换器、多道脉冲分析器、小型号处理单元、模数转换器、多道脉冲分析器、小型计算机及显示记录系统计算机及显示记录系统等部分组成等部分组成50材料现代测试方法 电子探针显微分析v 能谱仪的工作原理n 由聚焦电子束激发产生的具有不同能量的特征由聚焦电子束激发产生的具有不同能量的特征X射线经射线经Be窗口射入窗口射入Si(Li)探测器，使探测器，使Si原子电离，产原子电离，产生电子生电子-空穴对。由于每产生一个电子空穴对。由于每产生一个电子-空穴对需要空穴对需要清耗清耗3.8eV的能量。因此，一个能量为的能量。因此，一个能
46、量为E的入射的入射X光光子将产生子将产生N（=E/3.8）对电子）对电子-空穴，根据空穴，根据X光子激光子激发的电子发的电子-空穴对的数量空穴对的数量N，即可求得入射，即可求得入射X光子的光子的能量能量E。E=3.8N51材料现代测试方法 电子探针显微分析n 在在Si（Li）半导体的两端加一个偏压，将电子）半导体的两端加一个偏压，将电子-空穴对收集空穴对收集起来，起来，每入射一个每入射一个X光子，探测器将输出一个电流脉冲，脉光子，探测器将输出一个电流脉冲，脉冲的高度与冲的高度与X光子的能量成正比光子的能量成正比。电流脉冲由脉冲信号处理。电流脉冲由脉冲信号处理单元和模数转换器转换成电压脉冲，然后
47、送入多道脉冲分析单元和模数转换器转换成电压脉冲，然后送入多道脉冲分析器。多道脉冲分析器将电压脉冲按脉冲高度进行分类，器。多道脉冲分析器将电压脉冲按脉冲高度进行分类，让不让不同高度的脉冲进入不同的通道，并记录进入各个通道的脉冲同高度的脉冲进入不同的通道，并记录进入各个通道的脉冲数数。通道的地址反映了。通道的地址反映了X光子的能量，通道的脉冲数则代表光子的能量，通道的脉冲数则代表了了X射线的强度。最后得到以通道地址（能量）为横坐标，射线的强度。最后得到以通道地址（能量）为横坐标，以通道脉冲计数（强度）为纵坐标的以通道脉冲计数（强度）为纵坐标的X射线能量分散谱图。射线能量分散谱图。52材料现代测试方
48、法 电子探针显微分析n X射线能谱图上，峰位表示射线能谱图上，峰位表示X射线的能量，峰高则射线的能量，峰高则反映反映X射线的强度。射线的强度。根据根据峰位（特征峰位（特征X射线的能量）射线的能量）可以检测出试样中可以检测出试样中存在何种元素，即进行化学成分存在何种元素，即进行化学成分定性分析定性分析。根据根据峰的高度（特征峰的高度（特征X射线的强度）射线的强度）可对试样中的可对试样中的元素进行元素进行定量定量和和半定量分析半定量分析。53材料现代测试方法 电子探针显微分析54材料现代测试方法 电子探针显微分析4 波谱仪与能谱仪的比较n 和波谱仪相比，能谱仪具有以下几方面的优点：和波谱仪相比，能
49、谱仪具有以下几方面的优点：(1)能谱仪能谱仪探测探测X射线的效率高射线的效率高。Si(Li)探头可以安放在比较接近样品的位置，它对探头可以安放在比较接近样品的位置，它对X射线源所张的立体角很大；射线源所张的立体角很大；X射线信号直接由探头收射线信号直接由探头收集，不必通过分光晶体衍射，不存在衍射导致的强集，不必通过分光晶体衍射，不存在衍射导致的强度损失。度损失。Si(Li)晶体对晶体对X射线的检测率极高，因此能射线的检测率极高，因此能谱仪的探测效率比波谱仪高。谱仪的探测效率比波谱仪高。55材料现代测试方法 电子探针显微分析(2)能谱仪能谱仪分析速度快分析速度快。能谱仪可在同一时间内对分析点内所
50、有元素的能谱仪可在同一时间内对分析点内所有元素的X射射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内就可以线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内就可以得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素的特征波长。素的特征波长。(3)能谱仪的能谱仪的结构结构比波谱仪比波谱仪简单简单。能谱仪没有机械传动部分，因此能谱仪没有机械传动部分，因此稳定性稳定性和和重复性重复性都都很好很好。(4)能谱仪能谱仪对样品的要求对样品的要求比波谱仪更比波谱仪更低低。能谱仪不必聚焦，因此对样品表面没有特殊要求，能谱仪不必聚焦，因此对样品表面没有特殊要求，适合于粗糙表面的分析工作。适合于
