电子显微分析5课件.ppt

1、 试样在电子束作用下产生特征x射线，具有元素固有的能量和波长，将他们展开成谱线后，根据其能量或波长就可以确定元素的种类，根据谱线的强度就可以确定其含量。有两种展谱方法：x射线能量色散谱法，相应的仪器叫x射线能量色散谱仪，简称能谱仪（EDS:Energy Dispersive X-ray Spectrometer）x射线波长色散谱法，相应的仪器叫x射线波长色散谱仪，简称波谱仪（WDS:Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer)）能谱仪探测系统 放大系统 分析展谱系统 计算输出系统 能谱仪的关键部件是锂漂移硅固体探测器，习惯上记作Si(Li)探测器，实际上是

2、一个Si二极管探测器，用热扩散的方法将锂漂移进去补偿杂质，以便吸收需要检测的能量范围的x射线。从偏压供给的负电压给p层，n层则与FET前置放大器相连接。在没有x射线进入时，没有电流通过探测器，它的工作像一个反偏压的二极管。整个探测器组件保持在真空中、使其接近液氮温度，以减小热引起的噪声（现在已有不用冷却的EDS探测器）。当一个x射线光子进入本征区，从Si原子中逐出一个电子，并把多余的能量交给此电子，为光电子。这个光电子又将其能量转移给晶体，形成电子空穴对。对硅晶体来说，平均每产生一对电子空穴对约吸收3.8eV的x射线能量。因此，特征能量为E的x光子在硅晶体被全部吸收时能产生的电子空穴对数目为

3、nE3.8 不同能量的x光子将产生不同的电子空穴对数。例如Fe的K辐射能量E(Fe K)6.40keV，则 n1685。电子产生的总电荷量为 Qne Ee3.8 Q值很小。例如Q(Fe K)2.7x10-16 C。这些电荷在1F电容Cf上造成的电压脉冲 VQ Cf 对Fe K来说，V(Fe K)0.27mV。从上述过程可见，锂漂移硅半导体检测器的作用就是把x射线信号转变为电信号，产生电压脉冲。Si(Li)探测器前端有一个的窗口，让x射线进入，还要保持真空。一般用铍薄膜（厚810m）来制作窗口，但铍薄膜对低能x射线吸收严重，不能分析比Na(Z=11)轻的元素。现代EDS多用有机膜（厚0.30.5

4、m）制作窗口，或无窗口，可分析Be(Z=4)以上的元素。漂移硅半导体检测器产生电压脉冲很小，要通过高信噪比的场效应管前置放大器放大，然后再经过主放大器放大和整形。显然，放大器增益的选择必须保证输出电压信号幅值正比于单个入射x光子的能量。放大器输出的脉冲信号输入多道脉冲高度分析器。多道脉冲高度分析器中的模数转换器首先把脉肿模拟信号转换成数字信号，建立起电压脉冲幅值(即对应x光子能量)与道址的对应关系。常用的x光子能量范围在0一20.48keV，如果总道址数为1024，那么每个道址对应的能量范围是20eV。x光子能量低的对应道址号小，高的对应道址号大。道址号与x光子能量之间存在对应关系。然后多道脉

5、冲高度分析器把电压脉冲按其幅值的大小分道计数。根据不同道址上(对应不同能量的x光子)记录的x光子的数目，就可确定各种元素的x射线强度。它是作为测定样品中各元素相对含量的信息。然后，在xy记录仪或阴极射线管上把脉冲数脉冲高度（对应于x光子的能量）曲线显示出来，这即是x光子的能谱曲线。元素元素 k k比比 ZAFZAF修正值修正值 重量百分比重量百分比%原子百分比原子百分比%Al-(Ka)0.04045 0.6180 6.2300 10.5138 Si-(Ka)0.00622 0.7289 0.8119 1.3163 Ti-(Ka)0.91885 0.9773 89.4993 85.0784 V-

6、(Ka)0.03448 0.9489 3.4587 3.0916 能量分辨率 用能谱峰的半高宽来表示：E 由于产生电荷的统计性得到的探测器的半高宽EN 考虑与统计变化、探测器和前置放大器中的噪声 有关的振幅展宽造成的增量 Attken和woo(1971)指出，对Mn K，(5.9keV)的最大理论分辨率约为100eV。现代使用的探测器的分辨率为136eV或更好些，已接近理论值了。我校的EDS的能量分辨率为154ev。空间分辨率 所能分析的最小区域。前面已讲过，大于1m，但如采用薄膜样品，分析区域会小得多。厚度能谱分析的特点：1、速度快，可在12分钟之内对Z11(或 4)的所有元素进行分析。2、

7、灵敏度高，单位入射电子束强度所产生的x射线计数率达104cps/nA。3、工作的电子束流可以较低（10-11 A），有利于提高空间分辨率。4、结构紧凑。5、适合较粗糙表面的分析工作。6、能量分辨率低，低能部分谱线重叠严重。7、峰背比低，定量分析精度稍差。能谱仪常常安装在扫描电子显微镜上，也常常安装在透射电子显微镜上分析电子显微镜。电子探针x射线显微分析仪电子探针是理想的微区化学成分分析工具，广泛应用于冶金、地质、矿物、生物、医学、材料、考古等领域，其原因是它与其他化学分析方法相比有如下特点：(1)分析区域小(几个(m)3)，能提供元素微观尺度上的成分不均匀信息；(2)分析灵敏度为10-410-

8、6数量级，但由于分析区域小，其绝对感量高达10-1510-18 g。(3)能把成分分析和显微组织观察有机结合起来；(4)样品制备方便而且不损耗原始样品。电子探针的电子光学系统与扫描电子显微镜相同，有电子枪，聚光镜、扫描线圈等，不同之处为多了一个光学显微镜以供选择感兴趣的部分，装有多个波谱仪进行成分分析，波谱仪是电子探针的主要组成部分。JXA-8100电子探针微量分析仪电子探针微量分析仪Electron Probe Microanalyzer波谱仪探测系统 放大系统 分析展谱系统 计算输出系统 波谱仪的基本工作原理 波谱仪主要由分光晶体和x射线检测器组成。根据布拉格公式：2dsin 若晶体的衍射

9、晶面间距d已知，只要通过连续地改变角，就可以在与入射方向成各种2 角的方向上测到各种单一波长的特征x射线信号，从而展示适当波长范围以内的全部x射线谱，这就是波谱仪的基本原理。布拉格公式中的sin 值变化范围是从01，所能检测的特征X射线波长不能大于2d。一块晶体的晶面间距d值不能覆盖周期表中所有元素的波长，因此，对于不同波长的x射线就需要选用与之相适应的分光晶体。晶体分子式（缩写）反射晶面晶面间距（）检测波长范围（）可检测元素范围氟化锂LiF(LiF)2002.0130.893.5K系：20Ca37RbL系：51Sb92U异戍四醇C5H12O4(PET)0024.3752.07.7K系：14S

10、i26FeL系：37Rb65TbM系：72Hf92U邻苯二酸铷邻苯二酸钾C8H5O4Rb(RAP)C8H5O4K(KAP)101013.0613.325.823.6K系：9F15PL系：24Cr40ZrM系：57La79Au肉豆蔻酸铅(C14H27O2)2M*(MYR)-4017.670K系：5B9FL系：20Ca25Mn硬脂酸铅(C18H35O2)2M*(STE)-502288K系：5B8OL系：20Ca23V甘四烷酸铅(C24H47O2)2M*(LIG)-6529114K系：4Be7NL系：20Ca21ScM*表示Pb、Ba等种金属元素，这三种均为多层皂膜赝晶体，适合于分析Z10-9 A）

11、，使得空间分辨率低。WDS的分析速度慢，每个分光晶体每次只能分析一个元素。完成全谱定性分析需要15分钟以上。例子：要测某试样中的元素Fe，步骤如下：1、查手册知Fe的K 波长=1.94。2、确定分光晶体：LiF可检测的波长 范围0.893.5，1.94在其中。3、根据Bragg公式：2dsin=，求出角：LiF的衍射晶面间距d(200)=2.013，sin=Fe K/2dLiF200=1.94/(22.013)=0.4794,=61.354、移动分光晶体和探测器使=61.35，这样只要试样中有Fe，产生x射线进入分光晶体，被分光晶体衍射，波长为1.94Fe的K线的波长。衍射线被探测器接收并被放大，在=1.94 处显示一个峰值。峰的高低可定性表示Fe含量的多少。1.94 ()cpsFe-K