电子探针的分析原理与结构——工作原理分析根据莫斯利定律,各种元素的特征X射线都有各自确定的波长,满足以下关系:通过检测这些不同波长的X射线来确定样品中所含的元素,这是电子探针定性分析的基础。通过比较被测样品中Y元素与标准样品的衍射强度,可以进行电子探针的定量分析。当然,用电子束激发的X射线来分析元素,是建立在入射电子束的能量必须大于元素原子内部电子的临界电离激发能的前提下。第二种结构电子探针主要由电子光学系统(镜筒)、X射线谱仪和信息记录显示系统组成。电子探针和扫描电子显微镜在电子光学系统中具有基本相同的结构,它们常常组合成一台仪器。电子光学系统该系统在样品表面上提供具有足够高的入射能量、大的束流和尽可能小的束斑直径的电子束,用于电子探针分析,作为X射线的激发源。为此,一般采用钨丝热发射电子枪和2-3个聚光镜的结构。为了提高X射线的信号强度,电子探针必须采用比扫描电子显微镜更高的入射电子束电流(在10-9-10-7A的范围内)。常用的加速电压为10-30 KV,束斑直径约为0.5微米.电子探针在镜筒部分明显不同于扫描电子显微镜的是光学显微镜。其功能是选择和确定分析点。方法如下:首先将能发出荧光的材料(如ZrO2)放置在电子束轰击下,这样可以观察到电子束轰击点的位置,通过样品移动装置将其调整到光学显微镜目镜的十字线的交点,这样电子束就能准确地轰击在分析点上,同时保证分析点在X射线谱仪的正确位置。电子探针中使用的光学显微镜大多是同轴反射式物镜,其优点是可以同时进行光学观察和X射线分析。放大倍数100-500倍。2 x射线谱仪电子束轰击样品表面会产生特征x射线,不同元素具有不同的x射线特征波长和能量。通过识别其特征波长或特征能量,可以确定所分析的元素。利用特征波长测定元素的仪器称为波长色散谱仪(光谱仪),利用特征能量的仪器称为能量色散谱仪(光谱仪)。(1)分光计当然分光计的关键是如何将未知的特征谱线与已知的元素Z联系起来?为此,假设有一种特殊的晶体(我们称之为光谱晶体),其晶面间距为d,当不同特征波长的X射线照射在其上时,如果满足布拉格条件(2dsin=),就会发生衍射。显然,对于任何给定的入射角,只有一个特定的波长满足衍射条件。这样就可以预先建立角与对应元素的一系列对应关系。当电子束激发的X射线照射二色性晶体时,我们可以在与入射方向成2角的相应方向上接收到该波长的X射线信号,同时测量出相应的化学元素。只要探测器连续扫描2的角度,就可以在整个元素范围内实现连续测量。虽然平面分束晶体可以传播不同波长的X射线,但由于只有一点产生的X射线衍射线强度很低,探测器接收到的信号会很弱。所以最好采用X射线聚焦法,即聚集多点衍射线来增加强度。因为X射线无法通过透镜聚焦,只能通过弯曲晶体来实现。弯曲晶体的聚焦条件要求X射线源(样品表面上的分析点)、分光晶体和X射线检测器在同一圆周上(即
如果探测器接收窗的狭缝放在D点,就可以接收到被所有晶面强烈衍射的单波长X射线。下表列出了光谱仪中常用的分光晶体的基本参数和可测范围。被二向色晶体色散的单一波长的X射线被X射线探测器接受,常用的探测器一般是正比计数器。当X射线光子进入计数管时,管内气体被电离,在电场作用下产生电脉冲信号。下图显示了电子探针中X射线记录和显示设备的框图。可以看到,计数器输出的电信号会通过前置放大器和主放大器放大成0-10V左右的电压脉冲信号,这个信号会被送到脉冲幅度分析器。(2)来自样品的X射线光子通过铍窗进入锂漂移硅固态探测器。硅晶体对每个X光子能量的吸收会在晶体中产生电子-空穴对。不同能量的x光子会产生不同的电子-空穴对。比如Fe的K辐射可以产生1685个电子-空穴对,而Cu是2110个。知道了电子空穴对数,就可以求出相应的电荷量和固定电容(1F)上的电压脉冲。比如对于Fe的K,V=0.27mV,对于Cu的K,V=0.34mV,可见锂漂移硅固态探测器的作用是将X射线转化为电信号,产生电脉冲。这个小电压脉冲被FET前置放大器和主放大器以高信噪比放大两次,以产生足够强度的电压脉冲。放大的信号被发送到多通道脉冲高度分析仪。多道脉冲幅度分析器中的数模转换器首先将脉冲信号转换成数字信号,建立电压脉冲幅度与道地址的对应关系(道地址号与X光子能量之间存在对应关系)。常用的X-光子能量范围是0.2-20.48keV,如果总共有1024个跟踪地址,那么每个跟踪地址对应的能量范围是20eV。低X光子能量对应的道数小,高X光子能量对应的道数大。根据记录在不同轨道上的X射线光子的数量,可以确定各种元素的X射线强度。它被用作测量样品中各元素相对含量的信息。然后在X-Y记录仪或阴极射线管上显示脉冲数和脉冲高度的曲线,这就是X光子的能谱曲线。下图分别是ZL104压铸铝硅合金中Fe相的二次电子图像及其成分能谱曲线。下表给出了Fe相成分能谱的定量结果。(3)分光计和分光计的性能对比上面提到,分光计和分光计都可以对样品中的元素进行分析,只是性能不同。a .探测效率锂漂移硅探测器对谱仪中X射线发射源的立体角明显大于谱仪,因此前者可以接收更多的X射线;其次,光谱仪由于二向色晶体的衍射损失了一些X射线强度,所以光谱仪的探测效率高。b .空间分析能力能谱仪由于探测效率高,可以在较小的电子束电流下工作,使束斑直径减小,空间分析能力提高。目前,在分析电子显微镜中的微束工作模式下,光谱仪分析的最小微区已经达到了纳米量级,而光谱仪的空间分辨率只有微米量级。c .能量分辨率光谱仪的最佳能量分辨率为149eV,光谱仪的能量分辨率为0.5nm,相当于5-10eV。可以看出,光谱仪的分辨率比光谱仪高一个数量级。d .分析速度谱仪可以同时探测和计数分析点所有X射线光子的能量,只需要几分钟就可以得到全光谱定性分析结果;但光谱仪只能逐个测量各元素的特征波长,一次完整的分析往往需要几个小时。e .元素范围的分析光谱仪可以测量元素范围之间的所有元素
能谱仪对样品表面无特殊要求,适用于粗糙表面的成分分析。根据以上分析,能谱仪和spectrum I各有特点,不能互相替代。近年来,常与扫描电场相结合,在一台仪器上快速实现对材料结构和成分的分析。电子显微镜原理与技术