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1、第十三章 电子探针,多媒体制作 X. C. He 南京工程学院材料教研室,13.1 概论,电子探针的主要功能 进行微区成分分析。它是在电子光学和X射线光谱学原理的基础上发展起来的一种高效率分析仪器。 原理： 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X射线的波长（或能量）可知元素种类；分析特征X射线的强度可知元素的含量。,13.2 电子探针仪的结构与工作原理,结构分为三大部分：镜筒、样品室、和信号检测系统。, 镜筒和样品室部分与SEM相同。 信号检测系统是X射线谱仪，对微区进行化学成分分析： 波长分散谱仪或波谱仪（WDS），用来测定特定波长的谱仪； 能量分散谱仪或能谱仪（
2、EDS），用来测定X射线特征能量的谱仪 要使同一台仪器兼具形貌分析和成分分析功能，往往将扫描电镜和电子探针组合在一起。,波长分散谱仪（波谱仪WDS）,1工作原理,1) 电子束入射样品表面产生的X射线是在样品表面下一个m量级乃至纳米量级的作用体积发出的，若该体积内含有各种元素，则可激发出各个相应元素的特征X线，沿各向发出，成为点光源。,2) 在样品上方放置分光晶体，当入射X波长、入射角、分光晶体面间距d之间满足: 2dsin= 时， 该波长将发生衍射，若在其衍射方向安装探测器，便可记录下来。由此，可将样品作用体积内不同波长的X射线分散并展示出来。,上述平面分光晶体使谱仪的检测效率非常低，表现在：
3、(1)固定波长下，特定方向入射才可衍射；(2)处处衍射条件不同,要解决的问题是：分光晶体表面处处满足同样的衍射条件； 实现衍射束聚焦 解决的办法是： 把分光晶体作适当的弹性弯曲，并使X射线源、弯曲晶体表面和检测器窗口位于同一个圆周上，就可以达到把衍射束聚焦的目的。该圆称为聚焦圆，半径为R。 此时，如果晶体的位置固定，整个分光晶体只收集一种波长的X射线，从而使这种单色X射线的衍射强度大大提高。,X射线聚焦方式有两种：,Johann 型聚焦法： 弯曲单晶的衍射晶面的曲率半径为2R。近似聚焦方式。 2) Johansson型聚焦法： 衍射晶面表面的曲率半径为R，即晶体表面磨制成和聚焦圆相合。全聚焦法
4、 显然，只要改变晶体在聚焦园的位置，即可改变入射角，从而可探测不同波长的X线。,实际中使用的谱仪布置形式有两种,1）直进式波谱仪：,X射线照射分光晶体的方向固定，即出射角保持不变，聚焦园园心O改变，这可使X射线穿出样品表面过程中所走 的路线相同也就是吸收条件相等。,2）回转式波谱仪,园周上以1：2的角速度转动，以保证满足布拉格条件。这种波谱仪结构较直进式简单，但出射方向改变很大，在表面不平度较大的情况下，由于X射线在样品内行进的路线不同，往往会造成分析上的误差。,2. 测定原理,以直进式为例说明。,如图示，分光晶体位置沿直线运动时晶体本身产生相应的转动，从而使和满足Bragg条件。 在O1圆上
5、,L1点光源和分光晶体距离，在仪器上读取，R已知，可求得1，即可求得1,3. 分析方法,直进式波谱仪中在进行定点分析时，只要把距离L从小变大，就可在某些特定位置测到特征波长信号，经处理后可在荧光屏或X-Y记录仪上把谱线描绘出来。 由于结构上的限制，L不能太长。一般在1030cm范围。在聚焦园R=20cm的情况下，则约在1565之间变化。可见一个分光晶体能够覆盖的波长范围是有限的，也只能测定某一原子序数范围的元素。,要测定z=4-92范围的元素，则必须使用几块晶面间距不同的晶体，因此，一个谱仪中经常装有2块分光晶体可以互换，一台电子探针仪上往往装有26个谱仪，几个谱仪一起工作可以同时测定几个元素
6、。,能量分散谱仪（能谱仪EDS）,1. 工作原理 利用不同元素X射线光子特征能量不同特点进行成分分析 锂漂移硅能谱仪Si(Li)框图,假定产生一个空穴对的最低平均能量为（固定的），则由一个光子造成的空穴对数目为：,N 一个X射线光子造成的空穴电子对的数目 产生一个空穴对的最低平均能量 特征能量由此可见，越大，N就越大,工作过程加在Si(Li)晶体两端偏压来收集电子空穴对 （前置放大器）转换成电流脉冲 （主放大器）转换成电压脉冲 （后进入）多通脉冲高度分析器，按高度把脉冲分类，并计数，从而描绘IE图谱。,2. 能谱仪分析特点,优点（与波谱仪相比） 1) 能谱仪探测X射线的效率高。其灵敏度比波谱仪
7、高约一个数量级。2) 在同一时间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，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。 3) 结构简单，稳定性和重现性都很好（因为无机械传动） 4) 不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。,缺点和不足：,1) 分辨率低：Si(Li)检测器分辨率约为160eV；波谱仪分辨率为510eV 2) 能谱仪中因Si(Li)检测器的铍窗口限制了超轻元素的测量，因此它只能分析原子序数大于11的元素；而波谱仪可测定原子序数从4到92间的所有元素。 3) 能谱仪的Si(Li)探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。,13.3 电子
8、探针仪的分析方法及应用,1 定性分析 1）.定点分析：,将电子束固定在要分析的微区上，用波谱仪分析时，改变分光晶体和探测器的位置，即可得到分析点的X射线谱线；用能谱仪分析时，几分钟内即可直接从荧光屏（或计算机）上得到微区内全部元素的谱线。,2）. 线分析：,将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置，把电子束沿着指定的方向作直线轨迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓度分布情况。改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。,3. 面分析：,电子束在样品表面作光栅扫描，将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置，此时，在荧光屏上得到该元素的面
9、分布图像。改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。也是用X射线调制图像的方法。,2 定量分析 先测出y元素的X线强度Iy，再在同样条件下测定纯y元素的X线强度Iy0，然后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Iy和Iy0 一般情况下还要考虑原子序数、吸收和二次荧光的影响，因此，Cy和Ky间有差距，故有： 具体定量分析计算非常复杂，一般分析浓度误差在5%之内。随测试技术进步，分析精度不断在提高。,习 题,电子探针仪与扫描电镜有何异同？电子探针仪如何与扫描电镜和透射电镜配合进行组织结构与微区化学成分的同位分析? 2. 波谱仪和能谱仪各有什么优缺点? 3. 直进式波谱仪和回转式波谱仪各有什么优缺点?,4. 要分析钢中碳化物成分和基体中碳含量，应选用哪种电子探针仪?为什么? 5. 要在观察断口形貌的同时，分析断口上粒状夹杂物的化学成分选用什么仪器?用怎样的操作方式进行具体分析? 6. 举例说明电子探针的三种工作方式(点、线、面)在显微成分分析中的应用。,
