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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(L
2、i)探测器， 实际上是一个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
3、 硅晶体被全部吸收时能产生的电子空穴对数目为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 Ee3.8Q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
4、=11)轻的元素。现代EDS多用有机膜（厚0.30.5m ）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
5、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 k比 ZAF修正值值 重量百分比% 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
6、.91885 0.9773 89.4993 85.0784 V-(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
7、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、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)
8、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10-410-6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 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
9、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)2002.0130.8
10、93.5K系：20Ca37Rb L系：51Sb92U异戍四醇C5H12O4 (PET)0024.3752.07.7K系：14Si26Fe L系：37Rb65Tb M系：72Hf92U邻苯二酸铷 邻苯二酸钾C8H5O4Rb (RAP) C8H5O4K (KAP)101013.06 13.325.823.6K系：9F15P L系：24Cr40Zr M系：57La79Au肉豆蔻酸铅(C14H27O2)2M* (MYR)-4017.670K系：5B9F L系：20Ca25Mn硬脂酸铅(C18H35O2)2M*(STE)-502288K系：5B8O L系：20Ca23V甘四烷酸铅(C24H47O2)2M
11、*(LIG)-6529114K系：4Be7N L系：20Ca21Sc M*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），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, =61.35 4、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
