第6章电子探针X射线显微分析仪
第6章 电子探针X射线显微分析仪
6.1电子探针的分析原理和构造 6.1.1分析原理 入射电子激发样品中元素产生特征X射线。 根据特征X射线的能量或波长鉴别元素的方法称为 定性分析。 hc λ= E hc E 根据特征X射线的相对强度确定各种元素的相对含 量的方法称为定量分析
6.1 电子探针的分析原理和构造 6.1.1分析原理 入射电子激发样品中元素产生特征X射线。 根据特征X射线的能量或波长鉴别元素的方法称为 定性分析。 根据特征X射线的相对强度确定各种元素的相对含 量的方法称为定量分析。 E hc hc E
6.1电子探针的分析原理和构造 6.1.2构造 电子探针主要有电子 电子枪 光学系统（镜筒） 、 亮压电源 聚光镜1 X射线谱仪和信息记 透镜电源 录、显示系统，如图 豪光镜2 计算机数 据处理等 光学显微镜① 6-1所示。 计数电路 扫描电子显微镜是以 电子检测器 计数率仪 样品 X射线像 能谱仪为主要配制。 X射线谱仪 显示 电子探针以波谱议为 抽真空 放大器 主要配置，从而要有 电子像 光学显微镜来确定分 析点
6.1 电子探针的分析原理和构造 6.1.2构造 电子探针主要有电子 光学系统（镜筒）、 X射线谱仪和信息记 录、显示系统，如图 6-1所示。 扫描电子显微镜是以 能谱仪为主要配制。 电子探针以波谱议为 主要配置，从而要有 光学显微镜来确定分 析点
6.1电子探针的分析原理和构造 1.电子光学系统 a)基本与扫描电镜相同； b)增加光学显微镜和要求比扫描电镜更大的入 射电子束流以满足波谱议工作的要求。 c)电子探针的样品室结构与扫描电子显微镜样 品室类同。考虑到电子探针定量分析要求在完 全相同的入射激发条件下，对未知样品和待分 析元素的标样测定特征谱线的强度，样品台需 要可同时容纳多个样品座，分别放置未知样品 和标样
6.1 电子探针的分析原理和构造 1. 电子光学系统 a）基本与扫描电镜相同； b）增加光学显微镜和要求比扫描电镜更大的入 射电子束流以满足波谱议工作的要求。 c）电子探针的样品室结构与扫描电子显微镜样 品室类同。考虑到电子探针定量分析要求在完 全相同的入射激发条件下，对未知样品和待分 析元素的标样测定特征谱线的强度，样品台需 要可同时容纳多个样品座，分别放置未知样品 和标样
6.1电子探针的分析原理和构造 d)分析点精确的确定 先利用能发出荧光的材料置于电 子束轰击下，这时就能观察到电 灯泡 电子窠 子束轰击点的位置，通过样品移 动装置把它调到光学显微镜目镜 反射物就 的十字线交叉点上。然后用同样 方法，把样品上待分析点置于光 学显微镜的目镜十字线交叉点上， 对光学显微镜调焦，使待分析点 肉眼目镜 在十字线交叉点上清晰成像：这 样就保证电子束正好轰击在待分 析点上，同时也保证了分析点处 于X射线分光谱仪的正确位置（罗 兰圆)上。 样品 图6-2反射式物镜同轴光学观察系统
6.1 电子探针的分析原理和构造 d）分析点精确的确定 先利用能发出荧光的材料置于电 子束轰击下，这时就能观察到电 子束轰击点的位置，通过样品移 动装置把它调到光学显微镜目镜 的十字线交叉点上。然后用同样 方法，把样品上待分析点置于光 学显微镜的目镜十字线交叉点上， 对光学显微镜调焦，使待分析点 在十字线交叉点上清晰成像；这 样就保证电子束正好轰击在待分 析点上，同时也保证了分析点处 于X射线分光谱仪的正确位置（罗 兰圆）上。 图6-2 反射式物镜同轴光学观察系统
6.1电子探针的分析原理和构造 2.X射线谱仪一-波长色散谱仪(WDS) 波长色散谱仪简称波谱仪。它主要由分光晶体和X射线检 测器组成。它利用晶体对X射线的布拉格衍射： 2dsin0=nλ 此处晶体的衍射晶面间距是已知的，通过连续地改变日角， 就可以在与入射方向成各种20角的方向上测到各种单一波 长（这里忽略n>1的高级衍射干扰）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
6.1 电子探针的分析原理和构造 2．X射线谱仪－波长色散谱仪（WDS） 波长色散谱仪简称波谱仪。它主要由分光晶体和X射线检 测器组成。它利用晶体对X射线的布拉格衍射： 2dsinθ＝nλ 此处晶体的衍射晶面间距是已知的，通过连续地改变θ角， 就可以在与入射方向成各种2θ角的方向上测到各种单一波 长（这里忽略n＞1的高级衍射干扰）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
X射线谱仪一波长色散谱仪 布拉格公式中的sind 晶体 波长范围(nm) 可检测原子序数的范围 值变化范围是从0~1， 因此所能检测的特征 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 Pb Stearate 2.2-8.8 Ka La M. 长，因 此， X 于不同 -8 20-23 KAP 0.45-2.50 57~83 波长的X射线就需要 RbAP 11~14 2445 0.20-1.80 11-14 26-6457~92 Gypsum 0.26-1.50 11-14 28-57 5992 选用与之相适应的分 ADP 0.18-1.03 EDT 12-21 3367 65-92 0.14-0.83 14-22 37-75 7092 光晶体。通常使用的 PET 0.14-0.83 14-22 37~75 70-92 Ge 0.11-0.60 16-34 41-84 7992 分光晶体和它们分析 NaCl 0.09-0.53 16-37 43-92 82-92 L正 0.10-0.38 的范围列在表6-1中。 19-35 49-88
X射线谱仪－波长色散谱仪 布拉格公式中的sinθ 值变化范围是从0～1， 因此所能检测的特征 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。通常使用的 分光晶体和它们分析 的范围列在表6-1中。 晶体 波长范围（nm） 可检测原子序数的范围 Pb Stearate KAP RbAP Gypsum ADP EDT PET Ge NaCl LiF 2.2~8.8 0.45~2.50 0.20~1.80 0.26~1.50 0.18~1.03 0.14~0.83 0.14~0.83 0.11~0.60 0.09~0.53 0.10~0.38 Kα Lα Mα 5~8 20~23 — 11~14 24~45 57~83 11~14 26~64 57~92 11~14 28~57 59~92 12~21 33~67 65~92 14~22 37~75 70~92 14~22 37~75 70~92 16~34 41~84 79~92 16~37 43~92 82~92 19~35 49~88 —
X射线谱仪一波长色散谱仪 2.X射线谱仪一波长色散谱 被检测的X射线方向 仪 入射电子束 20 波长色散谱仪有两种形式： 回转式和直进式。目前使 用的最多的是直进式性线 谱仪。 图6-3直进式线性谱仪原 +01 理图 它的特点是在检测X射线 的过程中，始终保持X射 线的出射角w(X射线出射 方向与样品表面的夹角) 不变，这样特别有利于元 图6-3直进式线性谱仪原理图 素的定量分析
X射线谱仪－波长色散谱仪 2．X射线谱仪－波长色散谱 仪 波长色散谱仪有两种形式： 回转式和直进式。目前使 用的最多的是直进式性线 谱仪。 图6-3 直进式线性谱仪原 理图 它的特点是在检测 X射线 的过程中，始终保持 X射 线的出射角ψ（X射线出射 方向与样品表面的夹角） 不变，这样特别有利于元 素的定量分析。 图6-3 直进式线性谱仪原理图
X射线谱仪一波长色散谱仪 晶体(C)沿着固定的导臂（平行于被检测的X射线出射方 向)滑动，同时绕垂直于聚焦圆（罗兰圆）平面的轴转动 以改变日角；而检测器(D)沿另一可以绕晶体的转动轴摆 动的导臂滑动。聚焦圆的半径R在这种结构方式下是固定 的，但其圆心则沿以发射源(S)为圆心、R为半径的圆 周上运动。通过简单的几何推导可获得发射源至晶体的距 离L与X射线特征波长λ之间的关系： L/2 sin0L=2Rsin日 R 由此可见，R是定值，对于给定的分光晶体，d也是定值， L与λ之间存在着简单的线性关系。L叫做谱仪长度，L值 由小变大，意味着被检测的X射线波长入由短变长
X射线谱仪－波长色散谱仪 晶体（C）沿着固定的导臂（平行于被检测的X射线出射方 向）滑动，同时绕垂直于聚焦圆（罗兰圆）平面的轴转动 以改变θ角；而检测器（D）沿另一可以绕晶体的转动轴摆 动的导臂滑动。聚焦圆的半径R在这种结构方式下是固定 的，但其圆心则沿以发射源（S）为圆心、R为半径的圆 周上运动。通过简单的几何推导可获得发射源至晶体的距 离L与X射线特征波长λ之间的关系： 由此可见，R是定值，对于给定的分光晶体，d也是定值， L与λ之间存在着简单的线性关系。L叫做谱仪长度，L值 由小变大，意味着被检测的X射线波长λ由短变长。 2 sin R L R λ d θ /2 =sin L R
X射线谱仪一波长色散谱仪 罗兰圆半径的典型值R=200mm,最佳的0 角在15°~65°范围内，相应的L值变动范围 约为100~360mm。在一台电子探针中， 常配有3~5道谱仪，一道谱仪中有时有两 块不同的分光晶体可互换。这样保证能检 测到5B~92U元素之间的特征X射线波长。 尤其在定性分析时，可同时驱动几道谱仪 对5B~92U之间的元素进行普查，大大地 节省了时间
X射线谱仪－波长色散谱仪 罗兰圆半径的典型值R＝200mm，最佳的θ 角在15º～65º范围内，相应的L值变动范围 约为100～360mm。在一台电子探针中， 常配有3～5道谱仪，一道谱仪中有时有两 块不同的分光晶体可互换。这样保证能检 测到5B～92U元素之间的特征X射线波长。 尤其在定性分析时，可同时驱动几道谱仪 对5B～92U之间的元素进行普查，大大地 节省了时间