【干货】一文了解电子探针显微分析的原理及应用

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一般的化学分析方法仅能得到分析试样的平均成分，而在电子显微镜上却可实现与微区形貌相对应的微区分析，因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。今天就跟大家一起聊一聊电子探针显微分析的原理和特点。

电子探针的功能主要是进行微区成分分析。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(或特征能量)即可知道样品中所含元素的种类(定性分析)。分析x射线的强度，则可知道样品中对应元素含量的多少(定量分析)。
电子探针仪镜筒部分的构造大体上和扫描电子显微镜相同，只是在检测器部分使用的是x射线谱仪，专门用来检测x射线的特征波长或特征能量，以此来对微区的化学成分进行分析。
因此，除专门的电子探针仪外，有相当一部分电子探针仪是作为附件安装在扫描电镜或透射电镜镜简上，以满足微区组织形貌、晶体结构及化学成分三位一体同位分析的需要。
电子探针的镜筒及样品室和扫描电镜并无本质上的差别，因此要使一台仪器兼有形貌分析和成分分析两个方面的功能，往往把扫描电子显微镜和电子探针组合在一起。
电子探针的信号检测系统是x射线谱仪，用来测定特征波长的谱仪叫做波长分散谱仪(WDS)或波谱仪。用来测定x射线特征能量的谱仪叫做能量分散谱仪(EDS)或能谱仪。
一、波长分散谱仪（波谱仪，WDS）1、工作原理在电子探针中x射线是由样品表面以下一个微米乃至纳米数量级的作用体积内激发出来的，如果这个体积中含有多种元素，则可以激发出各个相应元素的特征波长x射线。       特征x射线的波长(或频率)，并不随入射电子的能量(加速电压)不同而不同，而是由构成物质的元素种类(原子序数)所决定的。在各种特征x射线中，K系列是主要的，虽然K系列的x射线有好多条，但其强度最高的只有三条。若在样品上方水平放置一块具有适当晶面间距d的晶体，入射x射线的波长、入射角和晶面间距三者符合布拉格方程时，这个特征波长的x射线就会发生强烈衍射。    对一个特征波长的X射线来说只有从某些特定的入射方向进入晶体时，才能得到较强的衍射束。
若面向衍射束安置一个接收器，便可记录下不同波长的x射线。它可以使样品作用体积内不同波长的x射线分散并展示出来。
2、分光晶体不同元素的特征x射线波长变化却很大，为使可分析的元素尽可能复盖同期表中所有元素，需要配备面间距不同的数块分光晶体。
在波谱仪中，x射线信号来自样品表层的一个极小的体积，可将其看作点光源，由此点光源发射的x射线是发散的，放能够到达分光晶体表面的，只是其中极小的一部分，信号很微弱。增强信号采取措施：聚焦圆（1）晶面弯曲：把分光晶体的衍射晶面弯成曲率半径等于2R(R为罗兰圆半径)的曲面--晶体内表面任意点A、B、C上接收到的X射线相对于点光源来说，入射角都相等。
（2）表面磨制：并将晶体表面磨成曲率半径等于R的曲面--这样的布置可以便A、B、C三点的衍射束正好聚焦在D点。

X射线源，分光晶体和探测器处在同一圆上，此圆称为罗兰圆。
3、波谱仪的形式回转式和直进式                         
回转式谱仪：罗兰圆的中心固定不变，晶体和探测器在圆周上以1：2的角速度运动来满足布拉格方程
直进式全聚焦谱仪：晶体从光源S向外沿着一直线移动并通过自转来改变角。罗兰圆的中心O在以S为中心，R为半径的圆周上运动。        当晶体位于角时，晶体与光源之间的距离l总是等于2Rsinθ，将代布拉格方程(2dsinθ=nθ)得
4、波谱仪的特点

• 波长分辨率是很高的；
  
• x射线利用率很低；
• 波谱仪不适于束流低、x射线弱的情况下使用。

二、能谱分散仪（能谱仪，EDS ）能量色散谱仪简称能谱仪，是利用特征X射线能量不同来展谱而进行成分分析的仪器。 1、工作原理
x射线光子由锂漂移硅Si(Li)检测器收集，当光子进入检测器后，在Si(Li)晶体内激发出一定数目的电子—空穴对。产生一个空穴对的最低平均能量是一定的，因此由一个x射线光子造成的电子—空穴对的数目N。每产生一对电子一空穴对，要消耗掉 X光子3.8eV能量，因此每一个能量 为 E的入射光子产生的电子一空穴对数目N= ∆E／3.8。
Si（Li）晶体厚3~5mm，直径3~10mm，它是一个P-N结型二极管。它的前方有一个7~8μm的铍窗，整个探头装在与存有液氮的杜瓦瓶相连的冷阱内。
入射x射线光子的能量越高， N就越大。利用加在晶体两端的偏压收集电子—空穴对．经前置放大器转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小。
电流脉冲经主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器。脉冲高度分析器技高度把脉冲分类并进行计数，这样就可以描出一张特征x射线技能量大小分布的图谱。
2、多道脉冲分析器多道分析器有一个由许多存储单 元（称为通道）组成的存储器。与X光子能量成正比 的时钟脉冲数按大小分别进入不同存储单元、每进入一个时钟脉冲数，存储单元记一个光子数，因此通道地址和X光子能量成正比，而通道的计数为X光子数。最终得到以通道（能量）为横坐标、通道计数（强度）为纵坐标的X射线能量色散谱（图2－95b），并显示于显像管荧光屏上。
3、能谱仪的主要性能指标（1）分析元素范围能谱仪分析的元素范围为：有Be窗口的范围为11Na～92U。无窗或超薄窗口的为4Be～92U。 
（2）分辨率能谱仪的分辨率是指分开或识别相邻两个谱峰的能力，可用能量色散谱的谱峰半高宽来衡量，也可用ΔE/E的百分数来表示。半高宽越小，表示能谱仪的分辨率越高。       目前能谱仪的分辨率达到130eV左右。
（3）探测极限能谱仪能测出的元素最小百分浓度称为探测极限，与分析的元素种类、样品的成分等有关，能谱仪的探测极限约为0.1~0.5%。

四种基本方法

定点定性分析、线扫描分析、面扫描分析和定点定量分析。
1、定点定性分析对试样某一选定点（区域）进行定性成分分析，以确定该点区域内存在的元素。
其原理如下：关闭扫描线圈，使电子束定在需要分析的某一点上，激发试样元素的特征X射线。用谱仪探测并显示X射线谱，根据谱线峰值位置的波长或能量确定分析点区域的试样中存在的元素。
下图给出ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相与基体定点成分分析结果，可见析出相(t相) Y2O3 含量低，而基体(c相) Y2O3含量高，这和相图是相符合的。
2、线扫描分析使某聚焦电子束在试样观察区内沿一选定直线（穿越粒子或界面）进行慢扫描。在所要测量的某一元素特征X射线信号的位置上，使电子束沿着指定的路径作直线轨迹扫描，使可得到这  元素沿该直线的浓度分布曲线。
3、面扫描分析电子束在样品表面作光栅扫描时，把X射线谱仪(波谱仪或能谱仪)固定在接收某一元素特征X射线信号的位置上，此时在荧光屏上便对得到该元素的面分布图像。图中亮区表示这种元素的含量较高。

4、（定点）定量分析能谱仪在稳定的电子束照射下得到的X射线谱，在扣除背景计数率后，各元素的同类特征谱线的强度值与它们的浓度相对应。

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