扫描电子显微镜 2.ppt

扫描电子显微镜与电子探针 (Scanning Electron Microscope简称SEM and Electron Probe Micro-analysis简称EPMA )第四章第二部分电子探针的工作原理及结构￿￿￿￿ 电子探针是电子探针X 射线显微分析仪的简称，英文缩写为 EPMA (Electron Probe X-ray Micro-Analyser)，它用一束聚焦得 很细（50nm～１μｍ）的加速到5kV-30kV的电子束，轰击用光学 显微镜选定的待分析试样上某个“点”（一般直径为1-50um），利 用试样受到轰击时发射的X射线的波长及强度，来确定分析区域中 的化学组成随着电子光学技术和计算机技术的发展，现在的EPMA同时具有 扫描电镜SEM的形貌观察、结构分析等功能不但像仪器发明之初 那样，以金属和矿物样品中不同相或不同组成的成分分析为主要目 的，而且也应用在冶金、电子电器件、陶瓷、塑料、纤维、木材、 牙齿、骨骼、叶、根等等方面其应用领域之广泛，可说目前已经涉及到所有固体物质的研究工 作中，尤其在材料研究工作方面这种仪器不仅是研究工作中的重 要工具，而且也是质量检查的手段之一。

1 前言20世纪30年代以来的实验技术基础：逐步完善起来的 电子光学技术以及Johann和Johansson设计和制造的约翰 型（半聚集法）和约翰逊型弯晶（全聚焦法）X射线谱仪 ￿￿￿￿ 1949年法国卡式坦Castaing与纪尼叶Guinier将一架静 电型电子显微镜改造成为电子探针仪 ￿￿￿￿ 1951年的Castaing的博士论文奠定了电子探针分析技 术的仪器、原理、实验和定量计算的基础，其中较完整地 介绍了原子序数、吸收、荧光修正测量结果的方法，被人 们誉为EPMA显微分析这一学科的经典著作3 电子探针发展过程1956年，Cosslett和Duncumb在英国剑桥大学卡文迪许实验 室设计和制造了第一台扫描电子探针法国CAMECA公司于 1958年提供第一台电子探针商品仪器，取名为MS-8550-60年代电子探针技术得到蓬勃发展，70年代中期比较成熟 ， 近30年来，随着科学技术的发展，电子探针显微分析技术 进入了一个新的阶段，电子探针向高自动化、高灵敏度、高精 确度、高稳定性发展现在的电子探针为波谱WDS和能谱 EDS组合仪，用一台计算机同时控制WDS和EDS，结构简单 、操作方便。

现在世界上生产电子探针的厂家主要有三家，即 日本岛津公司SHIMADZU、日本电子公司JEOL和法国的 CAMECA公司电子探针仪是一种微区成分分析仪器，它利用电子探针仪是一种微区成分分析仪器，它利用 被聚焦成小于被聚焦成小于1 1 m m的高速电子束轰击样品表面，的高速电子束轰击样品表面， 由由X X射线波谱仪或能谱仪检测从试样表面有限深射线波谱仪或能谱仪检测从试样表面有限深 度和侧向扩展的微区体积内产生的特征度和侧向扩展的微区体积内产生的特征X X射线的射线的 波长和强度，得到波长和强度，得到1 1  m m3 3微区的定性或定量的化微区的定性或定量的化 学成分4 电子探针仪的特点和工作原理(SEM video)莫塞莱定律和布拉格定律 ￿￿￿￿ 莫塞莱定律，特征X射线频率与发射X射线的 原子的原子序数平方之间存性关系ν=R2(Z-σ)2 λ=c/ν ε=hν ￿￿￿￿ 布拉格定律：2dsinθ=nλ，式中，d为晶体的 晶面间距，单位为Å， θ为X射线的入射角，λ为X 射线的波长，单位为Å，n是正整数测出X射线的 掠射角θ，即可计算出X射线的波长，进而确定出 产生波长特征X射线的元素。

2 电子探针发展的理论基础λλ= =K K/(/(Z Z-σ)-σ)2 2 只要测出特征只要测出特征X X射线的波长，就可确定射线的波长，就可确定 相应元素的原子序数相应元素的原子序数因为某种元素的特征因为某种元素的特征X X射线强度与该元射线强度与该元 素在试样的浓度成比例，所以只要测出这素在试样的浓度成比例，所以只要测出这 种特征种特征X X射线的强度，就可计算出该元素射线的强度，就可计算出该元素 的相对含量的相对含量这就是利用电子探针仪作定性、定量分这就是利用电子探针仪作定性、定量分 析的理论根据析的理论根据一、电子探针仪的结构与工作原理n电子探针仪的结构示 意图见图8-23，由图 可见，电子探针仪除X 射线谱仪外，其余部 分与扫描电子显微镜 相似 特征X射线的检测检测特征X射线的波长和强度是由X射 线谱仪(波谱仪WDS或能谱仪EDS)来完成 的5.1 波长分散谱仪(波谱仪或光谱仪WDS)（Wavelength Dispersive Spectrometer，简称WDS）一般说来，入射电子束激发样品产生的 特征X射线是多波长的波谱仪利用某些晶 体对X射线的衍射作用来达到使不同波长分 散的目的。

WDS:分光系统和信号检测系统5.1.1分光晶体￿￿￿￿ X射线与晶体的取向关系满足布拉格条 件： 2dsinθ=nλ，就产生衍射，在衍射方向用探 测器将其接收取n=1的衍射线，即d≥λ/2 ，选择分光晶体的晶面间距d必须大于所测X 射线波长的一半 ￿￿￿￿ 不同元素的特征X射线的波长不同：轻 元素的特征X射线的波长长；重元素波长短 不同元素选用不同的分光晶体若有一束包括不同波长的X射线照射到分 光晶体表面上，平行于该晶体表面的晶面 (hkl)的间距为d，入射X射线与该晶面的 夹角为θ1，则其中只有满足布拉格方程 λ1=2dsinθ1 的那个波长的X射线发生衍 射若在与入射X射线方向成2θ1 的方向 上放置X射线检测器，就可以检测到这个 特定波长的x射线及其强度若电子束位置不变，改变晶体的位置， 使(hkl)晶面与入射X射线交角为θ2，并相 应地改变检测器的位置，就可以检测到波 长为λ2= 2d sinθ2 的X射线如此连续地操作，即可进行该定点的元 素全分析若将发生某一元素特征X射线的 入射角θ固定，对样品进行微区扫描，即 可得到某一元素的线分布或面分布图像弯曲分光晶体：分光、聚焦（射线源、弯曲晶体表面和检测 管口位于同一个圆周上面，整个晶体只收集 一种波长的X-射线供分析供分析X X射线谱仪用的波谱仪有回转式波谱仪和直进射线谱仪用的波谱仪有回转式波谱仪和直进式波谱仪。

式波谱仪1)1)回转式波谱仪回转式波谱仪如如P193 P193 图图4 4－－30a30a所示，它用磨制的弯晶所示，它用磨制的弯晶( (分光晶体分光晶体) )，，将光源将光源( (电子束在样品上的照射点电子束在样品上的照射点) )发射出的射线束会聚在发射出的射线束会聚在X X射线探测器的接收狭缝处通过将弯晶沿聚焦射线探测器的接收狭缝处通过将弯晶沿聚焦( (罗兰罗兰Rowland)Rowland)圆转动来改变圆转动来改变θθ角的大小，探测器也随着在聚焦角的大小，探测器也随着在聚焦圆上作同步运动光源、弯晶反射面和接受狭缝始终都座圆上作同步运动光源、弯晶反射面和接受狭缝始终都座落在聚焦圆的圆周上落在聚焦圆的圆周上￿￿￿￿旋转式波谱仪虽然结构简单，但有三 个缺点：a)其出射角 φ是变化的，若φ2 ＜φ1 ，则出射角为φ2的x射线穿透路程比较 长，其强度就低，计算时须增加修正系 数，比较麻烦；b)X射线出射线出射窗口要设计得很大 ；c)出射角φ越小，X射线接受效率越低 2) 2) 直进式波谱仪直进式波谱仪特点是X射线出射角φ固定不变，弥补了旋转式波谱仪的缺点因此， 虽然在结构上比较复杂，但它是目前最常用的一种谱仪。

如图 P193 P193 图图4 4－－ 30b30b所示所示，弯晶在某一方向上作直线运动并转动，探测器也随着运动聚焦 圆半径不变，圆心在以光源为中心的圆周上运动，光源、弯晶和接收狭缝也 都始终落在聚焦圆的圆周上L = 2RSinθ布拉格方程 2dSinθ = λL=2RSinθ=R dλL 在10-30 cm, R=20cm d/2≤ λ ≤ 3/2d 这种谱仪结构复杂，但X射线照射晶体的方向固定，使X射线穿出样 品表面过程中所走的路线相同，也就是吸收条件相同由光源至晶体的距离L(叫做谱仪长度 )与聚焦圆的半径有下列关系：L=2Rsinθ=Rλ/d 所以，对于给定的分光晶体，L与λ 存在着简单的线性关系因此，只要读 出谱仪上的L值，就可直接得到λ值在波谱仪中，是用弯晶将X射线分谱的因此 ，恰当地选用弯晶是很重要的晶体展谱（展 开检测的波长范围）遵循布拉格方程 2dsinθ=λ显然，对于不同波长的特征X射线 就需要选用与其波长相当的分光晶体，通常一 个WDS中有两个分光晶体可以互换，而一台电子 探针往往装有2－6个WDS 。

选择晶体的其他条件是晶体的完整性、波长分 辨本领、衍射效率、衍射峰强度和峰背比都要 高，以提高分析的灵敏度和准确度1. 根据元素检测范围选择分光晶体；2. 利用分光晶体对X射线的布拉格衍射，确定 某 波长λ对应的θ；3. 连续改变θ，在2θ方向上接受各种单一波 长的X射线讯号——正比计数器检测强度；4. 对应一系列分光晶体，展示适当波长范围 内的全部X射线谱P198 图4-34b)WDS工作原理5.1.2 信号检测系统 P194X射线信号的接受、放大并转换成电压脉冲(正比计数管) 一个x射线产生一个电压脉冲，脉冲的高低与x射线的波长相对应5.1.3 x射线波谱仪的特点分辨率高 峰背比高采集效率低（p195） 采集速度慢，分析速度慢 一种条件下只能对一种元素的X射线进行检测 电子束能量较高5.2 5.2 能量分散谱仪（简称能谱仪能量分散谱仪（简称能谱仪EDS)EDS) （（Energy Dispersive SpectrometerEnergy Dispersive Spectrometer，简称，简称EDSEDS））波谱仪是用分光晶体将X射线波长分散开来 分别加以检测，每一个检测位置只能检测一种 波长的X射线。

而能谱仪与此不同，它是按X射 线光子能量展谱的能谱仪结构框图能谱仪的主要部件： X射线探测器、多道脉冲高度分析仪能谱仪通过锂漂移硅固态检测器能谱仪通过锂漂移硅固态检测器(Si(Li)(Si(Li)检测器检测器) )将所有波长将所有波长( (能量能量) )的的X X射线射线光子几乎同时接收进来，每一能量为光子几乎同时接收进来，每一能量为E E的的X X光子相应地引起光子相应地引起 n = E/ε (εn = E/ε (ε为产生为产生一对电子一对电子——空穴对需要消耗的能量空穴对需要消耗的能量3.8ev)3.8ev)对电子对电子——空穴对，不同的空穴对，不同的X X射线光子能射线光子能量产生的电子量产生的电子——空穴对数不同空穴对数不同一个一个X X射线光子（射线光子（E ECuKaCuKa=8.04Kev=8.04Kev）） n=E/n=E/ε= 8.04Kev/3.8ev=2100ε= 8.04Kev/3.8ev=2100Si(Li)Si(Li)检测器将它们接收后经过积分，再经放大整形后送入多道脉冲高度分析器检测器将它们接收后经过积分，再经放大整形后送入多道脉冲高度分析器, ,然后在荧光屏以脉冲数然后在荧光屏以脉冲数- -脉冲高度曲线显示，这就是脉冲高度曲线显示，这就是X X射线能谱曲线。

射线能谱曲线能谱仪的特点1) 能谱仪所用的Si(Li)探测器尺寸小，可以装在靠近 样品的区域这样，X射线出射角φ大，接收X射线的立 体角大，X射线利用率高，可达10000脉冲/s·10-9A能 谱仪在低束流情况下(10-10-10-12A)工作，仍能达到适当 的计数率电子束流小，束斑尺寸小、采样的体积也较 小，最少可达0.1m3，而波谱仪大于1m32)分析速度快，可在2-3分钟内完成元素定性。