第五章 X射线能谱(波谱)分析技术
5.1 X射线(波谱)分析的理论基础
X射线的产生:
连续X射线电子束在原子实(由原子核与紧密束缚的电子组成)的库仑场中减速,形成能量连续的X射线谱,
其能量从零延伸到入射电子束的能量值
特征X射线电子束与内壳层电子相互作用驱出
束缚电子,使原子处于激发态,并在电子壳层内留出一个空位。
在随后的去激过程中,某个外层电子发生跃迁填充这个空位.这个跃迁过程伴随着能量的变化,原子以发射X射线或者
发射一个俄歇(俄歇(Auger))电子的形式释放能量。
由于
发射X射线的能量与原子中确定能级间的能量差有关,所以这
种X射线称为特征X射线
X射线作为电磁辐射,其能量E与波长λ的关系λ=hc/eE=1.2398/E(nm)
式中:
h为普朗克常数,c为光速,e为电子电荷,
E是以keV为单位的能量,λ的单位为nm。
由于用作X射线显微分析的谱仪包括波长谱仪(WDS)和能量谱仪(EDS),所以通常用波长(nm或Å)或者能量(keV)单位描述X射线。
在任何能量E 或波长λ处的X 射线连续谱的强度I cm 由Kramers (1923)给出: 一、连续谱X 射线 E E E Z i Z i I o cm /)(~]1)/[(~min --λλ式中
i 为电流, 为靶的平均原子序数。
连续辐射强度随原子序数的上升而增加,是因为与低原
子序数的原子相比,重原子实(核与内层电子)中的库仑场强度较高的缘故,连续谱强度还直接随电子束的数量发生变化,即随束流i B 直接变化。
因为连续谱形成各被测特征信号的背底,所以连续谱辐射的高度对确定某个元素的最小检测限起着重要作用,通常认为连续谱有碍于分析。
二、特征X射线
一个高能电子束与原子相互
作用,引起一个内层电子发射,
该原子在随后的去激过程中产
生特征X射线。
具有足够能量
的电子束可驱出内层(K、L或
M)的电子,使原子处于电离
或激发态。
电子在电离后约重
10-12s内复原到基态(最低能
量状态)。
在复原过程中,电
子从某一壳层跃迁到另一壳层,
这些跃迁导致某种可能的结果:
激发态原子的多余能量将以电
磁波辐射的光子形式释放出来。
该光子的能量等于在跃迁过程
中有关壳层间的能量差,对于
内层电子的跃迁,该光子的能
量正好处于X射线电磁波的谱
段内。
(a)临界电离能
当一个电子离开某个壳层并且从原子中出射时,就发生电离,由于主壳层和次壳层的能量是严格确定的,所以从某个壳层激发出一个电子所需的最小能量也是确定值,该值称为临界电离能(或X射线吸收能)。
每个主壳层和次壳层需要不同的临界电离能。
(b)特征X射线的能量
莫塞莱(Moseley,1913,1914):
由辐射跃迁而发射的X射线称为特征X射线,因为它的特定能量(和波长)表示了某个被激发元素的特征。
壳层的能级随原子序数的不同而变化,因此即使相邻原子序数的原子其壳层间的能级差也有显著的变化。
λ=B/(Z—C )2
式中
B和C为常数,对于每个线系,它们的值不同;
λ为特征X射线的波长。
(c)X射线谱线系
(d)谱线权重
虽然许多可能的跃迁能够填补壳层中出现的空位,从而产生不同能量的X射线,例如Kα和Kβ,就有多达25条不同的L谱线,每种类型的跃迁的几率,也有相当大的差别。
我们用“谱线权重”表示形成某系谱线的相对几率,即引起某壳层电离的几率。
对谱线权重进行分析,可以看出每个元素只有相当少的一组强X射线谱线,许多跃迁虽然都可能发生,但在分析中通常只能测定这些“主要谱线”。
某个线系的一些弱谱线有可能存在于未知谱中,知道这点非常重要,否则会把这些低强度谱线误解为样品中的微量元素。
三、X射线产生的深度
特征X射线大部分产生在相互作用区内,这个相互作用区是由于电子在固体中的散射而形成的。
为了预计X射线的产生深度,或“X射线的产生范围”和X射线源的大小(X射线空间分辨率),必须知道电子的穿透情况。
电子的穿透范围可用下式表示:
式中
K值与材料参数有关,n值在1.2到1.7之间变化。
在铝、铜和金中,Al Kα、Cu Kα、Cu Lα和Au Lα谱线的X射线产生范围与束能量的函数关系
5.2 能量谱仪 莫塞莱定律 莫塞莱(Mosely 1913,1914)发现,由辐射跃迁而发射的X 射线,因为它特定能量(和波长)表示了某个被激发元素的特征。
壳层的能级随原子序数的不同而变化,因此即使相邻原子序数的原子其壳层间的能级差也有显著的变化,各种元素的特征X 射线波长λ与原子序数Z 之间的关系可以用下式表示:
)
(σλ
-=Z K hc
式中: K 、h 、σ ――为常数
C ―光速 Z ―原子序数 λ―波长
只要能测出特征X 射线的波长,便可求出原子序数Z ,进而确定试样特征X 射线发射区中所含的化学元素。
特征X 射线的能量与波长的关系
式中 E―X光子能量 λ―特征X 射线波长
C―光速 H―普朗克常数
测量X 射线光子能量和测量X 射线波长是等价的。
以布拉格衍射为依据利用分光晶体,对特征X 射线波长进行分光,一般称波长色散法,所用仪器叫X 射线波谱仪(WDS );用半导体检测器对特征X 射线能量进行分光,称能量色散法,所用仪器叫X 射线能谱仪(EDS )。
λ
c
h E =
X射线能谱仪的结构原理
5.3 波长谱仪
布拉格(Bragg)方程: 射线是波长很短的电磁波 , X光子以θ入射角射入晶面发生衍射。
2dsinθ=nλ
式中λ--特征X射线波长θ--衍射X射线与衍射晶面夹角(布拉格角)
d--分光晶体晶面间距 n--衍射级数,为整数1、2、……
X射线波谱仪的结构原理
5.4 波谱仪(WDS)与能谱仪(EDS)的对比
波谱仪(WDS)的能量分辨率(优于10eV)、检测
限(0.1~0.001%WT)、定量分析精度(0.1~0.2%)比较高,但它要求试样表面平整光滑、其分析速度较慢(30分钟左右)、其空间分辨率较低(最小分析区域Φ1μm以上);能谱仪(EDS)的能量
分辨率(优于140eV)、检测限(1~0.5%WT)、
定量分析精度(5~0.5%)比较低,但它对试样表面没有特别的要求(可分析凸凹不平的试样)、其分析速度快(1分钟即可完成采谱、定性、定量分析)、其空间分辨率较高(最小分析区域Φ数百Å~0.1μm)。
波谱仪(WDS)检测元素范围是:4Be~92U;早期
的能谱仪(EDS)只能检测11Na~92U范围内的元素,现在的能谱仪也能对轻元素进行检测,检测元素范围为:4Be~92U。
X射线微区分析应注意的几个问题检测限:
WDS: 0.1~0.001%WT
EDS: 1~0.5%WT
结果归一化:
弱峰、重叠峰的定性:。