θ2
试样
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
因为分光晶体的d值是已知的，根据分光晶体与入 射X射线的夹角θ就可求出特征X射线的波长λ。
l = 2d · sinq
如果将分光晶体固定为某一角度，即可探测某种 波长的特征X射线。
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
虽然平面单晶体可以把各
种不同波长的 X 射线分光展 开，但就收集单波长 X 射线 的效率来看是非常低的。 此外，在波谱仪中， X 射 线信号来自样品表层的一个 极小的体积，可将其看做点 光源，由此点光源发射的 X 射线是发散的，故能够到达 分光晶体表面的，只是其中 极小的一部分，信号很微弱。 因此，这种检测 X 射线的方 法必须改进。

聚焦电子束
分光晶体
θ1 试样 θ1
由聚焦电子束激发产生的特征 X 射线照射到分光晶体上，波长符合 布拉格方程的 X射线将产生衍射进 入探测器而被接收。转动分光晶体， 改变 θ 角，可以将不同波长的特征 X射线分开，同时改变探测器的位 置和方向，就可把不同波长的 X射 线探测并记录下来。

探测器
θ2

这种波谱仪结构比直进式波谱 仪结构更为简单，出射方向改变 很大，在表面不平度较大的情况 下，由于 X 射线在样品内行进路 线不同，往往会因吸收条件变化 而造成分析上的误差。

回转式波谱仪
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
分光晶体的检测范围
一块分光晶体只能把一定波长范围的 X 射线分开。 分光晶体能够分散的 X 射线的波长范围决定于其衍 射面的晶面间距d和分光晶体衍射面与入射Ｘ射线的 夹角θ的可变范围。
电子探针显微分析
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
2 X射线波长分散谱仪
波谱仪的基本概念
WDS：用来测定特定波长的谱仪
X射线波长分散谱仪实际上是 X射线分光光度计。 其作用是把试样在电子束的轰击下产生的特征 X 射 线按波长不同分开，并测定和记录各种特征 X 射线 的波长和强度。根据特征 X 射线的波长和强度即可 对试样的元素组成进行分析。
材料现代测试方法
电子探针显微分析
电子探针显微分析
吴艳 新材料技术研究院
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• 电子探针（ Electron Probe Microanalysis-EPMA ）的
主要功能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。 • 其原理是：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（或能量）可 知元素种类；分析特征X射线的强度可知元素的含量。 • 其镜筒部分构造和 SEM 相同，检测部分使用 X 射线谱仪，
电子探针的基本概念
电子探针就是利用聚焦电子束与试样作用时产生 的特征 X 射线对试样微区的化学成分进行定性和定 量分析。

由于作用在试样上的电子束很细，形状如针，故 称之为电子探针。由于电子束很细，其作用范围很 小。因此，利用电子探针可以对试样的微小区域进 行化学成分的定性分析和定量分析。

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材料现代测试方法
电子探针显微分析
根据波谱仪在测试过程中分光晶体运动轨迹的特 点，波谱仪有两种常见的布置形式，即直进式波谱 仪和回转式波谱仪。

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电子探针显微分析
直进式波谱仪工作原理
直进式波谱仪中，由聚焦电子束轰击 试样产生的 X 射线从 S 点发射出来。分 光晶体沿固定的直线 SC1 移动，并进行 相应的转动；探测器也按一定的规律移 动和转动。确保辐射源 S 、分光晶体弯 曲表面以及探测器始终维持在半径为 R 的聚焦圆上。显然，圆心位置会不断变 化。

根据布拉格方程 λ=2d· sinθ ，当 θ=0o 时， λ=0 ；当 θ=90o时，λ=2d。从理论上看，每块分光晶体能够分 散的X射线波长范围应为0~2d。

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材料现代测试方法
电子探针显微分析
实际测试中，由于受到谱仪设计几何位置的的限 制，θ值过大时，晶面反射率太低；θ值过小时，一 是计数管损伤太厉害，二是空间位置也不能安排。 所以 θ 角大致是在 12o~65o 范围内。按此推算，分光 晶体能够分散的 X 射线波长范围大致是 0.4d~1.8d 之 间。
EPMA的侧重点在成分，而非形貌观测。 现在的EPMA为了 方便，一般也配个能谱, 能谱速度快, 可以做一般的常量元素。
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EPMA的主要特点
a)显微结构的分析； b)元素分析范围广，几乎做到全元素的分析；5B-92U c) 定量分析准确度高，能做“痕量”元素、轻元素及 有重叠峰存在时的分析； d)不损坏样品，分析速度快； e)用途广泛。被广泛用于冶金、地质、矿物、生物、医学、
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为了提高测试效率，必须 采取聚焦方式。如果把分光 晶体作适当弯曲，并使射线 源、弯曲晶体表面和检测器 窗口位于同一个圆周上，这 样就可以达到聚焦的目的。 这种圆称为罗兰 (Rowland) 圆或聚焦圆。
波谱仪的全聚焦方式
此时，从点光源 S 发射出的呈发散状的符合布拉格条 件的同一波长的X射线，经晶体发射后聚焦于P点。这种 聚焦方式称为Johansson全聚焦，是目前波谱仪普遍采用 的聚焦方式。
L sin q 2R
(1)
将（1）式代入布拉格方程
l 2d sin q
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ可得：
(2)
Ld l R
(3)
d:分光晶体的晶面间距
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
分光晶体直线运动时，假如检测器在某一位置接 收到衍射束，即表明试样被激发的体积内存在相应 的元素。衍射束的强度和元素含量成正比。
用来检测X射线的特征波长（波谱仪）和特征能量（能
谱仪），以此对微区进行化学成分分析。
JXA-8530F电子探针外观图
外观紧凑、整洁
JXA-8530F电子探针外观图
东北大学分析测试中心
EPMA和SEM的区别
1、共同点：均可以得到二次电子像 (SEI)，背散射电子像(BSEI)， 用于寻找分析区域。 电子探针的束流 ( 指打在样品表面的电流 ) 要比扫描电镜大几 个数量级，造成电子探针的空间分辨率差，二次电子和背散射电 子分辨率差，如果要求不高电子探针可以当作扫描来用。 一般而言，电子探针的二次电子像分辨率为 5 ～ 6 nm，低于 扫描电镜的 2 ～ 3 nm 的二次电子像分辨率。
电子探针显微分析
合金钢波谱分析谱线图
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
直进式波谱仪的优点是X射线照射分光晶体的方 向是固定的，即出射角保持不变，这样可使X射线 穿出样品表面过程中所走的路线相同，即吸收条件 相等。

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电子探针显微分析
回转式波谱仪工作原理
回转式波谱仪中，聚焦圆的圆 心 O 不移动，分光晶体和检测器 在聚焦圆的圆周上以1 : 2的角速 度运动，以保证满足布拉格方程。

因为聚焦圆的半径 R是已知的，根据 测出的L1便可求出 θ1，再由布拉格方程 即可算出相对应的特征X射线波长λ1。
直进式波谱仪
罗兰圆半径不变，三点共圆，圆心变。
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
从几何关系来看，分光晶 体与试样的距离 L 、聚焦圆 的半径 R 以及入射 X 射线与 分光晶体衍射平面的夹角 θ 有以下关系：
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
主要内容
1、 电子探针的结构与工作原理
2、 X射线波长分散谱仪（波谱仪WDS）
3、 X射线能量分散谱仪（能谱仪EDS）
4、 波谱仪与能谱仪的比较 5、电子探针的基本功能 6、 电子探针对试样的要求
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电子探针显微分析
1 电子探针的结构与工作原理

如利用LiF晶体的（200）面网（d=2.013Å），理论检 测范围为0~4.03Å，但实际探测范围为0.89Å~3.5Å。

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材料现代测试方法
电子探针显微分析
电子探针的结构
电子探针的结构 与扫描电镜的结构 非常相似。除了信 号检测处理系统不 同外，其余部分如 电子光学系统、扫 描系统、图像显示 记录系统和真空系 统、电源系统等几 乎完全相同。

高压电缆 电子枪 能谱仪 光镜 物镜光阑
波谱仪
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材料现代测试方法
和考古等领域。
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EPMA的主要应用
1、材料学中的应用 •断口观察镀层表面形貌分析和深度检测 •微区化学成分分析 •相平衡图的制定 •显微组织及超微尺寸材料的研究 2、微电子中的应用 焊点，电路板中微量元素的偏析定量研究，开焊原因分析，需定量分析偏 析富集元素
3、地质、矿物方面的应用 通常化学分析可以有效地确定矿物中特定的元素成分，X 射线衍射可以定性 和定量地给出矿物的晶体结构方面的信息。但是它们都不能解决一个根本 问题，即这些元素在一块矿石中的微观分布？一些贵金属和稀有金属是否 在某些特定的地质结构中富集？某些矿物是否和其他的矿物共生？电子探 针可以解决这些问题。

例如: 当聚焦圆的半径为140mm时，用LiF晶体为分光晶体， 以面网间距为0.2013nm的（200）晶面为衍射平面，在 L=134.7mm处，可探测到FeKα(λ=0.1937nm)的特征X射 线，在L=107.2mm处，可探测到CuKα（0.154nm）的特 征X射线。
Ld l R
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EPMA的主要应用
4、生物学、医学及法学中的应用
此情况下通常元素含量很低，而且需要精确定量，必须由电子探针完成。 •关节修复移植材料在周围组织中的扩散情况 •结石成分分析 •头发等中的微量元素分析（对于职业病鉴定，中毒分析等非常重要，通常 含量很低，而且需要精确定量，必须由电子探针完成） •枪弹残余物颗粒成分分析（有专业的枪击残留物软件，对于重大案件以及 需要精确证据的案件分析，必须由电子探针完成） •死因不明尸骨中铅的亮粒（通过电子探针精确定量分析，可以鉴别出铅的 亮粒为子弹残留物，死因为中枪，并可以比对出为那种子弹，这类工作只 有电子探针可以精确完成） •被盗被烧珍贵文物，可以通过电子探针鉴定文物表面结构以及元素含量。 •文件真伪鉴别（通过比对墨迹元素含量可以精确比对鉴别，要求精确定量 才可以进行鉴别比对）。纸，纸上颜料，油墨，墨水的成分分析，元素分 布图可划出其中不同的区域，与伪造文件比照。