第十三章电子探针显微分析
v 要解决的问题是： ①分光晶体表面处处满足同样的衍射条件；
②实现衍射束聚焦 v 解决的办法是：
把分光晶体作适当的弹性弯曲，并使X射线源、 弯曲晶体表面和检测器窗口位于同一个圆周上，就 可以达到把衍射束聚焦的目的。该圆称为聚焦圆， 半径为R。 此时，如果晶体的位置固定，整个分光晶体只收集 一种波长的X射线，从而使这种单色X射线的衍射 强度大大提高。
•园周上以1：2的角速度 转动，以保证满足布拉 格条件。这种波谱仪结 构较直进式简单，但出 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 的路线不同，往往会造 成分析上的误差。
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2. 测定原理
v 以直进式为例说明。
如图示，分光晶体位置沿直 线运动时晶体本身产生相应 的转动，从而使θ和λ满足 Bragg条件。 在O1圆上
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缺点和不足：
1) 分辨率低：Si(Li)检测器分辨率约为160eV； 波谱仪分辨率为5－10eV 2) 能谱仪中因Si(Li)检测器的铍窗口限制了超 轻元素的测量，因此它只能分析原子序数大于 11的元素；而波谱仪可测定原子序数从4到92 间的所有元素。 3) 能谱仪的Si(Li)探头必须保持在低温态，因 此必须时时用液氮冷却。
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2. 能谱仪分析特点
v 优点（与波谱仪相比） 1) 能谱仪探测X射线的效率高。其灵敏度比波谱仪高 约一个数量级。 2) 在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量 进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果， 而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。 3) 结构简单，稳定性和重现性都很好（因为无机械传 动） 4) 不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面 分析。
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2) 在样品上方放置分光晶体，当入射X波长λ、 入射角θ、分光晶体面间距d之间满足:
2dsinθ=λ 时，
该波长将发生衍射，若在其衍射方向安装探测 器，便可记录下来。由此，可将样品作用体 积内不同波长的X射线分散并展示出来。
•上述平面分光晶体使谱仪的检测效率非常低， 表现在： (1)固定波长下，特定方向入射才可衍射； (2)处处衍射条件不同
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13.2 电子探针仪的结构与工作原理
v 结构分为三大部分：镜筒、样品室、和信号检测系统。
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• 镜筒和样品室部分与SEM相同。 • 信号检测系统是X射线谱仪，对微区进行化学成分分
析： 波长分散谱仪或波谱仪（WDS），用来测定特定波
长的谱仪； 能量分散谱仪或能谱仪（EDS），用来测定X射线特
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2）. 线分析：
将谱仪（波、能）固定在 所要测量的某一元素特征 X射线信号（波长或能量） 的位置，把电子束沿着指 定的方向作直线轨迹扫描， 便可得到这一元素沿直线 的浓度分布情况。改变位 置可得到另一元素的浓度 分布情况。
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3. 面分析：
电子束在样品表面作光栅扫描，将谱仪（波、能）固定在所 要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置，此 时，在荧光屏上得到该元素的面分布图像。改变位置可得到 另一元素的浓度分布情况。也是用X射线调制图像的方法。
可改变入射角θ，从而可探测不同波长的X线。
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实际中使用的谱仪布置形式有两种
1）直进式波谱仪：
X射线照射分光晶体的 方向固定，即出 射角Ψ保持不变，聚焦 园园心O改变， 这可使X射线穿出样品 表面过程中所走 的路线相同也就是吸收 条件相等。
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2）回转式波谱仪
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2 定量分析 先测出y元素的X线强度Iy’，再在同样条件下测定纯y元 素的X线强度Iy0’，然后分别扣除背底和计数器死时间对 所测值的影响，得到相应的强度Iy和Iy0
一般情况下还要考虑原子序数、吸收和二次荧光的影响， 因此，Cy和Ky间有差距，故有：
具体定量分析计算非常复杂，一般分析浓度误差在±5%之 内。随测试技术进步，分析精度不断在提高。
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X射线聚焦方式有两种：
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1)Johann 型聚焦法： 2) 弯曲单晶的衍射晶面的曲率半径为2R。
近似聚焦方式。 3)2) Johansson型聚焦法： 4) 衍射晶面表面的曲率半径为R，即晶体表
面磨制成和聚焦圆相合。全聚焦法 显然，只要改变晶体在聚焦园的位置，即
L1—点光源和分光晶体距离，在仪器 上读取，
R—已知，可求得θ1，即可求得λ1
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3. 分析方法
v 直进式波谱仪中在进行定点分析时，只要把距离L从小变 大，就可在某些特定位置测到特征波长信号，经处理后可 在荧光屏或X-Y记录仪上把谱线描绘出来。 由于结构上的限制，L不能太长。一般在10～30cm范围。 在聚焦园R=20cm的情况下，则θ约在15°～65°之间变化。 可见一个分光晶体能够覆盖的波长范围是有限的，也只能 测定某一原子序数范围的元素。
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13.3 电子探针仪的分析方法及应用
1 定性分析 1）.定点分析：
将电子束固定在要分析的微 区上，用波谱仪分析时，改 变分光晶体和探测器的位置， 即可得到分析点的X射线谱线； 用能谱仪分析时，几分钟内 即可直接从荧光屏（或计算 机）上得到微区内全部元素 的谱线。
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v 假定产生一个空穴对的最低平均能量为ε（固定 的），则由一个光子造成的空穴对数目为：
N — 一个X射线光子造成的空穴电子对 的数目 ε — 产生一个空穴对的最低平均能量 ΔΕ — 特征能量 由此可见，ΔΕ越大，N就越大
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v 工作过程 加在Si(Li)晶体两端偏压来收集电子空穴对 → （前置放大器）转换成电流脉冲 → （主放大器）转换成电压脉冲 → （后进入）多通脉冲高度分析器，按高度 把脉冲分类，并计数，从而描绘I－E图谱。
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习题
1. 电子探针仪与扫描电镜有何异同？电子探针仪如 何与扫描电镜和透射电镜配合进行组织结构与微 区化学成分的同位分析?
2. 2. 波谱仪和能谱仪各有什么优缺点? 3. 3. 直进式波谱仪和回转式波谱仪各有什么优缺点?
第十三章电子探针显微分析
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演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/28
第十三章电子探针显微分析
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v 要测定z=4-92范围的元素，则必须使用几块晶面间距不 同的晶体，因此，一个谱仪中经常装有2块分光晶体可以 互换，一台电子探针仪上往往装有2～6个谱仪，几个谱仪 一起工作可以同时测定几个元素。
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能量分散谱仪（能谱仪EDS）
1. 工作原理 利用不同元素X射线光子特征能量不同特点进行成分分析 锂漂移硅能谱仪Si(Li)框图
征能量的谱仪 要使同一台仪器兼具形貌分析和成分分析功能，
往往将扫描电镜和电子探针组合在一起。
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波长分散谱仪（波谱仪WDS）
1．工作原理
1) 电子束Biblioteka 射样品表 面产生的X射线是在 样品表面下一个μm 量级乃至纳米量级的 作用体积发出的，若 该体积内含有各种元 素，则可激发出各个 相应元素的特征X线， 沿各向发出，成为点 光源。
第十三章电子探针显微 分析
2020/11/28
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13.1 概论
电子探针的主要功能 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。