電子探針的工作原理及構(gòu)造

電子探針的分析原理及構(gòu)造
一工作原理分析
由莫塞萊定律可知，各種元素的特征X射線都具有各自確定的波長(zhǎng)，并滿足以下關(guān)系：

通過探測(cè)這些不同波長(zhǎng)的X射線來(lái)確定樣品中所含有的元素，這就是電子探針定性分析的依據(jù)。而將被測(cè)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品中元素Y的衍射強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，即:

就能進(jìn)行電子探針的定量分析。當(dāng)然利用電子束激發(fā)的X射線進(jìn)行元素分析，其前提是入射電子束的能量必須大于某元素原子的內(nèi)層電子臨界電離激發(fā)能。

二構(gòu)造
電子探針主要由電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒），X射線譜儀和信息記錄顯示系統(tǒng)組成。電子探針和掃描電鏡在電子光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造基本相同，它們常常組合成單一的儀器。
1 電子光學(xué)系統(tǒng)
該系統(tǒng)為電子探針分析提供具有足夠高的入射能量，足夠大的束流和在樣品表面轟擊殿處束斑直徑近可能小的電子束，作為X射線的激發(fā)源。為此，一般也采用鎢絲熱發(fā)射電子槍和2-3個(gè)聚光鏡的結(jié)構(gòu)。為了提高X射線的信號(hào)強(qiáng)度，電子探針必須采用較掃描電鏡更高的入射電子束流(在10-9-10-7A范圍)，常用的加速電壓為10-30 KV，束斑直徑約為0.5μm。
電子探針在鏡筒部分與掃描電鏡明顯不同之處是由光學(xué)顯微鏡。它的作用是選擇和確定分析點(diǎn)。其方法是，先利用能發(fā)出熒光的材料（如ZrO2）置于電子束轟擊下，這是就能觀察到電子束轟擊點(diǎn)的位置，通過樣品移動(dòng)裝置把它調(diào)到光學(xué)顯微鏡目鏡十字線交叉點(diǎn)上，這樣就能保證電子束正好轟擊在分析點(diǎn)上，同時(shí)也保證了分析點(diǎn)處于X射線分光譜儀的正確位置上。在電子探針上大多使用的光學(xué)顯微鏡是同軸反射式物鏡，其優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)觀察和X射線分析可同時(shí)進(jìn)行。放大倍數(shù)為100-500倍。

2 X射線譜儀
電子束轟擊樣品表面將產(chǎn)生特征X射線，不同的元素有不同的X射線特征波長(zhǎng)和能量。通過鑒別其特征波長(zhǎng)或特征能量就可以確定所分析的元素。利用特征波長(zhǎng)來(lái)確定元素的儀器叫做波長(zhǎng)色散譜儀（波譜儀），利用特征能量的就稱為能量色散譜儀（能譜儀）。
（1）波譜儀
然，波譜儀的關(guān)鍵在于怎樣實(shí)現(xiàn)將未知的特征譜線與已知元素Z聯(lián)系起來(lái)？為此設(shè)想有一種晶面間距為d的特定晶體（我們稱為分光晶體），當(dāng)不同特征波長(zhǎng)λ的X射線照射其上時(shí)，如果滿足布拉格條件（2dsinθ=λ）將產(chǎn)生衍射。顯然，對(duì)于任意一個(gè)給定的入射角θ僅有一個(gè)確定的波長(zhǎng)λ滿足衍射條件。這樣我們可以事先建立一系列θ角與相應(yīng)元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)某個(gè)由電子束激發(fā)的X特征射線照射到分光晶體上時(shí)，我們可在與入射方向交成2θ角的相應(yīng)方向上接收到該波長(zhǎng)的X射線信號(hào)，同時(shí)也就測(cè)出了對(duì)應(yīng)的化學(xué)元素。只要令探測(cè)器連續(xù)進(jìn)行2θ角的掃描，即可在整個(gè)元素范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。

平面分光晶體雖然可將各種不同波長(zhǎng)的X射線分光展開，但由于只有一點(diǎn)產(chǎn)生的X衍射線強(qiáng)度很低，探測(cè)器接受到的信號(hào)將很弱。為此最好采用X射線聚焦的辦法，即將多點(diǎn)衍射線匯聚起來(lái)以增大強(qiáng)度。由于X射線無(wú)法通過透鏡聚焦，故而只能采用彎曲晶體聚焦的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。彎曲晶體的聚焦條件要求X射線源（樣品表面被分析點(diǎn)），分光晶體和X射線探測(cè)器三者處于同一圓周上（聚焦圓）。晶體被彎曲到其衍射晶面的曲率半徑等于2R，并將表面研磨成曲率半徑與聚焦圓相符。此時(shí)，由于衍射晶體的曲率中心總是位于聚焦圓的圓周上（如M點(diǎn)），由S點(diǎn)光源發(fā)射出的呈發(fā)散狀態(tài)的復(fù)合布拉格條件的同一波長(zhǎng)的X射線，經(jīng)C處的分光晶體反射后聚焦與D點(diǎn)。如果將檢測(cè)器的接收窗口狹縫放在D點(diǎn)，即可接受到全部晶體表面強(qiáng)烈衍射的單一波長(zhǎng)X射線。下表列出了波譜儀常用的分光晶體的基本參數(shù)和可測(cè)范圍。

由分光晶體所分散的單一波長(zhǎng)X射線被X射線檢測(cè)器接受，常用的檢測(cè)器一般是正比計(jì)數(shù)器。當(dāng)某一X射線光子進(jìn)入計(jì)數(shù)管后，管內(nèi)氣體電離，并在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電脈沖信號(hào)。下圖示出了電子探針中X射線記錄和顯示裝置方框圖?？梢钥闯?，從計(jì)數(shù)器輸出的電信號(hào)要經(jīng)過前置放大器和主放大器，放大成0-10V左右的電壓脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)再送到脈沖高度分析器。

（2）能譜儀
來(lái)自樣品的X光子通過鈹窗口進(jìn)入鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器。每個(gè)X光子能量被硅晶體吸收將在晶體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。不同能量的X光子將產(chǎn)生不同的電子空穴對(duì)數(shù)。例如，F(xiàn)e的Kα輻射可產(chǎn)生1685個(gè)電子空穴對(duì)，而Cu為2110。知道了電子空穴對(duì)數(shù)就可以求出相應(yīng)的電荷量以及在固定電容（1μμF）上的電壓脈沖。

例如對(duì)Fe的Kα來(lái)說，V=0.27mV，對(duì)Cu的Kα，V=0.34mV?？梢?，鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器的作用是將X射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，產(chǎn)生電脈沖。這個(gè)很小的電壓脈沖通過高信噪比的場(chǎng)效應(yīng)管前置放大器和主放大器的兩次放大產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的電壓脈沖。放大后的信號(hào)被送入多道脈沖高度分析器。
多道脈沖高度分析器中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器首先把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，建立起電壓脈沖幅值與道址的對(duì)應(yīng)關(guān)系（道址號(hào)與X光子能量間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系）。常用的X光子能量范圍在0.2-20.48keV，如果總道址數(shù)為1024，那么每個(gè)道址對(duì)應(yīng)的能量范圍是20eV。X光子能量低的對(duì)應(yīng)道址號(hào)小，高的對(duì)應(yīng)道址號(hào)大。根據(jù)不同道址上記錄的X光子的數(shù)目，就可以確定各種元素的X射線強(qiáng)度。它是作為測(cè)量樣品中各元素相對(duì)含量的信息。然后，在X-Y記錄儀或陰極射線管上把脈沖數(shù)與脈沖高度曲線顯示出來(lái)，這就是X光子的能譜曲線。下圖分別是ZL104壓鑄鋁硅合金中Fe相的二次電子像和它的成分能譜曲線。下表是Fe相的成分能譜定量結(jié)果。

(3)波譜儀與能譜儀的性能比較
如上所述，波譜儀與能譜儀都可以對(duì)樣品中元素進(jìn)行分析，但它們的性能有所不同.
A. 檢測(cè)效率能譜儀中鋰漂移硅探測(cè)器對(duì)X射線發(fā)射源所張的立體角顯著大于波譜儀，所以前者可以接受到更多的X射線；其次波譜儀因分光晶體衍射而造成部分X射線強(qiáng)度損失，因此能譜儀的檢測(cè)效率較高。
B. 空間分析能力能譜儀因檢測(cè)效率高可在較小的電子束流下工作，使束斑直徑減小，空間分析能力提高。目前，在分析電鏡中的微束操作方式下能譜儀分析的最小微區(qū)已經(jīng)達(dá)到毫微米的數(shù)量級(jí)，而波譜儀的空間分辨率僅處于微米數(shù)量級(jí)。
C. 能量分辨本領(lǐng) 能譜儀的最佳能量分辨本領(lǐng)為149eV，波譜儀的能量分辨本領(lǐng)為0.5nm，相當(dāng)于5-10eV，可見波譜儀的分辨本領(lǐng)比能譜儀高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
D. 分析速度

能譜儀可在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)分析點(diǎn)內(nèi)的所有X射線光子的能量進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)數(shù)，僅需幾分鐘時(shí)間可得到全譜定性分析結(jié)果；而波譜儀只能逐個(gè)測(cè)定每一元素的特征波長(zhǎng)，一次全分析往往需要幾個(gè)小時(shí)。
E. 分析元素的范圍波譜儀可以測(cè)量鈹(Be)-鈾(U)之間的所有元素，而能譜儀中Si(Li)檢測(cè)器的鈹窗口吸收超輕元素的X射線，只能分析納（Na）以上的元素。
F. 可靠性能譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有機(jī)械傳動(dòng)部分，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較好。但波譜儀的定量分析誤差（1-5%）遠(yuǎn)小于能譜儀的定量分析誤差（2-10%）。
G. 樣品要求波譜儀在檢測(cè)時(shí)要求樣品表面平整，以滿足聚焦條件。能譜儀對(duì)樣品表面沒有特殊要求，適合于粗糙表面的成分分析。根據(jù)上述分析，能譜儀和波譜一各有特點(diǎn)，彼此不能取代。近年來(lái)，常將二者與掃描電境結(jié)合為一體，實(shí)質(zhì)在一臺(tái)儀器上實(shí)現(xiàn)快速地進(jìn)行材料組織結(jié)構(gòu)成分等資料的分析。