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电子探针

电子探针是一种利用电子束作用样品后产生的特征X射线进行微区成分分析的仪器, [1] 可以用来分析薄片中矿物微区的化学组成。除H、He、Li、Be等几个较轻元素外,还有U元素以后的元素以外都可进行定性定量分析。电子探针的大批量是利用经过加速和聚焦的极窄的电子束为探针,激发试样中某一微小区域,使其发出特征X射线,测定该X射线的波长和强度,即可对该微区的元素作定性定量分析

电子探针显微分析原理及其发展的初期是建立在X射线光谱分析和电子显微镜这两种技术基础上的,该仪器实质上就是这两种仪器的科学组合。电子探针是运用电子所形成的探测针(细电子束)作为X射线的激发源来进行显微X射线光谱分析的仪器。分析对象是固体物质表面细小颗粒或微小区域,最小范围直径为1μm。电子探针可测量的化学成分的元素范围一般从原子序数12(Mg)至92(U),原子序数大于22的元素可在空气通路的X射线光谱仪上进行测量。电子探针的灵敏度低于X射线荧光光谱仪,原因是电子探针X射线的本底值高于后者,但电子探针的绝对感量比其他仪器都高。此外,后期生产的仪器,可作X射线背散射照相、透视照相。能兼作透射电镜、能进行电子衍射、能作电子荧光观察等。

第一台电子探针是法国制成的,是在1949年用电子显微镜和X射线光谱仪组合而成。

1953年前苏联制成了X射线微区分析仪,以后英、美等国陆续生产。

第一台扫描电子探针仪是美国于1960年制成,不仅能对试样作点或微区分析,而且能对样品表面微区进行扫描。

原子序数12至22的元素要在真空下进行成分测定,原子序数12以内的元素需要增添一些特殊设备才能分析。原子序数50以上的元素用LX射线光谱进行分析,原子序数50以下的元素也可以分析,如Sn(50)可用K系x射线光谱进行分析。 [2]

电子探针的原理如图1所示。

(1)电子光学系统。电子束直径0.1~1μm,电子束穿透深度1~3μm。

被激发原子发射特征X射线谱过程如下:围绕原子核运动的内层电子,被电子束的电子轰击后,其他外层电子为补充轰击出的电子而发生跃迁,在跃迁过程中释放出能量,即发射出X射线。

(2)X射线谱仪。测量各种元素产生的X射线波长和强度,并以此对微小体积中所含元素进行定性和定量分析。

特征X射线图像显像管的原理是:X射线束入射到一已知晶面间距的晶体上(X射线分光光度计的弯曲晶体上),经衍射后各种波长的X射线按不同的布拉格角彼此分开,因此如转动晶体,改变衍射角,同时以两倍于晶体的转速转动计数器,就可以依次测量出各种元素所产生的X射线波长和强度,达到定性和定量分析的目的。

(3)X射线强度测量系统。特征X射线,由B系统中的计数管接收,并转换成电脉冲,通过脉冲高度分析仪、计数率计、定标器、电子电位计将其强度测量出来。

(4)光学显微镜目测系统。用以准确选择需要分析的区域,并作光学观察。

(5)背散射电子图像系统。

(6)吸收电子图像系统。

(7)特征X射线图像系统。电子探针的技术核心是利用X射线晶体光学,主要应用两种方法:

1)晶体衍射法(X射线光谱法)。利用晶体转到一定角度,来衍射某种波长的X射线,通过读出晶体不同的衍射角,求出X射线的波长,从而定出样品所含的元素。

2)X射线能谱分析法。无须分析晶体,而直接将探测器接收的讯号加以放大,进行脉冲幅度分析,通过选择不同的脉冲幅度来确定入射x射线的能量,从而区分不同的特征X射线。计算时应用布拉格方程:nλ=2dsinθ [2]

1、能进行微区分析。可分析数个μm3内元素的成分。

2、能进行现场分析。无需把分析对象从样品中取出,可直接对大块试样中的微小区域进行分析。把电子显微镜和电子探针结合,可把在显微镜下观察到的显微组织和元素成分联系起来。

3、分析范围广。Z>4其中,波谱:Be~U,能谱:Na~U。

电子探针可以对试样中微小区域(微米级)的化学组成进行定性或定量分析。可以进行点、线扫描(得到层成分分布信息)、面扫描分析(得到成分面分布图像)。还能全自动进行批量(预置9999测试点)定量分析。由于电子探针技术具有操作迅速简便(相对复杂的化学分析方法而言)、实验结果的解释直截了当、分析过程不损坏样品测量准确度较高等优点,故在冶金、地质、电子材料、生物、医学、考古以及其它领域中得到日益广泛地应用,是矿物测试分析和样品成分分析的重要工具。

电子探针又称微区X射线光谱分析仪、X射线显微分析仪。其原理是利用聚焦的高能电子束轰击固体表面,使被轰击的元素激发出特征X射线,按其波长及强度对固体表面微区进行定性及定量化学分析。主要用来分析固体物质表面的细小颗粒或微小区域,最小范围直径为1μm左右。分析元素从原子序数3()至92()。绝对感量可达10-14至10-15g。近年形成了扫描电镜-显微分析仪的联合装置,可在观察微区形貌的同时逐点分析试样的化学成分及结构。广泛应用于地质、冶金材料、水泥熟料研究等部门。

电子探针X射线显微分析仪(简称电子探针)利用约1Pm的细焦电子束,在样品表层微区内激发元素的特征X射线,根据特征X射线的波长和强度,进行微区化学成分定性或定量分析。电子探针的光学系统、真空系统等部分与扫描电镜基本相同,通常也配有二次电子和背散射电子信号检测器,同时兼有组织形貌和微区成分分析两方面的功能。电子探针的构成除了与扫描电镜结构相似的主机系统以外,还主要包括分光系统、检测系统等部分。

电子探针主要由电子光学系统(镜筒),X射线谱仪和信息记录显示系统组成。电子探针和扫描电镜在电子光学系统的构造基本相同,它们常常组合成单一的仪器。

该系统为电子探针分析提供具有足够高的入射能量,足够大的束流和在样品表面轰击殿处束斑直径近可能小的电子束,作为X射线的激发源。为此,一般也采用钨丝热发射电子枪和2-3个聚光镜的结构。 为了提高X射线的信号强度,电子探针必须采用较扫描电镜更高的入射电子束流(在10-9-10-7A范围),常用的加速电压为10-30 KV,束斑直径约为0.5μm。

电子探针在镜筒部分与扫描电镜明显不同之处是由光学显微镜。它的作用是选择和确定分析点。其方法是,先利用能发出荧光的材料(如ZrO2)置于电子束轰击下,这是就能观察到电子束轰击点的位置,通过样品移动装置把它调到光学显微镜目镜十字线交叉点上,这样就能保证电子束正好轰击在分析点上,同时也保证了分析点处于X射线分光谱仪的正确位置上。在电子探针上大多使用的光学显微镜是同轴反射式物镜,其优点是光学观察和X射线分析可同时进行。放大倍数为100-500倍。

电子束轰击样品表面将产生特征X射线,不同的元素有不同的X射线特征波长和能量。通过鉴别其特征波长或特征能量就可以确定所分析的元素。利用特征波长来确定元素的仪器叫做波长色散谱仪(波谱仪),利用特征能量的就称为能量色散谱仪(能谱仪)。

1、波谱仪

波谱仪的关键在于怎样实现将未知的特征谱线与已知元素Z联系起来?为此设想有一种晶面间距为d的特定晶体(我们称为分光晶体),当不同特征波长λ的X射线照射其上时,如果满足布拉格条件(2dsinθ=λ)将产生衍射。显然,对于任意一个给定的入射角θ仅有一个确定的波长λ满足衍射条件。这样我们可以事先建立一系列θ角与相应元素的对应关系,当某个由电子束激发的X特征射线照射到分光晶体上时,我们可在与入射方向交成2θ角的相应方向上接收到该波长的X射线信号,同时也就测出了对应的化学元素。只要令探测器连续进行2θ角的扫描,即可在整个元素范围内实现连续测量。

由分光晶体所分散的单一波长X射线被X射线检测器接受,常用的检测器一般是正比计数器。当某一X射线光子进入计数管后,管内气体电离,并在电场作用下产生电脉冲信号。下图示出了电子探针中X射线记录和显示装置方框图。可以看出,从计数器输出的电信号要经过前置放大器和主放大器,放大成0-10V左右的电压脉冲信号,这个信号再送到脉冲高度分析器。

2、能谱仪

来自样品的X光子通过铍窗口进入锂漂移硅固态检测器。每个X光子能量被硅晶体吸收将在晶体内产生电子空穴对。不同能量的X光子将产生不同的电子空穴对数。例如,Fe的Kα辐射可产生1685个电子空穴对,而Cu为2110。知道了电子空穴对数就可以求出相应的电荷量以及在固定电容(1μμF)上的电压脉冲。

多道脉冲高度分析器中的数模转换器首先把脉冲信号转换成数字信号,建立起电压脉冲幅值与道址的对应关系(道址号与X光子能量间存在对应关系)。常用的X光子能量范围在0.2-20.48keV,如果总道址数为1024,那么每个道址对应的能量范围是20eV。X光子能量低的对应道址号小,高的对应道址号大。根据不同道址上记录的X光子的数目,就可以确定各种元素的X射线强度。它是作为测量样品中各元素相对含量的信息。然后,在X-Y记录仪或阴极射线管上把脉冲数与脉冲高度曲线显示出来,这就是X光子的能谱曲线。

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