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1、X射線能量色散譜（射線能量色散譜（EDS）x-ray energy dispersive spectrocopy（X射線波長色散譜（射線波長色散譜（WDX）安裝在掃描或透射電子顯微鏡上）安裝在掃描或透射電子顯微鏡上）1基礎教學一、一、X射線能譜分析的基本原理射線能譜分析的基本原理二、二、X射線能譜儀射線能譜儀三、利用三、利用X射線能譜對樣品成分進行分析射線能譜對樣品成分進行分析四、四、X射線能譜儀的工作方式射線能譜儀的工作方式五、五、X射線能譜分析的優(yōu)點和缺點射線能譜分析的優(yōu)點和缺點2基礎教學3基礎教學光電子、熒光X射線及俄歇電子產生過程4基礎教學一、一、X射線能譜分析的基本原理射線能譜分析的
2、基本原理 利用一束聚焦到很細且被加速到利用一束聚焦到很細且被加速到530Kev的電的電子束，轟擊用顯微鏡選定的待分析樣品上的某個子束，轟擊用顯微鏡選定的待分析樣品上的某個“點點”，利用高能電子與固體物質相互作用時所激，利用高能電子與固體物質相互作用時所激發(fā)出的特征發(fā)出的特征X射線波長和強度的不同，來確定分析射線波長和強度的不同，來確定分析區(qū)域中的化學成分。區(qū)域中的化學成分。能方便地分析從能方便地分析從4Be到到92U之間的所有元素之間的所有元素。5基礎教學6基礎教學二、二、X射線能譜儀射線能譜儀圖1 X射線能譜儀7基礎教學8基礎教學 能譜儀的關鍵部件是能譜儀的關鍵部件是Si(Li)檢測器，它實
3、際上是一個檢測器，它實際上是一個以以Li 為施主雜質的為施主雜質的n-i-p型二極管，其結構示意圖如圖型二極管，其結構示意圖如圖2所示。所示。圖圖2 Si(Li)檢測器探頭結構示意圖檢測器探頭結構示意圖9基礎教學 一個一個X射線的光子通過射線的光子通過825 m的鈹窗口進入探的鈹窗口進入探測器后會被測器后會被Si原子所俘獲，原子所俘獲，Si原子吸收了入射的原子吸收了入射的X射射線光子后先發(fā)射一個高能電子，當這個光電子在探測線光子后先發(fā)射一個高能電子，當這個光電子在探測器中移動并發(fā)生非彈性散射時，就會產生電子器中移動并發(fā)生非彈性散射時，就會產生電子空穴空穴對。此時，發(fā)射光電子后的對。此時，發(fā)射光
4、電子后的Si原子處于高能激發(fā)態(tài)，原子處于高能激發(fā)態(tài)，它的能量以發(fā)射俄歇電子或它的能量以發(fā)射俄歇電子或Si的特征的特征X射線的形式釋射線的形式釋放出來俄歇電子也會發(fā)生非彈性散射而產生電子放出來俄歇電子也會發(fā)生非彈性散射而產生電子空穴對空穴對Si的特征的特征X射線也可能被重新吸收而重復以射線也可能被重新吸收而重復以上的過程，還可能被非彈性散射如此發(fā)生的一系列上的過程，還可能被非彈性散射如此發(fā)生的一系列事件使得最初入射的那個事件使得最初入射的那個X射線光子的能量完全耗盡射線光子的能量完全耗盡在探測器中。在探測器中。10基礎教學 X射線與射線與Si（Li)晶體相互作用產生一個電子晶體相互作用產生一個電
5、子空空穴對所需的能量穴對所需的能量=3.8 eV。能量為。能量為E的一個的一個X光子產生光子產生的電子的電子空穴對數(shù)為：空穴對數(shù)為：n=E/相應的電荷量：相應的電荷量：Q=ne=(E/)e這些電荷在電容這些電荷在電容CF上形成的電壓脈沖信號：上形成的電壓脈沖信號：V=Q/CF這就是一個代表這就是一個代表X光子能量的信息。光子能量的信息。如：如：Fe的的K 線的能量為線的能量為6.4 keV,一個一個Fe的的K 光子能光子能產生產生1684個個電子電子空穴對，相應的電荷為空穴對，相應的電荷為2.7 10-16C,若若CF=1pF,則則V=0.27mV。11基礎教學 在檢測器兩端得到的電荷脈沖信號
6、經過在檢測器兩端得到的電荷脈沖信號經過預放大器積分成電壓信號并加以初步放大，預放大器積分成電壓信號并加以初步放大，主放大器將此信號進一步放大，最后輸入單主放大器將此信號進一步放大，最后輸入單道或多道脈沖高度分析器中，按脈沖電壓幅道或多道脈沖高度分析器中，按脈沖電壓幅度大小進行分類、累計，并以度大小進行分類、累計，并以X射線計數(shù)射線計數(shù)(強強度度)相對于相對于x射線能量的分布圖形顯示打印出射線能量的分布圖形顯示打印出來來 12基礎教學三、用三、用XEDS對樣品成分進行分析對樣品成分進行分析1、定性分析：、定性分析：利用利用X射線譜儀，先將樣品發(fā)射的射線譜儀，先將樣品發(fā)射的X射線展成射線展成X射射
7、線譜，記錄下樣品所發(fā)射的特征譜線的波長，然后根線譜，記錄下樣品所發(fā)射的特征譜線的波長，然后根據據X射線波長表，判斷這些特征譜線是屬于哪種元素射線波長表，判斷這些特征譜線是屬于哪種元素的哪根譜線，最后確定樣品中含有什么元素的哪根譜線，最后確定樣品中含有什么元素 13基礎教學2、定量分析、定量分析 定量分析時，不僅要記錄下樣品發(fā)射的特征定量分析時，不僅要記錄下樣品發(fā)射的特征譜線的波長，還要記錄下它們的強度，然后將樣品譜線的波長，還要記錄下它們的強度，然后將樣品發(fā)射的特征譜線強度發(fā)射的特征譜線強度(只需每種元素選一根譜線，只需每種元素選一根譜線，一般選最強的譜線一般選最強的譜線)與成分已知的標樣與成
8、分已知的標樣(一般為純元一般為純元素標樣素標樣)的同名譜線相比較，確定出該元素的含的同名譜線相比較，確定出該元素的含量量 為獲得元素含量的精確值，還要進行修正，為獲得元素含量的精確值，還要進行修正，常用的修正方法有常用的修正方法有“經驗修正法經驗修正法”和和“ZAF”修正修正法法 14基礎教學四、四、X射線能譜儀的工作方式射線能譜儀的工作方式電子探針分析有電子探針分析有3種基本工作方式種基本工作方式1、定點分析、定點分析2、線掃描分析、線掃描分析3、面掃描分析、面掃描分析15基礎教學1、定點分析、定點分析 對樣品表面選定微區(qū)作定點的全譜掃描，進對樣品表面選定微區(qū)作定點的全譜掃描，進行定性或半定
9、量分析，并對其所含元素的質量分數(shù)行定性或半定量分析，并對其所含元素的質量分數(shù)進行定量分析；采用多道譜儀并配以電子計算機自進行定量分析；采用多道譜儀并配以電子計算機自動檢譜設備，可在很短動檢譜設備，可在很短(15min)時間內定性完成從時間內定性完成從4Be到到92U全部元素的特征全部元素的特征X射線波長范圍的全譜掃射線波長范圍的全譜掃描描 16基礎教學2、線掃描分析、線掃描分析 電子束沿樣品表面選定的直線軌跡進行所含元電子束沿樣品表面選定的直線軌跡進行所含元素質量分數(shù)的定性或半定量分析。素質量分數(shù)的定性或半定量分析。利用線掃描分析可以獲得某一元素分布均勻性利用線掃描分析可以獲得某一元素分布均勻
10、性的信息當入射電子束在樣品表面沿選定的直線軌的信息當入射電子束在樣品表面沿選定的直線軌跡跡(穿越粒子和界面穿越粒子和界面)進行掃描時，譜儀檢測某一元進行掃描時，譜儀檢測某一元素的特征素的特征X射線信號并將其強度射線信號并將其強度(計數(shù)率計數(shù)率)顯示出來，顯示出來，這樣可以更直觀地表明元素質量分數(shù)不均勻性與樣這樣可以更直觀地表明元素質量分數(shù)不均勻性與樣品組織之間的關系品組織之間的關系 17基礎教學 X射線信號強度的線掃描分析，對于測定元素射線信號強度的線掃描分析，對于測定元素在材料內部相區(qū)或界面上的富集和貧化，分析擴散在材料內部相區(qū)或界面上的富集和貧化，分析擴散過程中質量分數(shù)與擴散距離的關系，以
11、及對材料表過程中質量分數(shù)與擴散距離的關系，以及對材料表面化學熱處理的表面滲層組織進行分析和測定等都面化學熱處理的表面滲層組織進行分析和測定等都是一種十分有效的手段，但對是一種十分有效的手段，但對C、N、B以及以及Al、Si等低原子序數(shù)的元素，檢測的靈敏度不夠高，定量等低原子序數(shù)的元素，檢測的靈敏度不夠高，定量精度較差。精度較差。18基礎教學3、面掃描分析、面掃描分析 電子束在樣品表面作光柵式面掃描，以特定元電子束在樣品表面作光柵式面掃描，以特定元素的素的X射線的信號強度調制陰極射線管熒光屏的亮度，射線的信號強度調制陰極射線管熒光屏的亮度，獲得該元素質量分數(shù)分布的掃描圖像獲得該元素質量分數(shù)分布的
12、掃描圖像 在面掃描圖像中，元素質量分數(shù)較高的區(qū)域應在面掃描圖像中，元素質量分數(shù)較高的區(qū)域應該是圖像中較亮的部分若將元素質量分數(shù)分布的該是圖像中較亮的部分若將元素質量分數(shù)分布的不均勻性與材料的微觀組織聯(lián)系起來，就可以對材不均勻性與材料的微觀組織聯(lián)系起來，就可以對材料進行更全面的分析料進行更全面的分析 應該注意，在面掃描圖像中同一視域不同元素應該注意，在面掃描圖像中同一視域不同元素特征譜線掃描像之間的亮度對比，不能被認為是各特征譜線掃描像之間的亮度對比，不能被認為是各該元素相對含量的標志該元素相對含量的標志 19基礎教學五、五、X射線能譜分析的優(yōu)點和缺點射線能譜分析的優(yōu)點和缺點n優(yōu)點優(yōu)點(1)分析速度快分析速度快(2)靈敏度高靈敏度高 (3)譜線重復性好譜線重復性好 n缺點缺點(1)能量分辨率低，峰背比低。能量分辨率低，峰背比低。(2)工作條件要求嚴格。工作條件要求嚴格。Si(Li)探頭必須始終保持探頭必須始終保持 在在 液氮冷卻的低溫狀態(tài)。液氮冷卻的低溫狀態(tài)。20基礎教學
X射線能量色散譜 EDS【課堂使用】
