第三章　电子探针分析方法.ppt

第三章　电子探针分析方法 第一节　方法原理 　 一、信息的产生及其特征 二、图谱形成及分辨率 三、定量分析 四、定性分析 第二节　仪器描述 　 一、仪器组成 二、X射线谱仪－波谱仪 三、能量色散谱仪 四、能量分析仪－多道脉冲波高分析仪 五、处理、显示系统 第三节　应用示例 一、成分分析 二、状态分析 特征X射线的产生 基于入射电子束与试样被测元素内部壳层电子作用产生非弹性散射，被测元素内壳层因电子出射而出现空位（成为电离状态），体系处于一种不稳定的激发状态。处在激发态的原子寿命极短（10-12?10-14s），随后将发生由外壳层高能态电子自动跃入空位的辐射跃迁过程。由于填充内部壳层空位时放出的能量较大，辐射出的电磁波频率属于X光频段（能量在102?106eV），所以产生的信息是特征X射线，可用作材料成分研究 电子探针分析方法：基于特征X射线的材料研究方法 可作微区、微量无损测定，并可提供零、一、二维成分分布，因此在化工、化学、材料、冶金、地质、物理等领域有极广泛应用 基于特征X射线的展谱方式，电子探针可分为两种： 波谱仪（WDS） 能谱仪（EDS） 电子探针常配备于TEM或SEM，形貌分析与微区成分分析有机结合 信息的特征性 本方法是基于聚焦电子束对被测原子内壳层电子的非弹性散射后发生的辐射跃迁（产生特征X射线），其能量是电子跃迁前后所处能级的差值，即有： 第一节　方法原理 一、信息产生及其特征 电子的能级结构决定于原子，是特征的。因此，辐射的波长或能量也是特征的，具有指纹性 发射X射线的特征性（或指纹性）是由Moseley于1913年发现的，并给出了定律： 可见，信息的波长（?）或频率（?）是随Z而变化的，可以作为成分分析的依据 （a、b、c为与电子层有关的常数） 信息强度（产额） 信息的特征性决定了可作成分分析的依据和方法。但作为分析方法，只有信息特征性是不够的，还要求有良好的灵敏度、精确度和分辨率，否则仍不能成为一种理想的方法 信息产额━━信息产生的几率，它决定了方法的灵敏度 信息产额决定于散射截面、选择定则（是否为允许跃迁）及弛豫时的辐射跃迁几率 非弹性散射截面 第二章已经给出了非弹性散射截面，即 ?j越大，非弹性散射几率也越大━━是产生特征X射线的前提 内电子被激发电离 选择定则 电子的始态能级高于电子的终态能级是跃迁得以自发进行的的必要条件，但并不充分，电子并不能从一个能量较高的能级跃入任一个能量较低的能级 想要如实地反映电子的跃迁规律还需另加一个条件，即“选择定则”，只有符合选择定则的电子，才有很大的跃迁几率 产生较强X射线谱线的跃迁选择定则为： 主量子数　n=1, 2, 3, 4, ???, n 辅量子数　l=0, 1, ???, (n-1) 内量子数 不符合选择定则的并非几率就为0，只是很小而已 三个量子数与电子壳层及能级的关系 如果原子最内层（即K层，n=1）的一个电子被逐出壳层，而由n=2的L层上的一个电子跃入填充时，则产生K?辐射（有K?1、K?2和K?3）；如果电子由M层（n=3）跃入K层，则产生K?辐射（有K?1 ?K?5） 辐射跃迁几率 在符合选择定则的前提下，不同特征X射线的产额主要取决于不同跃迁系的跃迁几率 只有非弹性散射截面大、辐射跃迁几率也大，才可能获得大的产额和强度，其灵敏度和精确度才会大 跃迁几率与原子序数Z和不同跃迁线系有关 Z较小时，仅能激发出K系X射线；Z较大时，可激发出K系和L系谱线； Z足够大时，可同时激发出K系、L系和M系的特征X射线 为了分析谱线具有较大的灵敏度、无干扰，应合理选择分析谱线：对轻元素，应选K系线；对较重元素（Z?30）则应选择L系线；而对Z62的元素则用M系谱线 探测器窗口对分析元素的限制 X射线显微分析方法，由于X射线的接收是通过一个铍制的窗口，铍窗对X射线存在吸收，能量小于约1keV的X射线基本上被吸收而探测不到 而Z小的元素本身的X射线产额很低，因此普通的铍窗口探测器只能探测原子序数Z?11（钠）的元素 为能分析低Z的元素，1980年代以来国际上开发了所谓的无窗口探测器和极薄窗口探测器，或用对低能X射线吸收小的材料（如BN薄膜）制备窗口，可以对Z?5（硼）的元素进行定性定量分析 分析灵敏度与原子序数关系 从各系谱线产额随Z而变化的规律可知，分析的灵敏度也是随原子序数Z增加而提高：Z22，灵敏度为100ppm；10Z22，灵敏度为1000ppm；5Z10，灵敏度为10000ppm（1%） 分辨率决定于谱线的半高宽