电子探针以及其应用.ppt
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1、关于电子探针及其应用第一张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言o电子探针X射线显微分析(简称电子探针显微分析)(Electron Probe Microanalysis,简称EPMA),它用一束聚焦得很细(50nm)的加速到5kV-30kV的电子束,轰击用光学显微镜选定的待分析试样上某个“点”(一般直径为1-50um),利用试样受到轰击时发射的X射线的波长及强度,来确定分析区域中的化学组成。第二张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言oEPMA是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析,它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分,因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用
2、的分析方法。第三张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言o1949年法国Castaing与Guinier将一架静电型电子显微镜改造成为电子探针仪。o1951年Castaing的博士论文奠定了电子探针分析技术的仪器、原理、实验和定量计算的基础,其中较完整地介绍了原子序数、吸收、荧光修正测量结果的方法,被人们誉为EPMA显微分析这一学科的经典著作。第四张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言o1956年,在英国剑桥大学卡文迪许实验室设计和制造了第一台扫描电子探针。o1958年法国CAMECA公司提供第一台电子探针商品仪器,取名为MS-85。o现在世界上生产电子探针的厂家主要有三
3、家,即日本岛津公司SHIMADZU、日本电子公司JEOL和法国的CAMECA公司。第五张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言第六张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言第七张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言o随着科学技术的发展,电子探针显微分析技术进入了一个新的阶段,电子探针向高自动化、高灵敏度、高精确度、高稳定性发展。现在的电子探针为波谱WDS和能谱EDS组合仪,用一台计算机同时控制WDS和EDS,结构简单、操作方便。第八张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言(EPMA、SEM区别)oEPMAEPMA:用于成分分析、形貌观察,以成分分析为主。
4、主要用WDS进行元素成分分析、检出角大、附有光学显微镜,可以准确定位工作距离,定量结果准确度高,检测极限低。o缺点:真空腔体大,成分分析束流大,所以电子光路、光阑等易污染,图像质量不如SEM。oSEM:用于形貌观察、成分分析(一般用EDS分析),以形貌观察为主,图像分辨率高。oEPMA比SEM价格贵几倍。第九张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言(EPMA/SEM-EDS的特点)oEPMA、SEM-EDS的仪器构造、成像原理、分析原理、WDS及EDS定量修正过程都相同,但功能、特点不完全相同。oEPMA成分分析时电流大;检出角大;有能精确定位分析点的光学显微镜;WDS的波长分辨率及
5、检测极限均优于EDS。现在成分定量分析要求较高的材料科学、冶金、地质等领域一般都配备了EPMA。oSEM-WDS成分定量分析结果一般也不如EPMA,SEM-EDS还无法完全代替EPMA。第十张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言(EPMAEPMA分析特点)o微区(微米范围)显微结构分析 oEPMA成分分析的空间分辨率(微束分析空间特征的一种度量,通常以激发体积表示)是几个立方微米范围,它能将微区化学成分与显微结构对应起来,是一种显微结构的分析。o一般化学分析、X光荧光分析及光谱分析等,是分析试样较大范围内的平均化学组成,也无法与显微结构相对应,不能对材料显微结构与材料性能关系进行研
6、究。第十一张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言(EPMA分析特点)o元素分析范围广:硼(B)铀()o氢和氦原子只有K层电子,不能产生特征X射线。锂(Li)虽然能产生X射线,但产生的特征X射线波长太长,无法进行检测。第十二张,PPT共七十四页,创作于2022年6月一、引言(EPMA分析特点)o定量准确度高 oEPMA是目前微区元素定量分析最准确的仪器,检测极限一般为0.01%-0.05%,不同测量条件和不同元素有不同的检测极限,有时可以达到ppm级。主元素定量分析的相对误差为1%3%,对原子序数大于11的元素,含量在10%以上时,其相对误差通常小于2%。第十三张,PPT共七十四页,
7、创作于2022年6月一、引言(EPMA分析特点)o不损坏试样、分析速度快 oEPMA可自动进行多种方法分析,并自动进行数据处理和数据分析,对含10个元素以下的试样定性、定量分析,新型EPMA测量试样的时间约需30分钟。o如果用EDS进行定性、定量分析,几分钟即可完成测量。分析过程中一般不损坏试样,试样分析后,可以完好保存或继续进行其它方面的分析测试,这对于文物、宝石、古陶瓷、古钱币及犯罪证据等稀有试样的分析尤为重要。第十四张,PPT共七十四页,创作于2022年6月二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o2.1 常用的X射线谱仪有两种:o一种是利用特征X射线的波长不同来展谱,实现对不同波长X射线
8、分别检测的波长色散谱仪,简称波谱仪(Wavelength Dispersive Spectrometer,简称WDS)o另一种是利用特征X射线能量不同来展谱,的能量色散谱仪,简称能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,简称EDS)。第十五张,PPT共七十四页,创作于2022年6月二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o2.2 定性分析的基本原理 oX射线波谱仪测量电子激发试样所产生的特征X射线波长的种类,即可确定试样中所存在元素的种类。o能谱定性分析主要是根据不同元素之间的特征X射线能量不同,即Eh,h为普朗克常数,为特征X射线频率,通过EDS检测试样中不同能量的
9、特征X射线光子,即可进行元素的定性分析。第十六张,PPT共七十四页,创作于2022年6月二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o2.3 定量分析的基本原理 o试样中A元素的相对含量CA与该元素产生的特征X射线的强度IA(X射线计数)成正比:CAIA,如果在相同的电子探针分析条件下,同时测量试样和已知成份的标样中A元素的同名X射线(如K线)强度,经过修正计算,就可以得出试样中A元素的相对百分含量CA第十七张,PPT共七十四页,创作于2022年6月二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o能谱仪:基本原理(依据特征X射线的波长和相应光量子的关系,通过测量特征X射线的光量子来确定测定试样激发的特征X射
10、线波长,得到一个按能量展开的图谱)第十八张,PPT共七十四页,创作于2022年6月二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o波谱仪基本原理o莫塞莱定律 测定试样激发的特征X射线波长,来确定被激发物质中所含有的元素;o采用晶面间距已知的晶体,运用布拉格定律 o通过测角求出波长,从而定性,得到一个按波长展开的图谱第十九张,PPT共七十四页,创作于2022年6月o 第二十张,PPT共七十四页,创作于2022年6月二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o元素H和He没有X射线峰。通常每个元素约有210个强峰,相对其他光谱分析,谱峰数少。oZ32的较轻元素,只出现一个K双峰和一个较高能量的K峰;用K线系计
11、算;o32 Z 72的较重元素,增加了几个L峰,他们大多数有一个双峰,其后跟随具有更高能量的、群,用L线系计算;oZ72的重元素,没有K峰,除L峰外还出现M峰,通常用M线系计算。第二十一张,PPT共七十四页,创作于2022年6月三、电子探针X射线显微仪器的组成o电子探针的主要组成部分:o1.电子光学系统;o2.X射线谱仪系统;o3.试样室;o4.计算机;o5.扫描显示系统;o6.真空系统等第二十二张,PPT共七十四页,创作于2022年6月3.1、波谱仪(WDS)的结构和工作原理oX射线波谱仪的谱仪系统即X射线的分光和探测系统是由分光晶体、X射线探测器和相应的机械传动装置构成第二十三张,PPT共
12、七十四页,创作于2022年6月3.1.1、波谱仪、波谱仪 o被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光(色散),即不同波长的X射线将在各自满足布拉格方程的2方向上被(与分光晶体以2:1的角速度同步转动的)检测器接收。第二十四张,PPT共七十四页,创作于2022年6月3.1.2 3.1.2 波谱仪波谱仪WDS工作原理工作原理o不同元素的特征X射线的波长不同:轻元素的特征X射线的波长长;重元素波长短。不同元素选用不同的分光晶体。故需根据元素检测范围选择分光晶体;o由2dsin=n,可知d/2,选择分光晶体的晶面间距d必须大于所测X射线波长的一半。第二十五张,PPT共七十四页,创作于202
13、2年6月样品样品入入射射电电子子束束混合波长的混合波长的X X射线射线晶体晶体12122d3.1.2 波谱仪的工作原理(布拉格衍射)波谱仪的工作原理(布拉格衍射)2dSin=n2dSin=n第二十六张,PPT共七十四页,创作于2022年6月第二十七张,PPT共七十四页,创作于2022年6月3.1.3 3.1.3 分光晶体分光晶体o谱仪的角有一定变动范围,如15-65;每一种晶体的衍射晶面是固定的,因此它只能色散一段波长范围的X射线和适用于一定原子序数范围的元素分析。o目前,电子探针仪能分析的元素范围是原子序数为5的硼(B)到原子序数为92的铀(U)。第二十八张,PPT共七十四页,创作于2022
14、年6月常用分光晶体的基本参数及可检测范围常用分光晶体的基本参数及可检测范围晶体化学分子式(和缩写)反射晶面晶面间距 d(A)可检测波长 范围(A)可检测元素范围氟化锂LiF(LiF)2002.0130.893.5K:20Ca-37RbL:51Sb-92U异成四醇C5H12O4(PET)0024.3752.07.7K:14Si-26FeL:37Rb-65TbM:72Hf-92U邻苯二酸铷(或钾)C8H5O4Rb (RAP)或或KAP101013.06(13.32)5.823.0K:9F-15PL:24Cr-40ZrM:57La-79Au肉豆蔻酸铅(C14H27O2)2M*(MYR)_4017.6
15、70K:5B-9FL:20Ca-25Mn硬脂酸铅(C18H35O2)2M*(STE)_502288K:5B-8OL:20Ca-23V廿四烷酸铅(C24H47O2)2M*(LIG)_6529114K:4Be-7NL:20Ca-21Sc(M*M*M*M*表示表示表示表示PbPbPbPb或或或或BaBaBaBa等重金属元素)等重金属元素)等重金属元素)等重金属元素)第二十九张,PPT共七十四页,创作于2022年6月3.1.4 X3.1.4 X射线探测器射线探测器o作为X射线的探测器,要求有高的探测灵敏度,与波长的正比性好和响应时间短。o波谱仪使用的X射线探测器有正比记数器和闪烁计数器等。第三十张,P
16、PT共七十四页,创作于2022年6月3.1.5 X3.1.5 X射线记数和记录系统射线记数和记录系统oX射线探测器输出的电脉冲信号经处理后转换成X射线的强度并加以显示,绘出电子束在试样上作线扫描时的X射线强度(元素浓度)分布曲线。第三十一张,PPT共七十四页,创作于2022年6月3.1.6 波谱仪的特点波谱仪的特点o波谱仪的突出优点是波长分辨率很高。o但由于结构的特点,谱仪要想有足够的色散率,聚焦圆的半径就要足够大,这时弯晶离X射线光源的距离就会变大,它对X射线光源所张的立体角就会很小,因此对X射线光源发射的X射线光量子的收集率也就会很低,致使X射线信号的利用率极低。第三十二张,PPT共七十四
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