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扫描电镜之电子探针仪的构造和工作原理
2020-09-14 11:49:35


电子探针仪的构造和扫描电镜相似



电子探针分析的基本原理
1. 定性分析的基本原理
  电子探针除了用电子与试样相互作用产生的二次电子、背散射电子进行形貌观察外,主要是利用波谱或能谱,测量入射电子与试样相互作用产生的特征X 射线波长与强度,从而对试样中元素进行定性、定量分析。

定性分析的基础是Moseley关系式:

式中ν为元素的特征X 射线频率,Z为原子序数,K与σ均为常数,C为光速。当σ≈1时,
λ与Z的关系式可写成:

由式可知,组成试样的元素(对应的原子序数Z)与它产生的特征X 射线波长(λ)有单值关系,即每一种元素都有一个特定波长的特征X射线与之相对应, 它不随入射电子的能量而变化。如果用X 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,这就是定性分析的基本原理。

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E=hν,h 为普朗克常数,ν为特征X 射频率, 通过EDS 检测试样中不同能量的特征X 射线,即可进行元素的定性分析,EDS 定性速度快,但由于它分辨率低,不同元素的特征X 射线谱峰往往相互重叠,必须正确判断才能获得正确的结果,分析过程中如果谱峰相互重叠严重,可以用WDS和EDS联合分析,这样往往可以得到满意的结果。

2. 定量分析的基本原理
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:CA∝IA,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Kα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:式中CA为某A元素的百分含量,K 为常数,根据不同的修正方法K 可用不同的表达式表示,IA 和 I(A) 分别为试样中和标样中A元素的特征X 射线强度,同样方法可求出试样中其它元素的百分含量。

电子探针的仪器构造 扫描电镜
  电子探针的主要组成部份为:1. 电子光学系统、2. X射线谱仪系统、3.试样室、4.电子计算机、5.扫描显示系统、6.真空系统等。

1. 电子光学系统
电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、消像散器和扫描线圈等。其功能是产生一定能量的电子束、足够大的电子束流、尽可能小的电子束直径,产生一个稳定的X 射线激发源。
(a)电子枪
  电子枪是由阴极(灯丝)、栅极和阳极组成。它的主要作用是产生具有一定能量的细聚焦电子束(探针)。从加热的钨灯丝发射电子,由栅极聚焦和阳极加速后,形成一个10μm~100μm交叉点(Crossover),再经过二级会聚透镜和物镜的聚焦作用,在试样表面形成一个小于1μm 的电子探针。电子束直径和束流随电子枪的加速电压而改变, 加速电压可变范围一般为1kV~30kV。

(b)电磁透镜
电磁透镜分会聚透镜和物镜,靠近电子枪的透镜称会聚透镜,会聚透镜一般分两级,是把电子枪形成的10μm-100μm 的交叉点缩小1-100 倍后,进入试样上方的物镜,物镜可将电子束再缩小并聚焦到试样上。为了挡掉大散射角的杂散电子,使入射到试样的电子束直径尽可能小,会聚透镜和物镜下方都有光阑。

2. X 射线谱仪
(a)波长色散谱仪
X射线谱仪的性能,直接影响到元素分析的灵敏度和分辨本领,它的作用是测量电子与试样相互作用产生的X 射线波长和强度。谱仪分为二类:一类是波长色散谱仪(WDS),一类是能量色散谱仪(EDS)。

众所周知,X 射线是一种电磁辐射,具有波粒二象性, 因此可以用二种方式对它进行描述。如果把它视为连续的电磁波,那么特征X 射线就能看成具有固定波长的电磁波,不同元素就对应不同的特征X 射线波长,如果不同X 射线入射到晶体上,就会产生衍射,根据Bragg公式:
可以选用已知面间距d的合适晶体分光,只要测出不同特征射线所产生的衍射角2θ,就可以求出其波长λ,再根据公式就可以知道所分析的元素种类,特征X 射线的强度是从波谱仪的探测器(正比计数管)测得。根据以上原理制成的谱仪称为波长色散谱仪(WDS)。

不同波长的X 射线要用不同面间距的晶体进行分光, 日本电子公司的电子探针通常使用的四种晶体面间距及波长检测范围见表
分光晶体及波长范围
表中STE[Pb(C18H35O2)2]为硬脂酸铅,TAP(C8H5O4TI)为邻苯二甲酸氢铊,PET(C5H12O4)为异戊四醇,LiF为氟化锂晶体。

(b)能量色散谱仪
如果把X射线看成由一些不连续的光子组成, 光子的能量为 E=hν,h为普朗克常数,ν为光子振动频率。不同元素发出的特征X射线具有不同频率, 即具有不同能量,当不同能量的X射线光子进入锂漂移硅[Si(Li)]探测器后,在Si(Li)晶体内将产生电子-空穴对,在低温(如液氮冷却探测器)条件下,产生一个电子-空穴对平均消耗能量ε为3.8eV。能量为E 的X 射线光子进入Si(Li)晶体激发的电子-空穴对N=E/ε,入射光子的能量不同,所激发出的电子-空穴对数目也不同,例如,Mn Kα能量为5.895keV,形成的电子-空穴对为1550 个。

探测器输出的电压脉冲高度,由电子-空穴对的数目N 决定,由于电压脉冲信号非常小,为了降低噪音,探测器用液氮冷却,然后用前置放大器对信号放大,放大后的信号进入多道脉冲高度分析器, 把不同能量的X射线光子分开来,并在输出设备(如显像管)上显示出脉冲数—脉冲高度曲线,纵坐标是脉冲数,即入射X 射线光子数,与所分析元素含量有关,横坐标为脉冲高度,与元素种类有关,这样就可以测出X 射线光子的能量和强度,从而得出所分析元素的种类和含量,这种谱仪称能量色散谱仪(EDS),简称能谱仪。

能谱分析和波谱分析特点
能谱仪70 年代问世以来,发展速度很快,现在分辨率已达到130eV左右 ,以前Be窗口能谱仪分析元素范围从11Na-92U,现在用新型有机膜超薄窗口,分析元素可从4Be-92U。
元素定性、定量分析软件也有很大改善,中等原子序数的元素定量分析准确度已接近波谱。
近年来能谱仪的图象处理和图象分析功能发展很快。探测器的性能也有提高,能谱使用时加液氮,不使用时不加液氮。有的能谱探测器用电制冷方法冷却,使探头维护更方便。

能谱有许多优点,例如,元素分析时能谱是同时测量所有元素,而波谱要一个一个元素测量,所以分析速度远比波谱快。能谱探头紧靠试样,使X 射线收集效率提高,这有利于试样表面光洁度不好及粉体试样的元素定性、定量分析。另外,能谱分析时所需探针电流小,对电子束照射后易损伤的试样,例如生物试样、快离子导体试样等损伤小。但能谱也有缺点,如分辨率差,谱峰重叠严重,定量分析结果一般不如波谱等。
表为能谱和波谱主要性能的比较。
现在大部分扫描电镜、电子探针及透射电镜都配能谱仪,使成分分析更方便。
 
能谱和波谱主要性能的比较

3. 试样室
用于安装、交换和移动试样。试样可以沿X、Y、Z轴方向移动,有的试样台可以倾斜、旋转。现在试样台已用光编码定位,准确度优于1μm,对表面不平的大试样进行元素面分析时,Z轴方向可以自动聚焦。
  试样室可以安装各种探测器,例如二次电子探测器、背散射电子探测器、波谱、能谱、及光学显微镜等。光学显微镜用于观察试样(包括荧光观察),以确定分析部位,利用电子束照射后能发出荧光的试样(如Zr02),能观察入射到试样上的电子束直径大小。

4. 电子计算机
5. 扫描显示系统

扫描显示系统是将电子束在试样表面和观察图像的荧光屏(CRT)进行同步光栅扫描,把电子束与试样相互作用产生的二次电子、背散射电子及X 射线等信号,经过探测器及信号处理系统后,送到CRT 显示图像或照相纪录图像。以前采集图像一般为模拟图像,现在都是数字图像,数字图像可以进行图像处理和图像分析。

6. 真空系统
真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真空度,高真空度能减少电子的能量损失和提高灯丝寿命,并减少了电子光路的污染。真空度一般为0.01Pa-0.001Pa,通常用机械泵-油扩散泵抽真空。油扩散泵的残余油蒸汽在电子束的轰击下,会分解成碳的沉积物,影响超轻元素的定量分析结果,特别是对碳的分析影响严重。用液氮冷阱冷却试样附近的冷指,或采用无油的涡轮分子泵抽真空,可以减少试样碳污染。扫描电镜
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