能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理

　　X射線能量色散譜分析方法是電子顯微技術(shù)*基本和一直使用的，具有成分分析功能的方法，通常稱為X射線能譜分析法，簡稱EDS或EDX方法。它是分析電子顯微方法中*基本，*可靠，*重要的分析方法，所以一直被廣泛使用。

　　1。特征X射線的產(chǎn)生

　　特征X射線的產(chǎn)生是入射電子使內(nèi)層電子激發(fā)而發(fā)生的現(xiàn)象。即內(nèi)殼層電子被轟擊后跳到比費(fèi)米能高的能級上，電子軌道內(nèi)出現(xiàn)的空位被外殼層軌道的電子填入時，作為多余的能量放出的就是特征X射線。高能級的電子落入空位時，要遵從所謂的選擇規(guī)則(selectionrule)，只允許滿足軌道量子數(shù)l的變化 l=±1的特定躍遷。特征X射線具有元素固有的能量，所以，將它們展開成能譜后，根據(jù)它的能量值就可以確定元素的種類，而且根據(jù)譜的強(qiáng)度分析就可以確定其含量。另外，從空位在內(nèi)殼層形成的激發(fā)狀態(tài)變到基態(tài)的過程中，除產(chǎn)生X射線外，還放出俄歇電子。一般來說，隨著原子序數(shù)增加，X射線產(chǎn)生的幾率(熒光產(chǎn)額)增大，但是，與它相伴的俄歇電子的產(chǎn)生幾率卻減小。因此，在分析試樣中的微量雜質(zhì)元素時可以說，EDS對重元素的分析特別有效。

　　2。 X射線探測器的種類和原理

　　對于試樣產(chǎn)生的特征X射線，有兩種展成譜的方法：X射線能量色散譜方法(EDS：energy dispersive X-ray spectroscopy)和X射線波長色散譜方法(WDS：wavelengthdispersive X-ray spectroscopy)。在分析電子顯微鏡中均采用探測率高的EDS。從試樣產(chǎn)生的X射線通過測角臺進(jìn)入到探測器中。圖1示出EDS探測器系統(tǒng)的框圖。對于EDS中使用的X射線探測器，一般都是用高純單晶硅中摻雜有微量鋰的半導(dǎo)體固體探測器(SSD：solid state detector)。SSD是一種固體電離室，當(dāng)X射線入射時，室中就產(chǎn)生與這個X射線能量成比例的電荷。這個電荷在場效應(yīng)管(TEF： field effect transistor)中聚集，產(chǎn)生一個波峰值比例于電荷量的脈沖電壓。用多道脈沖高度分析器(multichannel pulse hei ght analyzer)來測量它的波峰值和脈沖數(shù)。這樣，就可以得到橫軸為X射線能量，縱軸為X射線光子數(shù)的譜圖。為了使硅中的鋰穩(wěn)定和降低FET的熱噪聲，平時和測量時都必須用液氮冷卻EDS探測器。保護(hù)探測器的探測窗口有兩類，其特性和使用方法各不相同。

　　3。EDS的分析技術(shù)

　　(1)X射線的測量

　　連續(xù)X射線和從試樣架產(chǎn)生的散射X射線也都進(jìn)入X射線探測器，形成譜的背底，因此要根據(jù)情況注意是否形成人為的假象。為了要減少從試樣架散射的X射線，可以采用鈹制的試樣架。對于支持試樣的柵網(wǎng)，也采用與分析對象的元素不同的材料制作。當(dāng)用強(qiáng)電子束照射試樣，產(chǎn)生大量的X射線時，系統(tǒng)的漏計數(shù)的百分比就稱為死時間Tdead，它可以用輸入側(cè)的計數(shù)率RIN和輸出側(cè)的計數(shù)率ROUT來表示：Tdead=(1-ROUT/RIN)×****

　　(2)空間分辨率

　　對于分析電子顯微鏡使用的試樣厚度入射電子幾乎都透過薄膜試樣。因此，入射電子在試樣內(nèi)的擴(kuò)展不像圖41-2左邊大塊試樣中擴(kuò)展的那樣大，分析的空間的分辨率比較高。在分析電子顯微鏡的分析中，電子束在試樣中的擴(kuò)展對空間分辨率是有影響的，加速電壓，入射電子束直徑，試樣厚度，試樣的密度等都是決定空間分辨率的因素。圖41-2 入射電子束在試樣內(nèi)的擴(kuò)散

　　(3)峰/背比(P/B)

　　特征X射線的強(qiáng)度與背底強(qiáng)度之比稱為峰背比P/B，在進(jìn)行高精度分析時，希望峰背比P/B高。按照札盧澤克(Zaluzec)理論，探測到的薄膜試樣中元素的X射線強(qiáng)度N的表示式如下： N=(IσωpN0ρCt )/4επM

　　式中：I——入射電子束強(qiáng)度；σ——離化截面；ω——熒光產(chǎn)額；

　　p——關(guān)注的特征X射線產(chǎn)生的比值；N0——阿弗加德羅常數(shù)；ρ——密度；

　　C——化學(xué)組成(濃度)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)；t——試樣厚度；——探測立體角；

　　ε——探測器效率；M——相對原子質(zhì)量。

　　如果加速電壓增高，產(chǎn)生的特征X射線強(qiáng)度稍有下降，但是，來自試樣的背底X射線卻大大減小，結(jié)果峰背比P/B提高了。

　　(4)定性分析

　　譜圖中的譜峰代表的是樣品中存在的元素。定性分析是分析未知樣品的**步，即鑒別所含的元素。如果不能正確地鑒別樣品的元素組成，*后定量分析的精度就毫無意義。通常能夠可靠地鑒別出一個樣品的主要成份，但對于確定次要或微量元素，只有認(rèn)真地處理譜線干擾，失真和每個元素的譜線系等問題，才能做到準(zhǔn)確無誤。為保證定性分析的可靠性，采譜時必須注意兩條：**，采譜前要對能譜儀的能量刻度進(jìn)行校正，使儀器的零點(diǎn)和增益值落在正確值范圍內(nèi)；第二，選擇合適的工作條件，以獲得一個能量分辨率好，被分析元素的譜峰有足夠計數(shù)，無雜峰和雜散輻射干擾或干擾*小的EDS譜。

　?、?動定性分析

　　自動定性分析是根據(jù)能量位置來確定峰位，直接單擊"操作/定性分析"按鈕，即可實(shí)現(xiàn)自動定性分析，在譜的每個峰的位置顯示出相應(yīng)的元素符號。

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　　自動定性分析優(yōu)點(diǎn)是識別速度快，但由于能譜譜峰重疊干擾嚴(yán)重，自動識別極易出錯，比如把某元素的L系誤識別為另一元素的K系，這是它的缺點(diǎn)。為此分析者在儀器自動定性分析過程結(jié)束后，還必須對識別錯了的元素用手動定性分析進(jìn)行修正。所以雖然有自動定性分析程序，但對分析者來說，具有一定的定性分析技術(shù)實(shí)在是必不可少的。

　　(5)定量分析

　　定量分析是通過X射線強(qiáng)度來獲取組成樣品材料的各種元素的濃度。根據(jù)實(shí)際情況，人們尋求并提出了測量未知樣品和標(biāo)樣的強(qiáng)度比方法，再把強(qiáng)度比經(jīng)過定量修正換算呈濃度比。*廣泛使用的一種定量修正技術(shù)是ZAF修正。本軟件中提供了兩種定量分析方法：無標(biāo)樣定量分析法和有標(biāo)樣定量分析析法。

　　(6)元素的面分布分析方法

　　電子束只打到試樣上一點(diǎn)，得到這一點(diǎn)的X射線譜的分析方法是點(diǎn)分析方法。與此不同的是，用掃描像觀察裝置，使電子束在試樣上做二維掃描，測量特征X射線的強(qiáng)度，使與這個強(qiáng)度對應(yīng)的亮度變化與掃描信號同步在陰極射線管CRT上顯示出來，就得到特征X射線強(qiáng)度的二維分布的像。這種觀察方法稱為元素的面分布分析方法，它是一種測量元素二維分布的非常方便的方法。