【正文】 結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? x射線的產(chǎn)生與 X射線的特性 ? 各種電子及其信息 ? (iii)二次電子 ? 依賴于入射電子束所產(chǎn)生的二次電子，與入射電子的加速電壓 (能量 )、電子束對樣品的入射角度、樣品表面的凹凸?fàn)顩r以及樣品成分等許多因素有關(guān)，并非由一種因素完全決定的。 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? x射線的產(chǎn)生與 X射線的特性 ? 各種電子及其信息 ? (iii)二次電子 ? 二次電子是被入射電子打出來的固體樣品本身的電子，它與入射電子或背散射電子相比，其能量是很低的，因此，只要在樣品表面施以幾伏的偏壓，便可控制二次電子的發(fā)射，圖 這種情況的示意圖。 圖 背散射電子的成分信息與凹凸信息分離觀察 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? x射線的產(chǎn)生與 X射線的特性 ? 各種電子及其信息 ? (ii)吸收電子 ? 入射電子電流 iI與各種電子電流之間的關(guān)系，已經(jīng)在 ()表示出來了，但是，對于樣品厚度相當(dāng)大時(shí)，入射電子不能穿透樣品，可以看成穿透電流 iT=0，這時(shí)的入射電子電流可表示為： iI=iA+iB+iS () ? 為簡便起見，現(xiàn)在設(shè)二次電子電流 iS=C為一常數(shù)，則吸收電流 iA即為： iA=(iIC) () ? 即吸收電流與背散射電子電流存在互補(bǔ)關(guān)系，從而可以理解吸收電子與背散射電子是反映著關(guān)于樣品的同一信息。而對凹凸信息，雖然兩個(gè)探測器得到的信號絕對值相同，但極性卻恰好相反．根據(jù)這種道理。利用這一點(diǎn)，便可以知道樣品表面的凹凸?fàn)顩r，特此稱之為樣品的凹凸信息。 圖 鉛的質(zhì)量吸收系數(shù)與波長的關(guān)系 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? x射線的產(chǎn)生與 X射線的特性 ? 各種電子及其信息 ? (i)背散射電子及其信息的分離觀察 ? 背散射電子是由樣品反射出來的電子中能量較高的電子，也可以看成是入射電子在樣品表面受到散射向著反方向運(yùn)動的一些電子。在不連續(xù)似置上的兩個(gè)質(zhì)量吸收系數(shù)值的比，稱為吸收邊躍遷率。此外，上面表達(dá)式中的 Fe，雖然一般是指 FeK?線，但也可以是 FeK?線或 FeL?線等其它特征 X射線，然而這時(shí)因?yàn)楦髯缘牟ㄩL不同，所以各自的質(zhì)量吸收系數(shù)當(dāng)然也就不一樣，因此，為了明確地表示出其羌別，避免引起誤會，常常為 (?/?)FeK?Co的形式 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? x射線的產(chǎn)生與 X射線的特性 ? (iii)X射線被物質(zhì)的吸收 ? 另外，當(dāng) X射線穿過由兩種以上元素構(gòu)成的物質(zhì)時(shí)，質(zhì)量吸收系數(shù)具有疊加性質(zhì)，通常用下式?jīng)Q示： ? (?/?) ＝ ?ci(?/?)i ? 式中的 ci是構(gòu)成物質(zhì)的第 i號元素在物質(zhì)中的重量濃度，它滿足?ci＝ 1。如果設(shè)透過物質(zhì)的 X射線強(qiáng)度為 I，則 I可用下式表示： ? I＝ I0exp(?z) () ? 這里的 ?稱為線吸收系數(shù)，它取決于物質(zhì)的種類、密度和 x射線的波長。 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? x射線的產(chǎn)生與 X射線的特性 ? (ii)特征 X射線 ? 關(guān)于 X射線的強(qiáng)度問題，通常這個(gè)強(qiáng)度 (I)用下式來表示： I＝ CIiI(V0VK)n () ? 式中， CI對于確定的加速電壓 (V0)來講，近似于一個(gè)常數(shù)； iI為入射電流強(qiáng)度； VK為使特征 X射線得以產(chǎn)生的最低電壓 ——臨界激發(fā)電壓； n為一個(gè)常數(shù)，當(dāng) V0＜3VK時(shí)，則 n?2， V0＞ 3VK時(shí)，則 n＜ 2。若將它用圖表示，即為圖 ，并且，波長 ?可以用下式做出最好的近似： ? ?＝ ?103/(Z1)2 () 圖 莫塞萊定律圖示 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? x射線的產(chǎn)生與 X射線的特性 ? (ii)特征 X射線 ? 在上面講到的各種特征 X射線當(dāng)中， K系列是最主要的，雖然 K系列的 X射線有好多條，但其強(qiáng)度最高的只有三條，即 K?1， K?和 K?。這樣，便存在一個(gè)能夠放射出特征 X射線的幾率問題，我們將這個(gè)幾率稱熒光率或熒光產(chǎn)額。例如由 L殼層電子填補(bǔ) K殼層空位時(shí)所產(chǎn)生的 X射線稱為 K?線，而由M殼層電子填補(bǔ) K殼層空位時(shí)所產(chǎn)生的 x射線則稱為 K?線。把這樣能量高的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。 圖 連續(xù) X射線的波長和強(qiáng)度的關(guān)系。 (同時(shí)也表示出由 X射線激發(fā)產(chǎn)生的 X射線 ) 圖 由 35keV電子束和由其激發(fā)產(chǎn)生的 X射線各自激發(fā)產(chǎn)生的 X射線波長與強(qiáng)度的關(guān)系（ Mo） X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? x射線的產(chǎn)生與 X射線的特性 ? (i)X射線的產(chǎn)生 ? 此外，前面已經(jīng)講過，電子撞擊到物質(zhì)上所失掉的能量大小是各不相同的。沒這時(shí)放射出的能量為E，則 X射線的頻率 ?由下式表示： ? E＝ h? () ? 其中 h為普朗克常數(shù) ?1034J?s)。如此看來，擴(kuò)散區(qū)域的大小及電子在該區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動方式 (散射形式 )，都會隨著加速電壓及物質(zhì)原子序數(shù)等的不同而有所差異，其大體情況如圖 。這個(gè)區(qū)域的大小主要取決于入射電子的能量 (以能量而論即指單個(gè)電子或 X射線光量子的能量 )若以電壓而論，則為電子束的加速電壓 )和擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的樣品密度。 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? 這里，再簡單地說明一下樣品中電子與物質(zhì)相互作用范圍的大小。 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? 再有，當(dāng)樣品為半導(dǎo)體的接合部位時(shí)，由于電子的照射會使其產(chǎn)生電子、空穴對而形成電動勢，因此，如果在樣品上裝一個(gè)適當(dāng)?shù)慕宇^，將其輸出信號引到儀器外面 (圖 )，便可以對這種樣品所形成的內(nèi)部電功勢進(jìn)行測量和觀察。 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? 因此，真正轉(zhuǎn)化為 X射線顯微分析儀最主要的信號的能量只是入射電子能量的很少 —點(diǎn)。 圖 X射線顯微分析儀所采用的各種信號 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)相互作用 ? 如果把上述各種電子的強(qiáng)度，用電子數(shù)即電流來表示時(shí)，則入射電子的電流強(qiáng)度 iI可以用下式來表示： ? iI＝ iB－ iA－ iT－ iS (2． 4) ? 其中 iB、 iT、 iS即分別代表背散射電子、透射電子與二次電子的電流強(qiáng)度，而 iA為吸收電子電流強(qiáng)度?，F(xiàn)將其匯總起來表示在圖 ，也就是 X射線顯微分析儀所采用的各種信號。同時(shí) ， 為了控制儀器動作和對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 (修正計(jì)算 )， 也可以把 X射線顯微分析儀與電子計(jì)算機(jī)連接起來 。將要把幾塊分光晶體交換使用，或者要有幾道分光譜儀。為使電子束能夠照射到樣品的任意位置上，鏡筒部分還裝有光學(xué)顯微鏡、電子束掃描裝置和樣品驅(qū)動裝置。 圖 X射線顯微分析儀結(jié)構(gòu)示意圖 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? x射線顯微分析儀的特點(diǎn) ? X射線顯微分折儀的基本結(jié)構(gòu) ? 圖的左邊稱為鏡筒部分，也有人稱為鏡體或電子光學(xué)系統(tǒng)。 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? x射線顯微分析儀的特點(diǎn) ? 不僅 X射線可以形成掃描像，而且用背散射電子及二次電子等信號都能構(gòu)成良好的顯微掃描圖像，用以了解樣品的表面狀態(tài)。 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? x射線顯微分析儀的特點(diǎn) ? 圖 析的一例。而如果將 X射線顯微分拆儀所色散的波長確定在某一元素的特征 X射線波長上 ， 測量出這時(shí)的X射線強(qiáng)度 ， 并與標(biāo)準(zhǔn)樣品的這種特征 X射線強(qiáng)度相比較 ， 則如前所述 ， 便能知道產(chǎn)生這種特征 X射線的元素在樣品中的重量濃度 。 ? 通常把電子束照射在樣品的某一點(diǎn)上，對所產(chǎn)生的特征 x射線進(jìn)行測量的分析方法，稱為點(diǎn)分析。但實(shí)際上，還必須對由此一級近似公式所得到的值進(jìn)行各種修正。借助于光學(xué)顯微鏡或顯微掃描圖像，把這樣的電子束照射到樣品表面需要探測的區(qū)域上，這時(shí)便會從樣品表面附近幾個(gè) (?m)3的范圍內(nèi) (這個(gè)范圍的大小，由電子束直徑、加速電壓和樣品本身的性質(zhì)等所決定 )產(chǎn)生出 x射線，這種 X射線是由連續(xù)X射線和特征 X射線所組成的。 X射線顯微分析儀 ? 2 原理 ? X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) ? x射線顯微分析儀的特點(diǎn) ? 已經(jīng)描述了 X射線顯微分析儀是怎樣的一種儀器，現(xiàn)在我們再來研究一下它的基本性能。 X射線顯微分析儀 ? 最初，卡斯坦把這種儀器稱為 “ 電子探針 x射線顯微分析儀 ” ，但由于名稱過長，而 “ 電子探針 ” 這個(gè)名稱又不太確切，在日本多稱之為 X射線顯微分析儀。 X射線顯微分析儀 ? 近年來除 x射線顯微分析儀之外，在其基礎(chǔ)上又出現(xiàn)許多新儀器。與卡斯坦的儀器相比，在探測特征 X射線的原理等方面都是一致的。 ? 因?yàn)?EMA和 SEM上配置 EDS也有一定的優(yōu)點(diǎn)，所以本章將詳細(xì)介紹這兩種技術(shù)，及它們各自的適用范圍。這些 x射線的標(biāo)定和測量可以用能譜儀(EDS)或晶體分光譜儀 (CDS)，后者有時(shí)稱作波譜儀 (WDS)。他講述了自己設(shè)計(jì)并制造的儀器的結(jié)構(gòu)，由他發(fā)展并一直沿用至今的定量分析方法的基礎(chǔ)工作，并展示了首批應(yīng)用研究工作。第 11章 電子探針顯微分析儀 (X射線顯微分析儀 ) (EPMA) X射線顯微分析儀 ? 1. 引言 ? 此章的目的是講述電子探針顯微分析儀器 (EPMA, EMA)的工作原理及應(yīng)用。 Raymond castaing (1951) 論述了電子探針的基本概念。 EMA和 SEM中作微區(qū)化學(xué)成分分析都基于測量電子束激發(fā)產(chǎn)生的 x射線。這種設(shè)計(jì)，使它進(jìn)行元素定量分析的準(zhǔn)確性較高，有利于輕元素的定性和定量分析，在痕量元素分析上更顯著地優(yōu)于 EDS。另外，英國的考斯萊特和丹康布等人使電于束對樣品表面掃描，并利用色散后的特征 X射線強(qiáng)度來調(diào)制陰極射線管的亮度，這樣構(gòu)成的掃描圖像解決了觀察樣品表面元素分布狀態(tài)的方法，因此，把它稱為 “ 掃描型 X射線顯微分析儀 ” 。同時(shí)．伴隨著修正方法的改進(jìn)，這種儀器不僅作為金相學(xué)研究的一種工且具被用于金屬及合金的研究方面，例如在確定析出物及雜質(zhì)成分的工作中，在元素?cái)U(kuò)散區(qū)域與偏析的探測以及焊接區(qū)域及表面氧化層的檢驗(yàn)等方面部取得很大成果，并且，在巖石與礦物中細(xì)微組織的鑒定工作中，玻璃或陶瓷材料的成分分析以及探測木材等生物樣品中的金屬元素等方面，應(yīng)用范圍越來越廣泛。后面的一種儀器也稱為離子探針質(zhì)量分析儀或二次離子發(fā)射顯微分析僅等，它是以離子束代替 X射線顯微分析儀中的電子束、以雙聚焦質(zhì)譜儀代替 X射線分光譜儀來對樣品進(jìn)行分析，它能夠用于區(qū)分同位素的種類。井且，使用這種儀器的分析方法 ——“x射線顯微分析 ” 也常常寫為 “ Xray microanalysis” X射線顯微分析儀 ? 圖 1． 1 示出目前日本制作的 X射線顯微分析儀的外觀。把這樣聚然變細(xì)