【正文】 了的電子束稱之為電子微束又稱為 “ 電子探針 ” ，它是 x射線顯微分析儀中各種信號(hào)的激發(fā)源。 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) ? 當(dāng)把用 100%的元素 A構(gòu)成的純凈樣品作為標(biāo)準(zhǔn)樣品來使用時(shí)，由于這時(shí)的 c(A)＝ 1，所以 ? cA＝ kA ? 這樣便可以根據(jù)特征 X射線的相對(duì)強(qiáng)度來求出樣品中所含該元素的重量濃度了 (定量分析 )。 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) ? 其次，再讓我們來看一看 X射線顯微分析儀在儀器性能方面的特點(diǎn)。 根據(jù)探測(cè)到的特征 x射線 ， 就可以知道它含有鐵 (Fe)、 鉻 (Cr)、 鎳 (Ni)、 錳 (Mn)。在實(shí)際進(jìn)行線分折的時(shí)候，電子束并不移動(dòng)，而是使樣品自動(dòng)地沿著確定的直線移動(dòng)，同時(shí)用記錄儀記錄出特征 X射線強(qiáng)度的變化情況，即在樣品的那條直線上該元素的濃度分布情況。雖然類比于線分析而言，也有人將此稱之為面分析，但通常都稱為特征 X射線掃描像，簡(jiǎn)稱為 X射線像。圖 理成的 X射線顯微分析儀結(jié)構(gòu)示意圖。電子束由電子槍產(chǎn)生并被加速而獲得能量，再由聚光鏡和物鏡將其聚焦變細(xì)，最后照射到樣品室內(nèi)的樣員上。因?yàn)?X射線顯微分析儀所使用的波長(zhǎng)為 ~15nm這樣一個(gè)比較寬的范圍，所以，為了獲取此間所有波長(zhǎng)的 X射線。 也可以用記錄儀把 X射線的計(jì)數(shù)率記錄出來 ， 或者顯示在陰極射線管上 ， 作為二維的元素濃度分布以供觀察和照像 。這些信號(hào)包括有 X射線、各種電子及可見光等。這種俄歇電子對(duì)于分析樣品最表面的元素是非常有用的。雖然每單位時(shí)間加在樣品上的能量總和，可以用入射電子的加速電壓與入射電子電流強(qiáng)度之積來表示，但是，當(dāng)入射電子轉(zhuǎn)化為肯散射電子或者在樣品非常薄的情況下轉(zhuǎn)化為透射電子而飛出樣品之外時(shí)，將會(huì)帶走其百分之幾的能量；而且，其余的能量盡管是在樣品內(nèi)消耗了，然而，其大部分－百分之九十九以上都轉(zhuǎn)化成熱了。 圖 利用二次電子 (a)和陰極熒光 (b)而得到的樣品圖像。 圖 當(dāng)樣品為半導(dǎo)體的接合部位時(shí)內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)像 (EMF像 ) 。把這樣的電子與物質(zhì)相互作用的區(qū)域稱為電子束的擴(kuò)散區(qū)域或穿透區(qū)域。 ?(a)小 Z，低電壓 ?(b)小 Z，高電壓 ?(c)大 Z，低電壓 ?(b)大 Z，高電壓 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 ? 圖 而計(jì)算出來的 x射線產(chǎn)生區(qū)域的模型?；蛘咭部梢钥闯墒请娮优c物質(zhì)中的原子相互碰撞，其失去的能量以 X射線的形式放射出來。 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 ? 圖 射到純鉬樣品上的時(shí)候所產(chǎn)生的 x射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的關(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 ? (i)X射線的產(chǎn)生 ? 圖 速電壓下連續(xù) X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的關(guān)系。如果有被加速了的電子束或者 X射線對(duì)這種處在基態(tài)的原子進(jìn)行轟擊時(shí)，則該原子便會(huì)發(fā)生電離，換句話講，就是原子核周圍的電子當(dāng)中有的被打出原子之外了。再有， K?線及K?線等的命名法，是根據(jù)電子躍遷前后的能級(jí)不同來確定的。 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 ? (ii)特征 X射線 ? 根據(jù)上面所講的道理可以知道，當(dāng)處于基態(tài)的原子被電離后，即能放射出特征 X射線，但實(shí)際上并不限于此，外殼層電子落入K殼層時(shí)所放出的能量，不僅能以特征 X射線的形式放出，而且也可能在同一原子內(nèi)被吸收，致使 L殼層或 M殼層的電子被打出原子之外，這種情況稱之為俄歇 (Auger)效應(yīng)?，F(xiàn)在，設(shè)其頻率為?，則 ?隨原子序數(shù)的變化情況可由莫塞萊定律所決定： ? ?1/2＝ C (Z?) () ? 式中 C與 ?為常數(shù)， ??1。 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 K二重線中， K?1線的強(qiáng)度約為 K?2線強(qiáng)度的 2倍，而 K?1線的波長(zhǎng)卻較 K?2線的波長(zhǎng)短，所以，當(dāng)兩線分不開的時(shí)底 K?線的波長(zhǎng)便以兩種波長(zhǎng)累加平均值的形式給出，即如前述，因?yàn)?K?1線的強(qiáng)度為 K?2線強(qiáng)度的 2倍，所以它將以 2倍于 K?2的資格用下式進(jìn)行計(jì)算： ? ?(K?)=[2?(K?1)+?(K?2)]/3 () ? 以鉬為例，即可得出下面的結(jié)果： ? ?(MoK?)=[ (2?+)=(nm) ? 同樣， K?1線也常常作為 K?線來看待。 圖 CrK?線的強(qiáng)度與加速電壓的關(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 ? (iii)X射線被物質(zhì)的吸收 ? 強(qiáng)度為 I0的 X射線，垂直入射到厚度為 z的物質(zhì)上的時(shí)候，它的一部分在物質(zhì)中被吸收，而使得其強(qiáng)度下降。 (在有些文獻(xiàn)中，也有的將吸收體與 X射線位置顛倒來寫的 )。開始，質(zhì)量吸收系數(shù)隨著 X射線的波長(zhǎng)變短而連續(xù)地減少，而在某一波長(zhǎng)上卻發(fā)生了不連續(xù)的增加，我們把這個(gè)不連續(xù)的位置稱為吸收邊，它與下述的熒光激發(fā)問題有重要關(guān)系。這時(shí)，如果將上述的躍遷率用 rK表示，則熒光激發(fā)產(chǎn)生的 x射線強(qiáng)度與 (rK1)/ rK比成正比。 圖 背散射系數(shù)與原子序數(shù)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 ? 另一方面，當(dāng)背散射電子探測(cè)器相對(duì)于入射電子束而傾斜設(shè)置時(shí)，如果樣品的某一部分向著探測(cè)器，則其強(qiáng)度便會(huì)增大，反之就會(huì)減小 (參閱圖 )。對(duì)于原子序數(shù)信息來說．進(jìn)入左右兩個(gè)探測(cè)器的信號(hào)，其大小和極性都相同。 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 ? 圖 出來。再有，如果樣品表面有導(dǎo)電不良的區(qū)域，則在該區(qū)域會(huì)有電荷積聚，結(jié)果也使得測(cè)得的吸收電流減小，如果設(shè)這部分電流為in，則對(duì)應(yīng)于入射電流 iI的吸收電流 iA最終可以表示為如下形式： iA＝ iI－ (iB＋ iS＋ in) () ? 它表明實(shí)際測(cè)量出來的吸收電流 iA有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。圖 位分布圖像，當(dāng)如圖 (b)右圖所示，使發(fā)射極接地、集電極開路，而由基極輸出時(shí)，便能得到圖 (a)所示的圖像，圖2． 26(b)的左圖為其說明圖。因此設(shè)入射電子在樣品中的軌跡是在圖 x軸上，并且入射電子的能量損失可以忽略不計(jì)，則這時(shí)由與電子束入射點(diǎn)的距離 x的 dx處所產(chǎn)生的二次電子量，在 x軸的各點(diǎn)上都是相同的。如果 x cos ?的值不是非常小，那么，dx處所產(chǎn)生的二次電子就幾乎不能達(dá)到樣品表面而被物質(zhì)所吸收。因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的二次電子所具有的信息都與背放射電子的信息有關(guān)，所以稱之為 “ 背散射電子對(duì)二次電子的影響 ” 。 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 ? 信息源的大小 ? 通常，信息源的大小可以根據(jù)圖 所示電子作用的有效范圍來推斷。 圖 分析區(qū)域的深度與加速電壓的關(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 ? 信息源的大小 ? 由此看來 ， 對(duì)直接由入射電了激發(fā)產(chǎn)生的特征 x射線 ， 其分析區(qū)域的大小約為幾個(gè)微米 ， 但是 ， 在同時(shí)考慮到因熒光激發(fā)所產(chǎn)生的特征 X射線時(shí) ， 其分析區(qū)域?qū)?huì)變很大些 。 圖 在 Fe(90%)、 Cr(10%)合金中，由熒光激發(fā)而產(chǎn)生的 CrK?線分布比例。 ? 例如在對(duì)不銹鋼中夾雜物的分析過程中 ， 當(dāng)討論鐵 、 鉻等在基體材料中含量較高的元素是否在夾雜物中存在的時(shí)候 ， 就要考慮到夾雜物中產(chǎn)生的連續(xù) x射線也可以激發(fā)產(chǎn)生鐵 、 鉻等的特征 X射線并被探測(cè)到 。 圖中表明了在樣品中深度為 z0、 z z …… 的平面上產(chǎn)生二次電子信號(hào)大小的分布情況 。 例如對(duì)于二次電子來說 ，由于它只探測(cè)到 z0及其附近的信號(hào) 。如果樣品非常薄 ， 由于入射電子能夠幾乎不擴(kuò)散地穿過樣品 ， 那么與電子束直徑大體相等的圓柱體便為其信息源 。 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 ? 信息源的大小 ? 電子束照射點(diǎn)的溫度上升 ? 如果將所消耗的電能用加速電壓 (kV)與樣品吸收電流 (?A)之積來近似表示時(shí)，則有： ? Tm＝ iA?V/(C?d) (?C) (2． 24) ? 當(dāng)加速電壓為 20kV，電子束直徑為 1 ?m時(shí)，樣品上電子束照射點(diǎn)的溫度上升與其熱傳導(dǎo)率的關(guān)系大致如圖 所示。 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 ? X射線的色散 ? (i)波長(zhǎng)色散與能量色微 ? 要使得 X射線產(chǎn)生色散，一般有兩種方法，一是將 X射線所具有的能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以形成能做再是區(qū)分 x射線的波長(zhǎng)以形成波 (光 )譜。前面提到的能量色散法，由于不采用使 X射線按波長(zhǎng)來區(qū)分的機(jī)械分光譜儀裝置，所以也稱為非色散法，但是，無論使X射線按波長(zhǎng)來區(qū)分還是按能量來區(qū)分，在原理上都是一樣的。對(duì)于克服 x射線的吸收影響來說，取出角大些為好，而對(duì)于減少熒光 x射線的影響來說，取出角小些為好。 ? 分光晶體能夠使得 X射線按其波長(zhǎng)色散開來。 圖 分光晶體模型與布拉格衍射 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 ? X射線的色散 ? 波長(zhǎng)色撤法 ? 在圖 ， AA?與 BB?構(gòu)成相鄰的晶面， d為兩個(gè)晶面的間距， ?表示入射 X射線向著晶面的入射角， O與 O?是入射 X射線與晶面的交點(diǎn)。 圖 分光晶體模型與布拉格衍射 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 ? X射線的色散 ? 波長(zhǎng)色撤法 ? 由于要求在分光晶體的各點(diǎn)上，入射角?必須保持相同。早些時(shí)候，利用探測(cè) X射線的方法來對(duì)輕元素進(jìn)行分析時(shí)，由于沒有良好的色散元件，所以用流氣正比計(jì)數(shù)管來接收 X射線，進(jìn)而用脈沖高度分析儀來區(qū)分其輸出信號(hào)的大小，根據(jù) X射線的能量不同來鑒別輕元素的種類。 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 ? X射線的色散 ? 波長(zhǎng)色撤法 ? 能量色散法 ? 圖 2． 40是利用半導(dǎo)體探測(cè)器的能量色散法裝置的原理方框圖。 圖 能量色散法裝置原理圖