【正文】 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 ? 將被加速而獲得了能量的電子束照射到樣品上，便會(huì)引起電子與物質(zhì)之間的相互作用，從而產(chǎn)生出各種信號(hào)，利用這些信號(hào)，可以得到關(guān)于樣品的各種信息。同時(shí) ， 為了控制儀器動(dòng)作和對(duì)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 。 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) ? 探測到的 x射線所形成的電信號(hào) ，由 X射線測量回路中經(jīng)過放大及其它處理 ， 使能夠作為 X射線的光量子數(shù) (即 X射線強(qiáng)度 )表示出來 。將要把幾塊分光晶體交換使用，或者要有幾道分光譜儀。公式中，d為分光晶體的面間距； ?為 X射線的入射角； n為反射線級(jí)數(shù)； ?為 x射線的波長。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(dòng)裝置。鏡筒的上部是由陰極 (燈絲 )、柵極 (常稱為威耐耳特圓帽 )和陽極等組成的電子槍。 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) ? X射線顯微分折儀的基本結(jié)構(gòu) ? 關(guān)于組成 X射線顯微分析儀的各個(gè)系統(tǒng)，這里只簡單地講一下它的基本結(jié)構(gòu)。 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(hào)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)。 圖 線分析一例 （ TaSiNi合金） 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) ? 再一種分析方法是使樣品固定不動(dòng)，而令電子束以比上述線分析更快的速度像電視光柵那樣對(duì)樣品表面的一定區(qū)域 (面積 )進(jìn)行掃描，同時(shí)用探測到的某一種特征 X射線信號(hào)來調(diào)節(jié)與上述掃描同步的陰極射線管的亮度 (一個(gè) X射線光量子就表現(xiàn)為陰極射線管上的一個(gè)亮點(diǎn)，亮點(diǎn)密集即亮度高的部位，該元素濃度也就高 )，便能得到相應(yīng)于該元素在樣品表面二維濃度分布的一種顯微圖像。 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。這時(shí)要將 X射線分光譜儀確定在某一元素特定波長的位置上，通過線分析可以知道在樣品的這條直線上訪元素的分布狀況。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 。 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 分析的一例 。 ? 通常把電子束照射在樣品的某一點(diǎn)上，對(duì)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。 它不是利用電子束而是用 x射線照射樣品表面 ，由于 x射線束直徑至少有幾個(gè)毫米而且其穿透能力也遠(yuǎn)比電子束強(qiáng) ， 所以使熒光 X射線顯微分析儀的分析區(qū)域較大 ， 這是它與 x射線顯微分析儀的本質(zhì)不同之處 。但實(shí)際上，還必須對(duì)由此一級(jí)近似公式所得到的值進(jìn)行各種修正。 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) ? 如果把由被測量的樣品中元素 A所產(chǎn)生的特征X射線強(qiáng)度用 JA表示，而在相同條件下，由含有元素 A的重量濃度為已知的樣品 (標(biāo)淮樣品 )中測得的元素 A的特征 X射線強(qiáng)度用 J(A)，來表示，則兩者之比 (kA)即表示其相對(duì)強(qiáng)度，即 ? kA＝ JA／ J(A) () 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) ? 若再將被測樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品中元素 A的濃度分別用 cA與 c(A)表示時(shí)，并且，不考慮特征 X射線在樣品中的吸收及熒光激發(fā)效應(yīng)等，那么，它們之間的關(guān)系可以近似的表示成下式： ? IA/I(A)＝ cA/c(A)＝ kA () ? 上式稱為卡斯坦一級(jí)近似公式。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(huì)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。當(dāng)然在擴(kuò)大探測范圍時(shí)，電子束的直徑也要相應(yīng)擴(kuò)大。 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?cè)賮硌芯恳幌滤幕拘阅堋Ｍ瑫r(shí)，考慮到不與商品符號(hào)相混等問題，英文縮寫符號(hào)仍然采用 EPMA。 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。前者是當(dāng)電子束對(duì)樣品進(jìn)行掃描時(shí)，利用由于被測樣品的平均原子序數(shù)不同而造成的背散射電子強(qiáng)度上的差異來區(qū)分雜質(zhì)種類的，并可得出掃描范圍、面積率和雜質(zhì)密度等信息。 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。由于各方面研究工作的進(jìn)展，使得對(duì) 4Be、 5B、 6C、 7N、 8O、 9F等在元素周期表中第二周期的元素也可以探測了。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。之后，隨著電子光學(xué)和 x射線測量技術(shù)等的飛快發(fā)展，在著名 X射線衍射專家紀(jì)尼葉(A． Guinier)的指導(dǎo)下，卡斯坦采納了莫塞菜的理論并作了進(jìn)一步發(fā)展，作出了能實(shí)際應(yīng)用的 x射線顯微分析儀。 ? 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。 EMA一般配幾道 CDS，并有非常穩(wěn)定的樣品臺(tái)和電子光學(xué)系統(tǒng)。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)。 X射線顯微分析儀 ? EMA與 SEM不同的是，前者著重微區(qū)成分分析而后者主要用作圖像觀察。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。第一臺(tái)商品 EMA出現(xiàn)在50年代后期，比掃描電鏡子 5年。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。 EMA與掃描電鏡 (SEM)有很密切的關(guān)系，然而，就當(dāng)初研制的目的來說卻是完全不同的。 Raymond castaing (1951) 論述了電子探針的基本概念。電子探針儀中的探針形成及成像原理是與 SEM相似的，其中包括產(chǎn)生一束聚集得很細(xì)的電子束的電子光學(xué)柱體，一個(gè)掃描系統(tǒng)，一個(gè)或幾個(gè)電子探測器，和包括一個(gè)陰極射線管 (CRT)的顯示系統(tǒng)。 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。 ? 雖然，近年來 SEM配上 EDS系統(tǒng)這種配置的儀器使用日益廣泛，但請(qǐng)記?。捎?EMA本身的一些特點(diǎn)，使它在做微區(qū)成分分析上的優(yōu)越性明顯地勝過 SEM。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。 X射線顯微分析儀 ? 這種儀器的設(shè)計(jì)和制造是法國人卡斯坦 (R． Castaing)在 1919年最先提出的，可是，利用電子束照射樣品表面，探測由此而產(chǎn)生出來的特征 X射線，從而對(duì)樣品所含元素進(jìn)行分析的原理，早在 1913年莫塞萊就提出來了。另外，英國的考斯萊特和丹康布等人使電于束對(duì)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 ” 。 X射線顯微分析儀 ? 在 X射線顯微分析儀發(fā)明初期，所能分析的元素范圍為 11Na—92U，而且還存在著對(duì)定量分析中的測量結(jié)果如何進(jìn)行修正等許多問題。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。例如自動(dòng)雜質(zhì)分選儀和離子顯微分析儀等。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(duì)樣品進(jìn)行分析，它能夠用于區(qū)分同位素的種類。盡管前面的敘述中把考斯萊特等人發(fā)明的可以獲得掃描圖像的儀器稱為 “ 掃描型 X射線顯微分析儀 ” ，但近年來生產(chǎn)的儀器都具有使電子束掃描的性能，所以有時(shí)采用了 “ X射線顯微分析儀 ” 這個(gè)名稱。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。 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) ? 首先，由電子槍發(fā)射出來的電子束，通常以 10一 30kV的加速電壓加速，然后利用電磁透鏡的作用將它聚焦變細(xì)，達(dá)到樣品表面時(shí)，其直徑一殷為 50nm。把這樣聚然變細(xì)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。各種元素的特征 x射統(tǒng)都具有各自確定的波長 (莫塞萊定律 )，因此，可以利用探測這些不同波長的 x射線來了解樣品中所含有的元素的種類 (定性分析 )。 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) ? 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) ? 此外 ， 與這種 x射線顯微分析儀在原理上大體相似的儀器 ， 還有 X射線熒光顯微分析儀 。 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)。在進(jìn)行點(diǎn)分析時(shí)，一面使 X射線分光譜儀進(jìn)行波長掃描，即連續(xù)地改變旨在色散和探測各種 X射線波長的譜儀位置，同時(shí)使可知道由被測點(diǎn)所發(fā)射出的 x射線的波長即其含有哪些元素。 根據(jù)探測到的特征 x射線 ， 就可以知道它含有鐵 (Fe)、 鉻 (Cr)、 鎳 (Ni)、 錳 (Mn)。 圖 定性分析一例 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) ? 對(duì)比于點(diǎn)分析來講，沿著樣品上的某一直線，一面使電子束連續(xù)地移動(dòng)，一面來進(jìn)行測量的分析方法，稱為線分析。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