电子探针课件.ppt
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1、电子探针,1.1 EPMA 概述,电子探针X射线显微分析仪(Electron probe X-ray microanalyser , EPMA )的简称为电子探针。 电子探针利用0.5m1m的高能电子束激发分析试样,通过电子束与试样相互作用产生的特征X射线、二次电子、吸收电子、 背散射电子及阴极荧光等信息来分析试样的微区内(m范围内)成份、形貌和化学结合状态等特征。,1.1.1 电子探针的发展历史及发展趋势,1932年在柏林由Knoll和Ruska研制出第一台电子显微镜1939年西门子(Siemens)第一台透射电镜(TEM)商品 1949年castaing用TEM改装成一台电子探针样机195
2、1年 6 月,Castaing 在其博士论文中,提出了EPMA定量分析的基本原理。1956 年由法国 CAMECA公司制成商品EPMA。1960 年扫描型电子探针商品问世。且改善分光晶体,使元素探测范围由Mg12扩展至Be4。二十世纪70 年代开始,电子探针和扫描电镜的功能组合为一体,同时应用计算机控制分析过程和进行数据处理。二十世纪80年代后期,电子探针具有彩色图像处理和图像分析功能,计算机容量扩大,使分析速度和数据处理时间缩短。二十世纪90年代中期,电子探针的结构,特别是波谱和样品台的移动有新的改进,编码定位,通过鼠标可以准确定波谱和样品台位置。,现有EPMA主要生产厂家和产品:1、日本岛
3、津公司EPMA1720,2、日本电子公司JXA-8200,3、法国CAMECA公司SXFiveFE,EPMA发展趋势,向更自动化、操作更方便、更微区、更微量、功能更多的方向发展。彩色图像处理和图像分析功能会更完善,定量分析结果的准确度会提高,特别是对超轻元素(Z10)的定量分析方法将会逐步完善。,减少空气杂质对镜筒、阳极板和样品的污染;元素分析范围广:一般从铍(Be4)铀(92)。(1-2)当电子束入射到薄的样品上,如果样品厚度比入射电子的有效穿透深度小得多,会有一定的入射电子穿透样品,这部分电子称为透射电子。电子探针应用领域:广泛应用于材料科学、矿物学、冶金学、犯罪学、生物化学、物理学、电子
4、学和考古学等领域。其次是作用过程中产生的散射和仪器的电子噪声。减少气体对软X射线的吸收,以提高分析的灵敏度和扩大分析范围。阴极发光现象和发光能力、波长等均与材料基体物质种类和含量有关。由于谱仪设计的限制,角只能在有限的范围内改变,所以,给定的晶体只能检测一定波长范围内的X射线。将电子束在样品表面和观察图像的荧光(CRT)进行同步光栅扫描,把产生的二次电子、背散射电子及 X 射线等信号,经过探测器及信号处理后,送到 CRT 显示图像或记录图像。聚光镜:两或三级,控制束流缩小电子束直径几十分之一到一百几十分之一;由闪烁体、光导管、光电倍增管组成背景强度不是波长的线性函数:在谱线两侧各测两个以上背景
5、值,然后绘出背景轨迹,直接读取峰值处背景。1埃或布拉格角2的位置分别测量取平均值,即为谱峰中心背景。,前置放大器:尽可能靠近计数管并采用场效应管做输入极,以提高信噪比和减少脉冲信号损失。从阴极发光的强度差异还可以判断一些矿物及半导体中杂质原子分布的不均匀性。电子探针应用领域:广泛应用于材料科学、矿物学、冶金学、犯罪学、生物化学、物理学、电子学和考古学等领域。样品可以沿 X、Y、Z 轴方向移动,有的样品台可以倾斜、旋转。栅极:静电聚焦作用 形成一个 10m100m交叉点透射照明光源:用于地质样品的偏光观察,地学研究非常有用。2 EPMA定性分析原理减少空气杂质对镜筒、阳极板和样品的污染;从阴极发
6、光的强度差异还可以判断一些矿物及半导体中杂质原子分布的不均匀性。样品表面良好的导电性和导热性d 为晶体面间距,为X射线入射角,产生的特征X射线波长。3 EPMA定量分析原理粉末样品:直接撒在样品座的双面碳导电胶上,用平的表面物体压紧,再用洗耳球吹去粘结不牢固的颗粒。则外层高能电子填充空位,释放出能量,释放的能量一方面以辐射特征X射线的方式释放,另一方面释放的能量被该原子吸收,从而从另一轨道上轰击出电子,该电子为俄歇电子。2、日本电子公司JXA-8200,1.1.2 电子探针仪器的分析特点,1.微区性、微量性:几个立方m范围能将微区化学成分与显微结构对应起来。而一般化学分析、 X射线荧光分析及光
7、谱分析等,是分析样品较大范围内的平均化学组成,也无法与显微结构相对应,不能对材料显微结构与材料性能关系进行研究。2.方便快捷:制样简单,分析速度快。3.分析方式多样化:可以连续自动进行多种方法分析,如进行样品X射线的点、线、面分析等。自动进行数据处理和数据分析。4.应用范围广:可用于各种固态物质、材料等。,4. 元素分析范围广:一般从铍(Be4)铀(92)。因为H和He原子只有K 层电子,不能产生特征X 射线,所以无法进行电子探针成分分析。锂(Li) 虽然能产生X 射线,但产生的特征X 射线波长太长,通常无法进行检测,电子探针用大面间距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测Be元素。5. 不损坏样品
8、:样品分析后,可以完好保存或继续进行其它方面的分析测试,这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证据等稀有样品分析尤为重要。,6. 定量分析灵敏度高:相对灵敏度一般为(0.010.05)wt%,检测绝对灵敏度约为10-14g,定量分析的相对误差为(13)%。7. 一边观察一边分析:对于显微镜下观察的现象,均可进行分析。电子探针应用领域:广泛应用于材料科学、矿物学、冶金学、犯罪学、生物化学、物理学、电子学和考古学等领域。对任何一种在真空中稳定的固体,均可以用电子探针进行成份分析和形貌观察。,1.2 电子探针的基本原理,1.2.1 电子与物质的相互作用1.2.2 电子探针定性分析原理1.2.3 电子探针定
9、量分析原理,1.2.1 电子与物质的相互作用,一束细聚焦的电子束轰击试样表面时,入射电子与试样的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用,并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信息,有:二次电子、背散射电子、阴极发光、特征X射线、俄歇过程和俄歇电子、吸收电子、透射电子等。,图1 电子与物质交互作用产生的主要信息,1. 二次电子,入射电子与样品相互作用后,使样品原子较外层电子(价带或导带电子)电离产生的电子,称二次电子。二次电子能量比较低,习惯上把能量小于50eV电子统称为二次电子,仅在样品表面5nm10nm的深度内才能逸出表面,这是二次电子分辨率高的重要原因之一。,二次电子及二次电子像,当入
10、射电子与样品相互作用时,入射电子与核外电子发生能量传递,一般几至几十个电子伏特。如果核外电子所获得的能量大于其临界电离能,则该电子可脱离原子成为自由电子,如果这些自由电子离样品表面很近,而且其能量大于相应的逸出能,则可能从样品表面逸出而成为二次电子。二次电子像是表面形貌衬度,它是利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种像衬度。因为二次电子信号主要来处样品表层510nm的深度范围,它的强度与原子序数没有明确的关系,而对微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏感,二次电子像分辨率比较高,所以适用于显示形貌衬度。,二次电子像,2. 背散射电子及背散射电子像,背散射电子是指入射电子与样
11、品相互作用(弹性和非弹性散射)之后,再次逸出样品表面的高能电子,其能量接近于入射电子能量( E。)。背散射电子能量大于50eV,小于等于入射电子能量。背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加,所以背散射电子信号的强度与样品的化学组成有关,即与组成样品的各元素平均原子序数有关。样品平均原子序数越大,产生的背散射电子数目越多,图像的亮度越大,反之亦然。背散射电子也反映样品形貌信息。,背散射电子像(Backscatter electron image,BSE ),3. 阴极发光,阴极发光是指晶体物质在高能电子的照射下,发射出可见光红外或紫外光的现像。 阴极发光现象和发光能力、波长等均与材料基体物质种
12、类和含量有关。阴极发光效应对样品中少量元素分布非常敏感,可以作为电子探针微区分析的一个补充,根据发光颜色或分光后检测波长即可进行元素分析。从阴极发光的强度差异还可以判断一些矿物及半导体中杂质原子分布的不均匀性。例如半导体和一些氧化物、矿物等,用EPMA的同轴光学显微镜可以直接观察可见光,还可以用分光光度计进行分光和检测其强度来进行元素分析。阴极发光现象是了解物质结合状态与结晶状态,是否含有杂质元素等最有效的手段。,计数率计:用来产生与输入计数率成正比的电压。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)分别为样品中和标样中 A元
13、素的特征 X射线强度, 同样方法可求出样品中其它元素的百分含量。因为H和He原子只有K 层电子,不能产生特征X 射线,所以无法进行电子探针成分分析。例如半导体和一些氧化物、矿物等,用EPMA的同轴光学显微镜可以直接观察可见光,还可以用分光光度计进行分光和检测其强度来进行元素分析。薄片和砂薄片不能加盖玻璃3、法国CAMECA公司SXFiveFE电子探针应用领域:广泛应用于材料科学、矿物学、冶金学、犯罪学、生物化学、物理学、电子学和考古学等领域。背散射电子能量大于50eV,小于等于入射电子能量。分析方式多样化:可以连续自动进行多种方法分析,如进行样品X射线的点、线、面分析等。Moseley 定律:
14、 (1-1)消像散器:当电子光学系统中磁场或静电场不称轴对称时,会产生像散,使原来应该呈圆形交叉点变为椭圆。一束细聚焦的电子束轰击试样表面时,入射电子与试样的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用,并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信息,有:二次电子、背散射电子、阴极发光、特征X射线、俄歇过程和俄歇电子、吸收电子、透射电子等。2、日本电子公司JXA-8200减少阴极电子与气体分子的碰撞几率,得到符合要求的电子束;1 EPMA 概述,4. 特征 X 射线,高能电子入射到样品时,样品中元素的原子内壳层(如K、L 壳层) 处于激发态,原子较外层电子将迅速跃迁到有空位的内壳层,以填补空位降低原
15、子系统的总能量,并以特征X射线释放出多余的能量。,各谱线成因及电子在各壳层间的相互跃迁情况,5. 吸收电子,入射电子与样品相互作用后,能量耗尽的电子称吸收电子。吸收电子的信号强度与背散射电子的信号强度相反,即背散射电子的信号强度弱,则吸收电子的强度就强,反之亦然,所以吸收电子像的衬度与背散射电子像的衬度相反。 通常吸收电子像分辨率不如背散射电子像,一般很少用。,6. 透射电子,当电子束入射到薄的样品上,如果样品厚度比入射电子的有效穿透深度小得多,会有一定的入射电子穿透样品,这部分电子称为透射电子。电子的穿透能力与加速电压有关,加速电压高则入射电子能量大,穿透能力强。透射电子数目与样品厚度成反比
16、,与原子序数成正比。 用途:可通过电子能量损失的方法,测定样品成分;可观察样品形貌;可进行电子衍射晶体结构分析。,7. 俄歇电子,入射电子与样品相互作用后,元素原子内层轨道的电子轰击出来成为自由电子或二次电子,而留下空位,从而原子不稳定。则外层高能电子填充空位,释放出能量,释放的能量一方面以辐射特征X射线的方式释放,另一方面释放的能量被该原子吸收,从而从另一轨道上轰击出电子,该电子为俄歇电子。俄歇电子发生的几率随原子序数的减少而增加,能量较低,逸出深度10。俄歇电子的能量对于各元素是特征的。可用来分析样品表面的成分,适合轻元素和超轻元素分析。,1.2.2 EPMA定性分析原理,1.Mosele
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