第十四章 X-射线光电子能谱法 14．1 引言 X-射线光电子谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称为XPS），经常又被称为化学分析用电子谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称为ESCA），是一种最主要的表面分析工具。自19世纪60年代第一台商品化的仪器开始，已经成为许多材料实验室的必不可少的成熟的表征工具。XPS发展到今天，除了常规XPS外，还出现了包含有Mono XPS (Monochromated XPS, 单色化XPS，X射线源已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源), SAXPS ( Small Area XPS or Selected Area XPS, 小面积或选区XPS，X射线的束斑直径微型化到6μm) 和iXPS（imaging XPS, 成像XPS）的现代XPS。目前，世界首台能量分辨率优于1毫电子伏特的超高分辨光电子能谱仪（通常能量分辨率低于1毫电子伏特）在中日科学家的共同努力下已经研制成功，可以观察到化合物的超导电子态。现代XPS拓展了XPS的内容和应用。 XPS是当代谱学领域中最活跃的分支之一，它除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。XPS可以分析导体、半导体甚至绝缘体表面的价态，这也是XPS的一大特色，是区别于其它表面分析方法的主要特点。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。XPS表面分析的优点和特点可以总结如下： ⑴固体样品用量小，不需要进行样品前处理，从而避免引入或丢失元素所造成的错误分析 ⑵表面灵敏度高，一般信息采样深度小于10nm ⑶分析速度快，可多元素同时测定 ⑷可以给出原子序数3-92的元素信息，以获得元素成分分析 ⑸可以给出元素化学态信息，进而可以分析出元素的化学态或官能团 ⑹样品不受导体、半导体、绝缘体的限制等 ⑺是非破坏性分析方法。结合离子溅射，可作深度剖析 目前，XPS主要用于金属、无机材料、催化剂、聚合物、涂层材料、纳米材料、矿石等各种材料的研究，以及腐蚀、摩擦、润滑、粘接、催化、包覆、氧化等过程的研究，也可以用于机械零件及电子元器件的失效分析，材料表面污染物分析等。 14.2 基本原理 XPS方法的理论基础是爱因斯坦光电定律。用一束具有一定能量的X射线照射固体样品，入射光子与样品相互作用，光子被吸收而将其能量转移给原子的某一壳层上被束缚的电子，此时电子把所得能量的一部分用来克服结合能和功函数，余下的能量作为它的动能而发射出来，成为光电子，这个过程就是光电效应。 该过程可用下式表示: hγ=E k+E b+E r（14.1） 式中: hγ：X光子的能量（h为普朗克常数，γ为光的频率）；
实验二能谱分析实验 一、实验内容 材料微区成分能谱分析 二、实验目的 1. 结合扫描电镜/能谱仪实物加深对能谱仪的结构特点及工作原理的理解； 2. 通过操作演示，了解能谱仪的分析方法及应用。 三、实验原理 当用一定能量的电子束、X射线或紫外光作用于试样，试样表面原子受激发可产生特征X射线。每种元素都有其各自的特征X射线波长或能量。能谱仪EDX （或EDS）就是用电子束作激发源，并将所激发的带有试样表面信息的不同能量的X射线用硅锂探测器收集，最终给出试样的特征X射线强度按能量大小分布的图谱，从而得知试样含有哪些元素及其含量多少。 能谱仪一般作为扫描电子显微镜的附属设备与主机扫描电镜共用一个电子光学系统，组成电镜——能谱联用仪。这样不但在作样品显微形貌观察或内部组织结构的同时可方便地探测感兴趣的某一微区的化学组成，而且使两台设备合二为一，集成、节源。 能谱分析的理论依据是莫塞莱公式： （1/λ）1/2= C（Z-σ）。用能谱仪可进行定性和定量分析。有三种基本工作方 式。包括点分析、线分析及面分析。根据所选功能的不同，可进行选定的点或线或面区域所含元素的全谱（谱线）定性和定量分析。还可用于所选定的线或面元素分布分析，给出相应区域的元素浓度分布曲线或分布图。线分析用于显示元素沿选定直线方向上的成分浓度变化；面分析用于观察元素在选定区域的成分浓度分布。 四、实验设备 1.SSX-550 扫描电子显微镜（日本岛津SHIMADZU） 2.KYKY SBC－小型离子溅射仪（中科科仪） 五、实验步骤 1. 样品的制备 样品制备对分析结果的影响很大，因此要求如下： 1）样品的基本要求同实验一（扫描电镜观测实验）； 2）样品表面要求平整、清洁无异物并进行抛光。抛光材料要选择不含被分析元素的材料。 3）导电性差或不导电样的品表面喷镀导电薄膜的材料应不含被分析元素。 4）同实验一的方法固定样品于样品室。 2．仪器的基本操作及参数选择 1）开启扫描电镜及能谱仪； 2）先用扫描电镜观察微观形貌的方法步骤确定要观察的位置； 3）将扫描的工作距离WD设定在17，聚焦使图像清晰。电子枪加速电压调节范围为10～20KV、束斑可在3～7之间选择、光阑可在中间两档 选择； 4）进入能谱仪界面，并联机； 5）建立新文件并激活之；
SEM基本结构及原理 1 电子束与样品表面的作用 弹性散射：电子束的能量不损失，只改变方向，如背散射电子。 非弹性散射：入射电子熟不进改变方向，也改变能量。包括二次电子，俄歇电子，特征X射线，荧光。 图1 电子束与样品的作用深度示意图
1.1 二次电子Secondary electron 二次电子是指背入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。二次电子来自表面5-10nm的区域，二次电子的逃逸深度很小，在入射电子束处，约为5λ，金属λ=1nm，非金属λ=10nm。 图2 二次电子产量与逃逸深度关系 能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。 二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决于表面形貌，呈以下关系： δ(θ)= δ0Secθ 图3二次电子产量与样品倾斜角度关系 θ增大时δ增大，样品表面的起伏形貌与样品倾转原理一样，形成形貌衬度。 入射电子与样品核外电子碰撞，使样品表面的核外电子被激发出来的电子，是作为SEM的成像信号，代表样品表面的结构特点。
图4 二次电子的检测示意图 1.2 背散射电子back scattered electron 背散射电子是由样品反射出来的初次电子，是弹性散射返回来的电子，其主要特点是：能量很高，有相当部分接近入射电子能量，总能量约占入射点子能量的30%，在试样中产生的范围大，像的分辨率低。背散射电子发射系数随原子序数增大而增大。作用体积随入射束能量增加而增大，但发射系数变化不大。 背散射电子的原子序数衬度： 图5背散射电子产量与原子序数关系 图6背散射电子产量与入射束能量关系
牛津仪器Inca X-act能谱仪详细配置及功能 1.专利的分析型SDD硅漂移探测器 ?SuperATW窗口，10mm2有效面积； ?在MnKα处的分辨率: 优于127eV ?稳定性: 1,000cps—100,000cps 谱峰漂移<1eV，分辨率变化<1eV ? 48小时内谱峰漂移<1eV (Mn Ka) ?峰背比20,000: 1 (Fe 55, Mn Ka) ?分析元素范围：Be4-Pu94 2.INCA 系统 --系统计算机 ?HP DC8000 --系统桌 显微分析处理器(分立式设计) --Inca X-strea mⅡ显微分析处理器 ?探测器高压偏压电源。 ?6个程序可选时间常数和4个能量范围(10, 20, 40, 80KeV)的数字信号处理器 ?计算机控制的数字脉冲处理器，输出最大计数率350,000CPS, 可处理最大计数率850,000CPS, ?活时间校正。三个鉴别器覆盖全范围的反脉冲堆积，直至下限铍。 ?数字零点稳定器。 ?探测器控制系统。 --Inca Mics显微分析处理器 ?带有存储器和辅助电路的高速微控制器，用以收集和处理X射线信号。 ?IEEE1394 数据接口，用以高速传输数据到系统计算机。 ?二个RS232串口或一个RS232串口和一个LASERBUS口。 ?线性电源 ?符合美国和欧洲电磁规定，并执行CE标记。 ?SUPERSCAN – 先进的超级数字扫描系统。 ?包括Kalman噪声限制程序，在快速扫描和限制图像噪声之间兼顾和控制。 ?同步图像收集和数据传输到PC(零等待)。 ?电镜图像接口电缆。 INCA软件导航器 ?真正的32位软件 ?独一无二的导航器界面, 非常友好，全中文操作界面, 引导用户从启动分析项目到打印实验报告的全部显微分析过程。 ?用户可容易地在导航器之间切换，直接面对工作流程和IMS，以便直接看到自动分析过程的进展。
【转帖】X射线光电子能谱的原理及应用（XPS） 来源:转载网络作者： tof-sims （一）X光电子能谱分析的基本原理 X光电子能谱分析的基本原理：一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用下式表示: hn=Ek+Eb+Er 其中: hn：X光子的能量；Ek：光电子的能量；Eb：电子的结合能；Er：原子的反冲能量。其中Er很小，可以忽略。 对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能Eb，由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ，剩余的能量成为自由电子的动能Ek， 式(103)又可表示为：hn=Ek+Eb+Φ （10.4）Eb= hn- Ek-Φ （10.5） 仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为4eV，入射X光子能量已知，这样，如果测出电子的动能Ek，便可得到固体样品电子的结合能。各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如果得到电子成为负离子，则结合能会降低。因此，利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。 （二）电子能谱法的特点 ( 1 )可以分析除H 和He 以外的所有元素；可以直接测定来自样品单个能级光电发射电子的能量分布，且直接得到电子能级结构的信息。 ( 2 )从能量范围看，如果把红外光谱提供的信息称之为“分子指纹”，那么电子能谱提供的信息可称作“原子指纹”。它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层电子轨道能级。而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰少，元素定性的标识性强。 ( 3 )是一种无损分析。 ( 4 )是一种高灵敏超微量表面分析技术。分析所需试样约10 -8 g 即可，绝对灵敏度高达10 -18 g ，样品分析深度约2nm 。 (三) X 射线光电子能谱法的应用 ( 1 )元素定性分析 各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定周期表中除H 和He 以外的所有元素。通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。
能谱仪结构及工作原理 X射线能量色散谱分析方法是电子显微技术最基本和一直使用的、具有成分分析功能的方法，通常称为X射线能谱分析法，简称EDS或EDX方法。它是分析电子显微方法中最基本、最可靠、最重要的分析方法，所以一直被广泛使用。 1．特征X射线的产生 特征X射线的产生是入射电子使内层电子激发而发生的现象。即内壳层电子被轰击后跳到比费米能高的能级上，电子轨道内出现的空位被外壳层轨道的电子填入时，作为多余的能量放出的就是特征X 射线。高能级的电子落入空位时，要遵从所谓的选择规则（selection rule），只允许满足轨道量子数l 的变化Δl＝±1 的特定跃迁。特征X 射线具有元素固有的能量，所以，将它们展开成能谱后，根据它的能量值就可以确定元素的种类，而且根据谱的强度分析就可以确定其含量。 另外，从空位在内壳层形成的激发状态变到基态的过程中，除产生X射线外，还放出俄歇电子。一般来说，随着原子序数增加，X射线产生的几率（荧光产额）增大，但是，与它相伴的俄歇电子的产生几率却减小。因此，在分析试样中的微量杂质元素时可以说，EDS 对重元素的分析特别有效。 2． X射线探测器的种类和原理 对于试样产生的特征X 射线，有两种展成谱的方法：X 射线能量色散谱方法（EDS:energy dispersive X-ray spectroscopy）和X射线波长色散谱方法（WDS：wavelength dispersive X-ray spectroscopy）。在分析电子显微镜中均采用探测率高的EDS。从试样产生的X 射线通过测角台进入到探测器中。图示为EDS 探测器系统的框图。 对于EDS 中使用的X 射线探测器，一般都是用高纯单晶硅中掺杂有微量锂的半导体固体探测器（SSD:solid state detector）。SSD是一种固体电离室，当X 射线入射时，室中就产生与这个X 射线能量成比例的电荷。这个电荷在场效应管（TEF: field effect transistor）中聚集，产生一个波峰值比例于电荷量的脉冲电压。用多道脉冲高度分析器（multichannel pulse height analyzer）来测量它的波峰值和脉冲数。这样，就可以得到横轴为X 射线能量，纵轴为X 射线光子数的谱图。 为了使硅中的锂稳定和降低FET的热噪声，平时和测量时都必须用液氮冷却EDS探测器。保护探测器的探测窗口有两类，其特性和使用方法各不相同。 （1）铍窗口型（beryllium window type） 用厚度为8～10μm 的铍薄膜制作窗口来保持探测器的真空，这种探测器使用起来比较容易，但是，由于铍薄膜对低能X射线的吸收，所以，不能分析比Na（Z＝11）轻的元素。 （2）超薄窗口型（UTW type : ultra thin window type ） 保护膜是沉积了铝，厚度0.3～0.5μm 的有机膜，它吸收X 射线少，可以测量C(Z＝6)以上的比较轻的元素。但是，采用这种窗口时，探测器的真空保持不太好，所以，使用时要多加小心。最近，对轻元素探测灵敏度很高的这种类型的探测器已被广泛使用。
γ能谱仪电路结构原理及原理 一、FD-3022四道γ能谱仪 FD-3022四道γ能谱仪是上海电子仪器厂研制生产的智能型放射性勘查仪器。该仪器用于在地面同时测量地质体的在四个不同能量范围内的γ射线照射量率，用以寻找钾、铀、钍和其它矿产或研究其它有关问题。 1、仪器的功能与结构 a、仪器的功能 该仪器和旧的非智能型的四道γ能谱仪(FD-3003、FD-840)的功能基本相同。 (1) 它具有四个测量道(铀道、钍道、钾道和总道)，能同时测量地质体的在四个不同能量范围内的γ射线照射量率，并依次显示四个道的计数率。也能自动扣除各道本底计数并自动运算解联立方程给出地质体的铀、钍、钾含量和总道的铀当量含量。 (2) 它具有二个自稳道和自稳铯源，能自动跟踪谱漂移，进行硬件有源稳谱。 (3) 仪器能方便的输入模型标定出的10个系数、各道的本底值和铯峰铀、钍修正值，并能长期(关机)保存，也能方便地进行修改。 (4) 仪器能自动进行归一化测量，铀道、钍道、钾道计数率均归一化为每100秒的计数，总道计数率归一化为每10秒的计数。仪器测量结果用五位数字显示，显示精度铀、钍和总道含量为0.1PPM;钾为0.1%。 (5) 可以通过选择开关在15～1000秒之间选取测量时间，仪器自动通过硬件电路进行死时间修正，实际测量时间将跟据地质体γ射线照射量率而大于所选取的测量时间。 b、仪器的结构 图4.9是FD-3022四道γ能谱仪的方框原理图。它由信号采集系统和单片机测量系统两大部分组成。信号采集系统由闪烁探测器、放大器、四道脉冲幅度分析器、低压及高压直流变换器组成;单片机测量系统由单片机最小系统、显示器、稳谱电路、参数输入电路及附属电路(电池检测、键入、告警)等组成。 闪烁探测器将核幅射(γ射线)转换为电脉冲，电脉冲的幅度与射线能量成正比，脉冲计数率与幅射强度成正比。 放大器将辐射电脉冲线性放大、成形展宽后，同时送至六个单道脉冲幅度分析器进行幅度分析。然后信号按幅度(射线能量)分成六路分别进入六个计数器进行定时计数。计数器将计数转变成数字信号送入单片机的数据总线。 图 4.9 FD-3022四道γ能谱仪的方框原理图 单片机系统对其中的四路测量道数字信号进行运算处理，利用显示器显示出
X射线能谱仪工作原理及谱图解析 1、X射线能谱仪分析原理 X射线能谱仪作为扫描电镜的一个重要附件，可被看成是扫描电镜X射线 信号检测器。其主要对扫描电镜的微区成分进行定性、定量分析，可以分析元素周期表中从B-U的所有元素信息。其原理为：扫描电镜电子枪发出的高能电子进入样品后，受到样品原子的非弹性散射，将能量传递给该原子。该原子内壳层的电子被电离并脱离，内壳层上出现一个空位，原子处于不稳定的高能激发态。在激发后的10-12s内原子便恢复到最低能量的基态。在这个过程中，一系列外层 电子向内壳层的空位跃迁，同时产生X射线，释放出多余的能量。对任一原子而言，各个能级之间的能量差都是确定的，因此各种原子受激发而产生的X射线的能量也都是确定的（图1）。 X射线能谱仪收集X射线，并根据其能量对其记数、分类，从而对元素进 行定性、定量分析。 图1. 粒子间相互作用产生特征X射线 本所能谱仪型号为：BRUKER X-Flash 5010，有四种检测模式：点扫描，区域扫描，线扫描，面扫描。 2、能谱仪检测模式介绍及参数解读 2.1 点扫描及区域扫描模式
图2 X射线能谱仪点扫描（A）、选区扫描（B）报告 点扫描与选区扫描主要用于对元素进行定性和定量分析，确定选定的点或区域范围内存在的所有元素种类，并对各种元素的相对含量进行计算。能谱检测对倍数要求不高，不同倍数条件下检测结果差异不大，关键在于选取检测的部位。一般选择较大的块体在5000倍以下检测，因为X射线出射深度较深，除金属或陶瓷等非常致密的材料外，一般的块体在20kV加速电压下，X射线出射深度2μm左右，且点扫描的范围也在直径2μm左右。因此块体太小或倍数过大，都会造成背景严重，测量准确度下降。 此外，最好选择比较平整的区域检测，因为电子打在坑坑洼洼的样品表面，X射线出射深度差别较大，定量信息不够准确。特别低洼的区域，几乎检测不到信号，或信号很弱，得到的结果也便不准确。 第三，电子束与轻元素相会作用区域较大，干扰更强，因此轻元素的定量比重元素更加不准确。如C、N等元素，定量结果可能偏差较大。 点扫描与区域扫描测试报告相似，均由三部分组成，一张样品表面形貌照片，
实验6 电子探针（能谱仪）结构原理及分析方法 一、实验目的与任务 1) 结合电子探针仪实物，介绍其结构特点和工作原理，加深对电子探针的了解。 2)选用合适的样品，通过实际操作演示，以了解电子探针分析方法及其应用。 二、电子探针的结构特点及原理 电子探针X射线显微分析仪(简称电子探针)利用约1Pm的细焦电子束，在样品表层微区内激发元素的特征X射线，根据特征X射线的波长和强度，进行微区化学成分定性或定量分析。电子探针的光学系统、真空系统等部分与扫描电镜基本相同，通常也配有二次电子和背散射电子信号检测器，同时兼有组织形貌和微区成分分析两方面的功能。电子探针的构成除了与扫描电镜结构相似的主机系统以外，还主要包括分光系统、检测系统等部分。本实验这部分内容将参照第十四章，并结合实验室现有的电子探针，简要介绍与X射线信号检测有关部分的结构和原理。 三、实验方法及操作步骤 电子探针有三种基本工作方式：点分析用于选定点的全谱定性分析或定量分析，以及对其中所含元素进行定量分析；线分析用于显示元素沿选定直线方向上的浓度变化；面分析用于观察元素在选定微区内浓度分布。 1．实验条件 (1) 样品样品表面要求平整，必须进行抛光；样品应具有良好的导电性，对于不导电的样品，表面需喷镀一层不含分析元素的薄膜。实验时要准确调整样品的高度，使样品分析表面位于分光谱仪聚焦圆的圆周上。 (2) 加速电压电子探针电子枪的加速电压一般为3～50kV，分析过程中加速电压的选择应考虑待分析元素及其谱线的类别。原则上，加速电压一定要大于被分析元素的临界激发电压，一般选择加速电压为分析元素临界激发电压的2～3倍。若加速电压选择过高，导致电子束在样品深度方向和侧向的扩展增加，使X射线激发体积增大，空间分辨率下降。同时过高的加速电压将使背底强度增大，影响微量元素的分析精度。 (3) 电子束流特征X射线的强度与入射电子束流成线性关系。为提高X射线信号强
第三章 电子能谱仪构造
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电子能谱仪一般由超 高真空系统、激发源 （X射线光源、UV光源、 电子枪）、电子能量 分析器、检测器和数 据系统，以及其它附 件等构成。 现以Thermo-VG公司生 产的ESCALAB 250高性 能电子能谱仪为例， 说明其主要仪器结构。
电子能谱仪结构框图(Instrumentation)
电子能谱仪结构框图
一、超高真空系统(UHV)
超高真空系统是进行现代表面分析及研究的主要部分。谱仪的光源 等激发源、样品室、分析室及探测器等都应安装在超高真空中。对 真空系统的要求是高的抽速，真空度尽可能高，耐烘烤，无磁性， 无振动等。通常超高真空系统真空室由不锈钢材料制成，真空度优 于5×10-10 mbar。现在所有商业电子能谱仪都工作在10-8 ~ 10-10 mbar的超高真空范围下。 l 超高真空系统一般由多级组合泵来获得。ESCALAB 250电子能谱 仪的真空系统主要靠磁浮涡轮分子泵来获得，其前级由机械泵维 持，另外在分析室还可加装一离子泵和钛升华泵，这样在样品分析 室中真空度可优于1×10-10 mbar。 钛升华泵都常作为辅助泵以便快 速达到所需要的真空度。 l 超高真空室和相关的抽气管道等通常用不锈钢材料来制成，相互连 接处使用具有刀口的法兰和铜垫圈来密封。
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1、超高真空的必要性
为什么必需要采用超高真空呢？
首先，要分析的低能电子信号很容易被残余气体分子所散射，使得 谱的总信号减弱，所以必须要真空技术来减小残余气体分子的浓 度，只有在超高真空条件下，低能电子才能获得足够长的平均自由 程，而不被散射损失掉。 l 其次，更为重要的是超高真空环境是表面分析技术本身的表面灵敏 性所必须的。在10-6mbar高真空下，大约1秒钟就会有一个单层的气 体吸附在固体表面，这与典型的谱图采集时间相比就太短了。显然 在分析过程中就需要超高真空环境来保持样品表面的清洁。 l 表面灵敏分析技术对样品表面清洁度的要求比其它分析技术要高得 多。对表面杂质来讲当前表面分析方法的检测限约为0.1%单层，但 有时很小的杂质浓度也会引起可观的影响。因此清洁表面的制备和 维持是十分必要的。表面分析需要在超高真空中(UHV)进行，才能保 证表面不会在分析过程中被污染。 l 超高真空的性质： 气压 p = 10-8 – 10-11 torr. 平均自由程 λ= ~104 – 107 m. 单层形 成时间 t = ~102 – 105 s
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光电效应：光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应（Photoelectric effect）。 康普顿效应：伽玛射线通过实物物质发生散射时，散射光中除了有原波长λ0的伽玛光外，还产生了波长λ>λ0 的伽玛光，其波长的增量随散射角的不同而变化，这种现象称为康普顿效应(Compton Effect)。 电子对效应：当辐射光子能量足够高时，在它从原子核旁边经过时，在核库仑场作用下，辐射光子可能转化成一个正电子和一个负电子，这种过程称作电子对效应（Electronpair effect）。 伽玛射线通过物质时，主要有三种作用过程：当能量较低时，发生光电效应和康普顿效应；当能量大于1.02MeV时，可产生电子对效应。 当发生光电效应或电子对效应时，γ光子被完全吸收；发生康普顿效应时，γ光子损失部分能量并改变运动方向，称之为康普顿散射。由于这些效应，使得实测的伽玛射线能量谱线于原始情况有较大差异，计数率和谱线成分都会发生不同程度的变化，特别是康普顿散射作用，使伽玛射线的能量向低能方向转移，进一步增加了低能频段的伽玛射线信息量。这些效应除了与伽玛射线的能量E有关，还与物质的原子序数Z有关。他们的截面（几率）可表示为： Τ（光电效应）∝Z4/E2 σ（康普顿效应）∝Z/E χ（电子对效应）∝Z2/(E-1.02) 在天然伽玛射线的能量范围内，岩石中主要产生光电效应和康普顿效应，而光电效应仅发生在低能区。然而传统的能谱测量中，常常把伽玛射线的低能谱频段作为干扰因素。 能量在400keV以下的伽玛射线约占全谱信息量的80%，野外地面伽玛射线低能频段中，除了U、Th系列低能特征谱的贡献，更多的主要是高能伽玛射线与岩石土壤等介质多