电子探针显微分析-2016

电子探针（EPMA）全名为电子探针X射线显微分析仪，又名微区X射线谱分析仪。

可对试样进行成分、形态、结构、物性等多方面的分析。

除H、He、Li、Be等几个较轻元素外，都可进行定性和定量分析。

工作原理：是将试样置于显微镜下，选定分析位置，利用经过加速和聚焦的极窄的电子束为探针，激发试样中某一微小区域，在直径为1um、体积为1um3区域内的不同元素受激发射出X射线,用波长色散X射线谱仪或能量色散X射线谱仪读出元素的特征X射线，根据特征X射线的强度与波长信息，进行元素的定性定量分析。

发展历史：从Castaing奠定电子探针分析技术的仪器、原理、实验和定量计算的基础以来，电子探针分析(EPMA)作为一种微束、微区分析技术在50~60年代蓬勃发展，至70年代中期已比较成熟；促进了地学中地质年代学研究项目的深入，在矿物学、岩石学、矿床学、微古生物学、普查找矿等方面起了非常巨大的作用, 在许多重大地质成果中都发挥了重要作用。

特点：EPMA技术具有高空间分辨率(约1μm ) 检出限可低至10-14～10-15克、简便快速、精度高、分析元素范围广( 4Be ～92U)、不破坏样品属非破坏性分析。

在矿物研究工作中既能微观观察，同时又能分析微区成分。

运用前景：电子探针在分析鉴定微矿物、微成分方面，有着广阔的应用前景，主要用于岩石矿物的深度分析，如与薄片鉴定结合，检测未知矿物及难辨矿物——片钠铝石、钠沸石、皂石等。

与阴极发光显微镜相结合，可揭示矿物的发光机制。

与扫描电镜配合，可精确测定扫描电镜下的各种粘土矿物及未知矿物，使形态观察与成分分析密切联系。

还可与X衍射分析结合，详细测定各种矿物，包括混层粘土矿物的成分等等。

电子探针的运用如今，电子探针已广泛运用于地学研究中的许多领域，如：测定地质体年龄、鉴定矿物、研究系列矿物、固溶体分离矿物、矿物环带结构、矿物蚀变晕、构造分析等。

1．电子探针化学测年电子探针化学定年方法最早是由日本Suzuki等(1991a)提出的,他们对日本的变质岩、花岗岩、沉积岩中的独居石、锆石等矿物的U,Th,Pb 含量进行测量计算,并与放射性元素(Th,U)衰变理论相结合,形成独特的电子探针化学测年技术,解决了许多地质问题, 此技术的应用立即引起了世界许多地质工作者的极大兴趣。

实验六电子探针结构原理及分析方法一、实验内容及实验目的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1|im的细聚焦电子束，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教材，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、电子探针的分析方法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的浓度分布。

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射线信号强度，电子探针必须使用较大的入射电子束流，特别是在分析微量元素或轻元素时，更需选择大的束流，以提高分析灵敏度。

电子探针显微分析电子探针显微分析（Electron Probe Microanalysis，简称EPMA）是一种用于材料分析的先进技术。

它结合了扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，简称SEM）和能谱仪，能够提供高分辨率的成分分析和元素分布图像。

电子探针显微分析的原理是利用电子束和样品之间的相互作用。

首先，电子束通过集束系统聚焦到样品表面，与样品发生相互作用。

这些相互作用包括：在样品表面产生的次级电子、背散射电子和散射电子。

次级电子是从样品表面弹出的电子，背散射电子是从样品内部产生的电子，散射电子是从相互作用点散射出的电子。

次级电子和背散射电子是电子显微镜的常规成像信号，这部分信号可以用来获得样品的表面形貌和显微结构。

而散射电子则包含了样品的化学信息，通过能谱仪可以对这些散射电子进行能谱分析，获得样品的元素组成。

电子探针显微分析既可以定性分析材料中的元素，也可以定量分析元素的含量。

电子探针显微分析在材料科学、地质学、环境科学等领域广泛应用。

它可以对金属、陶瓷、半导体、岩石等各种材料进行分析。

在材料科学研究中，电子探针显微分析可以用于分析材料中的微观缺陷、晶体结构和化学成分。

在地质学研究中，它可以用于分析岩石样品中的矿物成分和地球化学元素分布。

在环境科学研究中，它可以对大气颗粒物、水体中的溶解物等进行化学成分分析。

除了成分分析，电子探针显微分析还可以进行元素的显微分布分析。

通过调整电子束的扫描区域和扫描速度，可以获得样品中元素的分布图像。

这些图像可以用来研究材料的相分离、溶质迁移和化学反应等过程。

总之，电子探针显微分析是一种强大的材料分析工具。

它提供了高分辨率、高灵敏度的成分分析和元素分布图像，对于研究材料的结构和性质具有重要意义。

未来，随着技术的不断进步，电子探针显微分析将在更多领域展示其潜力和应用价值。

第八章 电子探针、扫描电镜显微分析中国科学院上海硅酸盐所李香庭1 概论1.1 概述电子探针是电子探针X射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA(Electron probe X-ray microanalyser)，扫描电子显微境英文缩写为SEM（Scanning Electron Microscope）。

这两种仪器是分别发展起来的，但现在的EPMA都具有SEM的图像观察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。

特别是现代能谱仪，英文缩写为EDS（Energy Dispersive Spectrometer）与SEM组合，不但可以进行较准确的成分分析，而且一般都具有很强的图像分析和图像处理功能。

由于EDS分析速度快等特点，现在EPMA通常也与EDS组合。

虽然EDS的定量分析准确度和检测极限都不如EPMA的波谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer ，缩写为WDS）高，但完全可以满足一般样品的成分分析要求。

由于EPMA与SEM设计的初衷不同，所以二者还有一定差别，例如SEM以观察样品形貌特征为主，电子光学系统的设计注重图像质量，图像的分辨率高、景深大。

现在钨灯丝SEM的二次电子像分辨率可达3nm，场发射SEM二次电子像分辨率可达1nm。

由于SEM一般不安装WDS，所以真空腔体小，腔体可以保持较高真空度；另外，图像观察所使用的电子束电流小，电子光路及光阑等不易污染，使图像质量较长时间保持良好的状态。

EPMA一般以成分分析为主，必须有WDS进行元素成分分析，真空腔体大，成分分析时电子束电流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，需经常清洗光路和光阑，通常EPMA二次电子像分辨率为6nm。

EPMA附有光学显微镜，用于直接观察和寻找样品分析点，使样品分析点处于聚焦园（罗兰园）上，以保证成分定量分析的准确度。

EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的样品表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与样品相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。

电子探针显微镜技术的应用电子探针显微镜技术是一种能够观察物质微观结构的高级显微技术。

它利用电子束与物质的相互作用来实现高分辨率成像和表征。

电子探针显微镜技术的应用非常广泛。

在材料科学、生命科学、化学、物理学、纳米科学等领域都有广泛的应用。

本文将介绍电子探针显微镜技术的基本原理和应用领域。

基本原理电子探针显微镜技术的基本原理是利用电子束与物质的相互作用来产生图像。

电子束在经过样品后，会受到样品内部的电子、光子、声子等相互作用而产生多种信号。

这些信号包括散射电子、透射电子、能量损失电子、辐射等。

不同信号的量和种类取决于样品的组成和结构。

散射电子是电子束与物质内部原子之间相互作用后发生的散射现象。

当电子束在样品表面散射时，会引起在样品表面生成散射电子成像。

因此，散射电子也可用于观察表面形貌和成分分布。

透射电子是电子束透过样品后，未被散射的电子。

它们可以用来探测样品内部的结构和成分。

能量损失电子是电子束在样品内部与物质原子相互作用后，失去能量的电子。

通过测量能量损失电子的能量损失，可以获得样品内部的元素成分信息。

电子探针显微镜技术的原理非常复杂。

但是，在实际应用中，只需要根据不同的应用需求选择适当的信号就可以了。

应用领域电子探针显微镜技术的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1. 材料科学：电子探针显微镜技术是研究材料中成分、微观结构和性能的重要手段。

它可以用于观察材料中的原子排布、晶体结构、纳米尺度的缺陷和界面等特征。

利用这些信息，可以预测与调控材料的性能，并且设计新的材料。

2. 生命科学：电子探针显微镜技术可以用于观察生物样品中的微观结构，如细胞和细胞器。

特别是透射电子显微镜，可以用来观察蛋白质、核酸等生物分子的结构与功能。

随着技术的不断发展，这种技术可以被用作生物立体成像，有助于深入了解细胞和生物分子的功能机制。

3. 化学：电子探针显微镜技术在化学领域的应用也越来越广泛。

它可以用来观察化学反应的微观机制，研究化学反应的动力学过程，预测化学反应的性能，开发新型催化剂等。

第三章　电子探针分析方法第一节　方法原理　一、信息的产生及其特征二、图谱形成及分辨率三、定量分析四、定性分析第二节　仪器描述　一、仪器组成二、X射线谱仪－波谱仪三、能量色散谱仪四、能量分析仪－多道脉冲波高分析仪五、处理、显示系统第三节　应用示例一、成分分析二、状态分析¾信息的特征性本方法是基于聚焦电子束对被测原子内壳层电子的非弹性散射后发生的辐射跃迁（产生特征X 射线），其能量是电子跃迁前后所处能级的差值，即有：第一节　方法原理一、信息产生及其特征EE E h ∆=−=终态初态ν电子的能级结构决定于原子，是特征的。

因此，辐射的波长或能量也是特征的，具有指纹性9探测器窗口对分析元素的限制X射线显微分析方法，由于X射线的接收是通过一个铍制的窗口，铍窗对X射线存在吸收，能量小于约1keV的X射线基本上被吸收而探测不到而Z小的元素本身的X射线产额很低，因此普通的铍窗口探测器只能探测原子序数Z≥11（钠）的元素为能分析低Z的元素，1980年代以来国际上开发了所谓的无窗口探测器和极薄窗口探测器，或用对低能X射线吸收小的材料（如BN薄膜）制备窗口，可以对Z≥5（硼）的元素进行定性定量分析9分析灵敏度与原子序数关系从各系谱线产额随Z而变化的规律可知，分析的灵敏度也是随原子序数Z 增加而提高：Z>22，灵敏度为100ppm；10<Z<22，灵敏度为1000ppm；5<Z<10，灵敏度为10000ppm（1%）9分辨率决定于谱线的半高宽（FWHM）由探测器测到的信号（光电过程，将X射线量子转变为电脉冲信号）服从高斯分布（非对称），形成高斯峰，其峰的FWHM即谱仪的分辨率，是谱仪性能的重要指标。

FWHM除决定于不同谱线系外，还决定于探测器的类型（即与仪器有关）¾方法特点与局限特点微区小，达1∼30µm3（5∼30keV加速电压、束斑1∼5µm条件下）灵敏度高，绝对灵敏度为10-15g无损测定简单快速，对多元组成试样可一次显谱（全谱）可进行点、线、面成分分布测定缺点与局限对轻元素不灵敏，一般Z≥11（Na），若用BN薄膜窗口，可分析到硼不适于作大面积内平均成分分析对长波段X射线，难以找到合适的分光晶体和较理想的X光探测器仪器较昂贵，结构较复杂二、图谱形成及分辨率¾图谱形成当入射电子束进入试样，即试样中所有元素的不同线系特征X射线都可能会被激发和发射为了对特定元素进行有效检测，就必须首先对各个不同波长（或能量）的特征X射线进行鉴别分析，即进行展谱━━波长展谱或能量展谱，然后对各种波长（能量）特征X射线分别进行计算测量，形成图谱波谱━━以波长为依据进行展谱(Wavelength Dispersion Spectroscopy )能谱━━以能量为依据进行展谱(Energy Dispersion Spectroscopy)图谱作为成分分析的基本功能（或主要参数）有：定性判据：波长（或能量）的特征性，通过展谱后进行分析定量分析：选定波长（或能量）的信息强度，通过计算测量得到一个X光量子hν入射到气体管，因其能量不同，可能电离的Ar+-e’对数目不同，则输出的脉冲高度不同。