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_扫描电镜与电子探针分析扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和电子探针分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）是现代材料科学和纳米技术领域中广泛应用的两种重要分析技术。
本文将分别介绍扫描电镜和电子探针分析的原理、仪器结构和应用。
一、扫描电镜（SEM）扫描电镜是一种基于电子束的显微镜，通过聚焦的电子束对样品表面进行扫描，获得高分辨率的图像。
相比传统光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度聚焦能力。
SEM的工作原理如下：1.电子源：SEM使用热阴极电子枪产生的高速电子束。
电子束由一根细丝产生，经过加热后电子从细丝上发射出来。
2.透镜系统：电子束经过电子透镜系统进行聚焦和调节。
透镜系统包括几个电磁透镜，用于控制电子束的聚焦和扫描。
3.样品台：样品台用于固定样品并扫描表面。
样品通常需要涂覆导电性材料，以便电子束可以通过样品表面。
4.探测器：SEM使用二次电子和背散射电子探测器来检测从样品表面散射的电子。
这些探测器可以转化为图像。
SEM可以提供高分辨率的表面形貌图像，并通过电子束的反射和散射来分析样品的成分、孔隙结构和晶体结构等。
其应用广泛，包括材料科学、纳米技术、电子器件等领域。
二、电子探针分析（EDS）电子探针分析是一种基于X射线的成分分析技术，常与扫描电镜一同使用。
EDS可以对样品的元素成分进行快速准确的定性和定量分析。
其工作原理如下：1.探测器：EDS使用一个固态半导体探测器来测量从样品发射的X射线。
当样品受到电子束轰击时，样品中的元素原子被激发并发射出特定能量的X射线。
2.能谱仪：EDS使用能谱仪来分析探测到的X射线，该仪器能够将X 射线能量转换成电压信号，并进行信号处理和分析。
3.能量分辨率：EDS的精度取决于能谱仪的能量分辨率，分辨器的能量分辨率越高，分析结果越准确。
4.谱库：EDS使用事先建立的元素谱库进行定性和定量分析。
《电子探针显微分析仪校准规范》（征求意见稿）编制说明一、任务来源根据国家市场监督管理总局计量技术规范制修订计划文件（国家市场监督管理总局司（局）函-计量函【2019】42号）及国家计量技术规范管理信息化系统审批通过，受中国计量科学研究院全国新材料与纳米计量技术委员会的委托，由上海市计量测试技术研究院、中国计量科学研究院和山东省计量科学研究院负责制定《电子探针分析仪校准规范》技术规范的工作。
二、编制背景电子探针显微分析仪（electron probe micro analyzer，EPMA）用于研究材料表面形貌特征和元素定性、定量、元素分布分析（元素组成及样品表面元素浓度分布）。
EPMA 采用波长色散型X 射线分光器（WDS），与能量色散型X 射线分光器（EDS）相比，具有高分辨率的特点，可以进行更高精度和更高灵敏度的分析，是当今材料领域技术研究的最重要表征工具之一，被广泛应用于地质学、金属和非金属材料、冶金学、生物等科学领域。
电子探针不仅用于基础研究分析，也被广泛用于生产在线的检验，品质管理的分析，以及能源、环境等检测，特别是应用于金属固熔体相、相变、晶界、偏析物、夹杂物等非破坏性的元素分析和观察。
目前，国内电子探针被两大国外厂商：日本电子公司和日本岛津公司所垄断。
电子探针技术发展迅速，其功能和技术参数指标都有了较大改进，不仅有钨灯丝、六硼化镧电子探针，场发射电子探针也被广泛使用，可产生更高空间分辨的元素分布图，并可以获得更大的电子束流；可以根据使用需求，选配2~5道分光器数；高速下稳定驱动的样品台，可以高精度设定分析位置和分析区域。
国际标准化组织于2014年发布了ISO 14594:2014 Microbeam analysis -- Electron probe microanalysis -- Guidelines for the determination of experimental parameters for wavelength dispersive spectroscopy，规定了电子探针检测的参数要求。
电子探针和扫描电镜常用的标准方法电子探针和扫描电镜涉及的标准方法及技术规范共有25个，有电子探针仪检定规程（JJG901－95）、扫描电子显微镜试行检定规程（JJG 550－88）、不同类型样品的定量分析方法、样品及标样的制备方法、微米长度的扫描电镜测量方法及X射线能谱成分定量分析方法等。
各单位计量认证分析检测的项目，必须有相应的标准检测方法。
要根据标准方法进行成分分析，要采用有效的国家标准。
没有国家标准的检测项目，可以采用行业标准或地方标准。
行业标准在相应的国家标准出台后自动作废，地方标准在相应的国家标准或行业标准出台后也自动作废。
企业标准及检测机构按用户要求制定的检测条件和试验方法，只能作参考数据。
当国家标准方法不能满足某些检测要求时，例如“方法通则”，可根据方法通则制定检测实施细则，经检验机构技术负责人批准后，可以实施。
检测报告中必须有检测依据，即检测的标准方法。
所以标准方法在认证过程中和检测过程中都是必须的。
现在电子探针和扫描电镜的标准方法，还不能满足所有样品测试的要求，特别是能谱分析方法，但基本都有通则，可根据通则制定实施细则，以满足一般检测工作的需要。
（1）GB/T 4930-93 电子探针分析标准样品通用技术条件（代替GB4930-85）（2）GB/T 15074-94 电子探针定量分析方法通则（3）GB/T 15075-94 电子探针分析仪的检测方法（4）GB/T 15244-94 玻璃的电子探针分析方法（5）GB/T 15245-94 稀土氧化物的电子探针定量分析方法（6）GB/T 15246-94 硫化物矿物的电子探针定量分析方法（7）GB/T 15247-94 碳钢和低合金钢中碳的电子探针定量分析方法（8）GB/T 14593-93 山羊绒、绵羊毛及其混合纤维定量分析方法（9）GB/T 15617-95 硅酸盐矿物的电子探针定量分析方法（10）GB/T 15616-95 金属及合金电子探针定量分析方法1（11）GB/T 16594-94 微米级长度的扫描电镜测量方法（12）GB/T 17359-98 电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则 （13）GB/T 17360-98 钢中低含量Si、Mn的电子探针定量分析方法（14）GB/T 17361-98 沉积岩中自生粘土矿物扫描电子显微镜及X射线能谱鉴定方法（15）GB/T17632-98 黄金饰品的扫描电镜X射线能谱分析方法（16）GB/T17363-98 黄金制品的电子探针定量测定方法（17）GB/T17364-98 黄金制品中金含量的无损定量分析方法（18）GB/T17365-98 金属与合金电子探针定量分析样品的制备方法（19）GB/T17366-98 矿物岩石的电子探针分析试样的制备方法（20）GB/T17506-98 船舶黑色金属腐蚀层的电子探针分析方法（21）GB/T17507-98 电子显微镜-X射线能谱分析生物薄标样通用技术条件 （22）GB/T17722-99 金覆盖层厚度的扫描电镜测量方法（23）GB/T17723-99 黄金制品镀层成分的X射线能谱测量方法 此外，还有以下一些其他标准可作参考，如：（24） 分析型扫描电子显微镜检定规程（JJG 011－1996）（25） 纳米级长度的扫描电镜测量方法(国家标准讨论稿)（26） 微束分析－扫描电镜－图像放大倍率校准导则（陈振宇编译）2。
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。
图8-12 电子探针结构的方框图2.4.1 电子光学系统电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、消像散器和扫描线圈等。
其功能是产生一定能量的电子束、足够大的电子束流、尽可能小的电子束直径，产生一个稳定的X 射线激发源。
2.4.1.1 电子枪电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。
它的主要作用是产生具有一定能量的细聚焦电子束(探针)。
从加热的钨灯丝发射电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一个10μm ～100μm 交叉点（Crossover)，再经过二级会聚透镜和物镜的聚焦作用，在试样表面形成一个小于1μm 的电子探针。
电子束直径和束流随电子枪的加速电压而改变， 加速电压可变范围一般为1kV ～30kV 。
2.4.1.2 电磁透镜电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠近电子枪的透镜称会聚透镜，会聚透镜一般分两级，是把电子枪形成的10μm －100μm 的交叉点缩小1－100倍后，进入样品上方的物镜，物镜可将电子束再缩小并聚焦到样品上。
为了挡掉大散射角的杂散电子，使入射到样品的电子束直径尽可能小，会聚透镜和物镜下方都有光阑。
为了在物镜和样品之间安置更多的信号探测器，如二次电子探测器、能谱仪等，必须有一定的工作距离( 物镜底面和样品之间的距离)。
工作距离加长必然会使球差系数增大，从而使电子束直径变大，如果电子束几何直径为dg, 由于球差系数的影响，最终形成的电子束直径d 应为：d 2＝dg 2＋ds 2，ds 为最小弥散圆直径，它和球差系数Cs 的关系为:ds ＝21Cs 2α (8·2) α为探针在试样表面的半张角。
因此，增加工作距离受到球差的限制。
为了解决这一矛盾，设计了一种小物镜，是这类仪器的一项重要改进。
小物镜可以在不增加工作距离的情况下，在物镜和样品之间安放更多的信号探测器，如JCXA －733电子探针，工作距离为11mm ，可同时安装四道波谱仪(WDS)，一个能谱仪，一个二次电子探测器和一个背散射电子探测器，并使X 射线出射角增加到40°。
高出射角减小了试样对X 射线的吸收和样品表面粗糙所造成的影响，但小物镜要获得足够的磁场必须在其线圈内通以大电流，为了解决散热问题要进行强制冷却，一般用油冷却。
2.4.1.3 消像散线圈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。
磁场不对称产生的像散，主要靠透镜极靴的加工精度来消除或减小。
静电场不对称是由于光路污染引起的，污染物产生局部静电场，此静电场随污染程度变化。
为了消除像散，用消像散线圈是有效的，它可以产生一个与引起像散方向相反、大小相同的磁场来消除像散。
常用的消像散线圈是八极电磁型。
经常清洗电子光路，可以减小像散引起的图象崎变。
2.4.1.4 扫描线圈扫描线圈由双偏转线圈组成，可以使电子束在样品和显象管上同步扫描。
显象管所观察到的图象，与电子束在样品表面扫描区域相对应。
图象的放大倍率为显象管扫描尺寸与样品扫描尺寸之比。
2.4.2 X 射线谱仪2.4.2.1 波长色散谱仪X 射线谱仪的性能，直接影响到元素分析的灵敏度和分辨本领，它的作用是测量电子与样品相互作用产生的X 射线波长和强度。
谱仪分为二类:一类是波长色散谱仪(WDS)，一类是能量色散谱仪(EDS)。
众所周知，X 射线是一种电磁辐射，具有波粒二象性， 因此可以用二种方式对它进行描述。
如果把它视为连续的电磁波，那么特征X 射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同元素就对应不同的特征X 射线波长，如果不同X 射线入射到晶体上，就会产生衍射，根据Bragg 公式： 2dsin θ＝n λ (8·3)可以选用已知面间距d 的合适晶体分光，只要测出不同特征射线所产生的衍射角2θ，就可以求出其波长λ，再根据公式(8·1)就可以知道所分析的元素种类，特征X 射线的强度是从波谱仪的探测器(正比计数管)测得。
根据以上原理制成的谱仪称为波长色散谱仪(WDS)。
谱仪的分析原理如图8-13。
图8－13 X 射线分光原理图中以R 为半径的圆称为Rowlend 圆，也称聚焦圆(对X 射线聚焦)。
电子束入射到样品S 表面时，会产生反应样品成分的特征X 射线，特征X 射线经晶体分光聚焦后，被X 射线计数管接收，如果样品照射点到晶体的距离为L ，则L=2Rsin θ,再由Bragg 公式2dsin θ=n λ则得L=dR n λ (8·4) 因为d (分光晶体面间距)和R(罗兰圆半径：JCXA －733电子探针为140mm))均为常数。
n 为特征X 射线衍射级数，因此，晶体沿L 直线运动时(L 改变)就可以测出不同元素所产生的特征X 射线波长λ,称这种谱仪为直进式波谱仪。
不同波长的X 射线要用不同面间距的晶体进行分光， 日本电子公司的电子探针通常使用的四种晶体面间距及波长检测范围见表1。
表中STE[Pb(C18H35O2)2]为硬脂酸铅，TAP(C8H5O4TI)为邻苯二甲酸氢铊，PET(C5H12O4)为异戊四醇，LiF为氟化锂晶体。
X射线测定过程如图8－14，由分光晶体产生的X射线进入正比计数管，正比计数管出来的信号进入前置放大器（Preamp）和主放大器（AMP），并在单道分析器（SCA）中进行脉冲高度分析，单道分析器的输出脉冲送双道计数器计数，单道分析器及速率表的输出信号经过图像选择器(IMS)在CRT上显示出一维(线轮廓)或二维(X射线像)的X射线强度分布。
图8－14X射线测定系统方块图2.4.2.2 能量色散谱仪如果把X射线看成由一些不连续的光子组成，光子的能量为E＝ｈν，ｈ为普朗克常数，ν为光子振动频率。
不同元素发出的特征X射线具有不同频率，即具有不同能量，当不同能量的X射线光子进入锂漂移硅[Si(Li)]探测器后，在Si(Li)晶体内将产生电子－空穴对，在低温（如液氮冷却探测器）条件下，产生一个电子－空穴对平均消耗能量ε为3.8eV。
能量为E的X射线光子进入Si(Li)晶体激发的电子－空穴对N＝E/ε,入射光子的能量不同，所激发出的电子－空穴对数目也不同，例如，Mn Kα能量为5.895keV,形成的电子－空穴对为1550个。
探测器输出的电压脉冲高度，由电子－空穴对的数目N决定，由于电压脉冲信号非常小，为了降低噪音，探测器用液氮冷却，然后用前置放大器对信号放大，放大后的信号进入多道脉冲高度分析器，把不同能量的X射线光子分开来，并在输出设备（如显像管）上显示出脉冲数—脉冲高度曲线，纵坐标是脉冲数，与所分析元素含量有关，横坐标为脉冲高度，与元素种类有关，这样就可以测出X射线光子的能量和强度，从而得出所分析元素的种类和含量，这种谱仪称为能量色散谱仪(EDS)，简称能谱仪。
能谱仪70年代问世以来，发展速度很快，现在分辨率已达到130eV左右，以前Be窗口能谱仪分析元素范围从11Na－92U，现在用新型有机膜，分析元素可从4Be－92U。
元素定性、定量分析软件也有很大改善，中等原子序数的元素定量分析准确度已接近波谱定量结果，近年来能谱仪的图象处理和图象分析功能发展很快。
探测器的性能也有提高，能谱使用时加液氮，不使用时不加液氮。
有的能谱探测器用电制冷方法冷却，使探头维护更方便。
能谱有许多优点，例如，元素分析时能谱是同时测量所有元素，而波谱要一个一个元素测量，所以分析速度远比波谱快。
能谱探头紧靠样品，使X射线收集效率提高，这有利于样品表面光洁度不好及粉体样品的元素定性、定量分析。
另外，能谱分析时所需探针电流小，对电子束照射后易损伤的样品，例如生物样品、快离子导体样品等损伤小。
但能谱也有缺点，如分辨率差，谱峰重叠严重，定量分析结果一般不如波谱等。
表2为能谱和波谱主要性能的比较。
现在大部分扫描电镜、电子探针及透射电镜都配能谱仪，使成分分析更方便。
表2比较内容WDS EDS 元素分析范围4Be－92U 4Be－92U定量分析速度慢快分辨率高（≈5eV）低（130 eV）检测极限10-2 (%) 10-1(%)定量分析准确度高低X射线收集效率低高峰背比（WDS/EDS）10 12.4.3 样品室用于安装、交换和移动样品。
样品可以沿X、Y、Z轴方向移动，有的样品台可以倾斜、旋转。
现在样品台已用光编码定位，精度优于1μm，对表面不平的大样品进行元素面分析时，Z轴方向可以自动聚焦。
样品室安装了各种探测器，例如二次电子探测器、背散射电子探测器、波谱、能谱、及光学显微镜等。
光学显微镜用于观察样品(包括荧光观察)，以确定分析部位。
利用电子束照射后能发出荧光的样品（如Zr02），能观察入射到样品的电子束直径大小。
2.4.4电子计算机联机计算机的主要功能是控制电子探针的样品台、谱仪、电子光学系统以及进行数据运算和数据处理。
较早的电子探针都是手动操作，七十年代末国内开始引进计算机控制的电子探针。
当时计算机功能少，容量小，计算速度慢，而且都是专用机。
如日本电子公司的JCXA-733电子探针是用PDP11/04机，内存只有16K，程序用穿孔纸带，后来改为LSI11/23计算机。
八十年代中期计算机功能加强，内存也扩大，如日本岛津公司的EPMA-8705QH 电子探针是用NEC公司的PC-98XL model 4计算机，内存1MB，20MB硬盘。
现在用的计算机都是PC兼容机，分析数据和图像可以在一般PC机上处理和储存。
随着计算机与自动化技术的发展，不但对分析结果计算速度快，控制功能也扩大，几乎所有的仪器动作和数据采集都由计算机完成。
电子探针操作面板上的开关和旋钮都由计算机的鼠标取代。
电子探针现在有比较成熟的标准分析和修正计算程序，如分析金属和氧化物的ZAF等定量修正程序，用于氧化物和硅酸盐材料分析的Bence-Albee定量修正程序，元素定性分析程序，状态分析程序，面分析程序，线分析程序及电子扩散范围显示程序等。
另外，计算机还存储了分析过程所用的各种参数和数据。
图像分析和图象处理功能完全由计算机完成。
图像处理技术是七十年代发展起来的一门新兴的技术，随着计算机的容量加大和速度的加快，这门技术得到了迅速地发展，现在已经用到了许多领域。
最早是应用于航天的遥感、遥测图像来识别军事目标，应用到电子探针和扫描电镜领域相对比较晚，但已经得到了广泛应用并取得很好的结果。
以前电子探针是将电子激发样品所产生的二次电子像、背射电子像以及X射线像等信号，通过放大处理后在显像管(CRT)上转换成光信号， 再用照相法把图像记录在底片上。
这种方法简便、直观而且快速，但也有许多缺点，如在成像过程中失焦等缺陷无法校正，不能用彩色显示，也无法进行量的计算等。
为了改善图像质量并获得有关定量信息，电子探针引入了图像处理系统。
这个系统是把被测的图像分成许多像素(如512×512个)，将每一个像素的信号变成一个数字量有序地存储在计算机的存储器中，然后通过一定的数字模型对像素中的量进行数学或逻辑处理，重新构成一幅重构像或求出某一些像素集合的物理量输出显示。
