能谱仪的结构、原理及使用

一、实验目的结合场发射扫描电镜Sirion200附件GENESIS60E型X-射线能谱仪，了解能谱仪的结构及工作原理。结合实例分析，熟悉能谱分析方法及应用。学会正确选用微区成分分析方法及其分析参数的选择。二、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。二、能谱仪结构及工作原理特征X射线的产生产生：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。特点：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。二、能谱仪结构及工作原理X射线探测器的种类和原理展成谱的方法：X射线能量色散谱方法(EDS:energydispersiveX-rayspectroscopy)X射线波长色散谱方法(WDS：wavelengthdispersiveX-rayspectroscopy)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。二、能谱仪结构及工作原理图1EDS系统框图二、能谱仪结构及工作原理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:铍窗口型（berylliumwindowtype）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。超薄窗口型（UTWtype:ultrathinwindowtype）它吸收X射线少，可以测量C(Z＝6)以上的比较轻的元素。二、能谱仪结构及工作原理EDS的分析技术（1）X射线的测量当用强电子束照射试样，产生大量的X射线时，系统的漏计数的百分比就称为死时间Tdead,它可以用输入侧的计数率RIN和输出侧的计数率ROUT来表示：Tdead＝（1－ROUT/RIN）×100％二、能谱仪结构及工作原理（2）空间分辨率图2示出入射电子束的直径和电子束在试样内的扩展，即X射线产生区域的示意图。在分析电子显微镜的分析中，电子束在试样中的扩展对空间分辨率是有影响的，加速电压、入射电子束直径、试样厚度、试样的密度等都是决定空间分辨率的因素。二、能谱仪结构及工作原理图2入射电子束在试样内的扩散二、能谱仪结构及工作原理（3）峰/背比（P/B）按照札卢泽克（Zaluzec）理论，探测到的薄膜试样中元素的X射线强度N的表示式如下：N=(IσωpN0ρCtΩ)/4επM式中：I——入射电子束强度；σ——离化截面；ω——荧光产额；ρ——密度；p——关注的特征X射线产生的比值；N0——阿弗加德罗常数；C——化学组成（浓度）（质量分数，％）；t——试样厚度；Ω——探测立体角；ε——探测器效率；M——相对原子质量。二、能谱仪结构及工作原理（4）定性分析为保证定性分析的可靠性，采谱时必须注意两条：第一，采谱前要对能谱仪的能量刻度进行校正，使仪器的零点和增益值落在正确值范围内；第二，选择合适的工作条件，以获得一个能量分辨率好，被分析元素的谱峰有足够计数、无杂峰和杂散辐射干扰或干扰最小的EDS谱。二、能谱仪结构及工作原理①自动定性分析自动定性分析是根据能量位置来确定峰位，直接单击“操作/定性分析”按钮，即可实现自动定性分析，在谱的每个峰的位置显示出相应的元素符号。②手动定性分定性分析自动定性分析优点是识别速度快，但由于能谱谱峰重叠干扰严重，自动识别极易出错为此分析者在仪器自动定性分析过程结束后，还必须对识别错了的元素用手动定性分析进行修正。二、能谱仪结构及工作原理（5）定量分析定量分析是通过X射线强度来获取组成样品材料的各种元素的浓度。根据实际情况，人们寻求并提出了测量未知样品和标样的强度比方法，再把强度比经过定量修正换算呈浓度比。最广泛使用的一种定量修正技术是ZAF修正。本软件中提供了两种定量分析方法：无标样定量分析法和有标样定量分析析法。二、能谱仪结构及工作原理（6）元素的面分布分析方法用扫描像观察装置，使电子束在试样上做二维扫描，测量特征X射线的强度，使与这个强度对应的亮度变化与扫描信号同步在阴极射线管CRT上显示出来，就得到特征X射线强度的二维分布的像。三、实验步骤与方法样品和电子扫描显微镜（1）为了得到较精确的定性、定量分析结果，应该对样品进行适当的处理，尽量使样品表面平整、光洁和导电。三、实验步骤与方法（2）调整电子扫描显微镜的状态，使X射线EDS探测器以最佳的立体角接收样品表面激发出了特征X光子。调理电镜加速电压。调整工作距离、样品台倾斜角度以及探测器臂长。调整电子束对中和束斑尺寸，使输入计算率达到最佳。三、实验步骤与方法（3）定性、定量分析结果是放在电镜样品室里样品表面区域的元素原子和重量百分比。放大倍数越大，作用样品区域越小。要正确选择作用区域，才可能得到正确的结果。三、实验步骤与方法快捷启动GENESIS60E（见图3）①根据计数率选择时间常数(Amptime),使死时间在20%-40%之间。②根据需要可以予置收集时间，这将自动停止谱线收集。③使用收集键(“Collect”)开始和停止谱线收集。④要调节对谱线的观察。⑤点击峰识别(“PeakId”)键，进行自动峰识别。三、实验步骤与方法图3快捷启动GENESIS60E操作界面示意图三、实验步骤与方法⑥“HPD”键用于峰的识别和确定。⑦送入谱线标识,最多216个字母。⑧点击定量分析“Quantify”键，得到无标样定量分析结果。⑨在结果对话框中选择打印键，可以将谱线和定量分析结果打印在一页纸上。⑩点击存储键并选择文件名（后缀为.spc）和路径。三、实验步骤与方法仪器的安全注意事项①不要用手或用其他东西去触碰窗口，不论是铍窗还是Norvar超薄窗口，都是很易破碎的，因此用户使用时，不要触碰窗口。②不要企图自己清洗窗口，如果要清洗，一定要征询专业技术人员的支持。③不要摇动探头。④在使用中要避免样品或样品台碰到探头上。⑤不要用任何热冲击、压缩空气或者腐蚀性的东西接触窗口。三、实验步骤与方法⑥铍是一种剧毒物，而且很脆，因此千万不要用手或者皮肤去碰被窗。⑦如果探头使用液氮，不要使液氮罐中的液氮干了。己经干了，再灌入液氮后不能马上开机，一定要等4小时以后才能开启能谱仪电源，为了避免液氮罐中结冰，不要等液氮快用完了才灌新的液氮，一般一星期最好灌二次较好。四、能谱分析举例化学成分分析元素的线分析元素的面分布四、能谱分析举例化学成分分析优点：①快速，全谱一次收集，分析一个样品只需几分钟至几十分钟②不破坏样品③可以把样品的成分和形貌乃至结构结合在一起进行综合分析四、能谱分析举例图4EDS应用实例一——成分分析EDS谱线收集完毕后定量计算的结果，给出了重量和原子百分比。EDS谱线实时收集的结果，纵坐标是X射线光子的计数率CPS，横坐标是元素的能量值（KeV）。在电镜中看到的形貌及需要分析的区域(点或面)。四、能谱分析举例元素的线分析图5是EDS应用实例之二——元素的线分析。图中的白线是电子束扫过的分析区域，它通过了晶内及块状相（线的正中间白色）、晶界（线的右边白色）。从元素的分析结果可以看出：正中间白色块状相主要含Cu、Ni、Er元素，右边白色晶界上的相主要含Cu、Ni、Er、Mg和Zr元素。四、能谱分析举例图4EDS应用实例之二——元素的线分析四、能谱分析举例元素的面分布图6是EDS应用实例之三——元素的面分布。图中区域1是我们在电镜中看到的形貌。图中区域2、3、4是EDS信号收集完毕后给出的不同元素的定性结果。说明图中区域1中间的白点和右下边白色三角区域都有元素的偏聚。四、能谱分析举例图6EDS应用实例之三——元素的面分布五、实验报告要求简要说明能谱仪的工作原理（X射线的接收、转换及显示过程）。结合自己的课题（或实验），简述能谱仪在材料科学中的应用。针对实际分析用的样品，说明选择能谱分析参数的依据。END！