基本介紹
- 中文名：電子探針
- 外文名：Electron Microprobe
- 別稱：微區X射線光譜分析儀
電子探針簡介,電子探針的簡單原理,電子探針的優點,電子探針的功能及特色,電子探針的主要用途,電子探針的結構特點,電子探針的技術支持,電子光學系統,X射線譜儀,
電子探針簡介
電子探針顯微分析原理及其發展的初期是建立在X射線光譜分析和電子顯微鏡這兩種技術基礎上的，該儀器實質上就是這兩種儀器的科學組合。電子探針是運用電子所形成的探測針（細電子束）作為X射線的激發源來進行顯微X射線光譜分析的儀器。分析對象是固體物質表面細小顆粒或微小區域，最小範圍直徑為1μm。電子探針可測量的化學成分的元素範圍一般從原子序數12（Mg）至92（U），原子序數大於22的元素可在空氣通路的X射線光譜儀上進行測量。電子探針的靈敏度低於X射線螢光光譜儀，原因是電子探針X射線的本底值高於後者，但電子探針的絕對感量比其他儀器都高。此外，後期生產的儀器，可作X射線背散射照相、透視照相。能兼作透射電鏡、能進行電子衍射、能作電子螢光觀察等。
第一台電子探針是法國製成的，是在1949年用電子顯微鏡和X射線光譜儀組合而成。
1953年前蘇聯製成了X射線微區分析儀，以後英、美等國陸續生產。
第一台掃描電子探針儀是美國於1960年製成，不僅能對試樣作點或微區分析，而且能對樣品表面微區進行掃描。
原子序數12至22的元素要在真空下進行成分測定，原子序數12以內的元素需要增添一些特殊設備才能分析。原子序數50以上的元素用L系X射線光譜進行分析，原子序數50以下的元素也可以分析，如Sn（50）可用K系x射線光譜進行分析。
電子探針的簡單原理
電子探針的原理如圖1所示。
圖1（1）電子光學系統。電子束直徑0.1～1μm，電子束穿透深度1～3μm。
被激發原子發射特徵X射線譜過程如下：圍繞原子核運動的內層電子，被電子束的電子轟擊後，其他外層電子為補充轟擊出的電子而發生躍遷，在躍遷過程中釋放出能量，即發射出X射線。
（2）X射線譜儀。測量各種元素產生的X射線波長和強度，並以此對微小體積中所含元素進行定性和定量分析。
特徵X射線圖像顯像管的原理是：X射線束入射到一已知晶面間距的晶體上（X射線分光光度計的彎曲晶體上），經衍射後各種波長的X射線按不同的布拉格角彼此分開，因此如轉動晶體，改變衍射角，同時以兩倍於晶體的轉速轉動計數器，就可以依次測量出各種元素所產生的X射線波長和強度，達到定性和定量分析的目的。
（3）X射線強度測量系統。特徵X射線，由B系統中的計數管接收，並轉換成電脈衝，通過脈衝高度分析儀、計數率計、定標器、電子電位計將其強度測量出來。
（4）光學顯微鏡目測系統。用以準確選擇需要分析的區域，並作光學觀察。
（5）背散射電子圖像系統。
（6）吸收電子圖像系統。
（7）特徵X射線圖像系統。電子探針的技術核心是利用X射線晶體光學，主要套用兩種方法：
1）晶體衍射法（X射線光譜法）。利用晶體轉到一定角度，來衍射某種波長的X射線，通過讀出晶體不同的衍射角，求出X射線的波長，從而定出樣品所含的元素。
2）X射線能譜分析法。無須分析晶體，而直接將探測器接收的訊號加以放大，進行脈衝幅度分析，通過選擇不同的脈衝幅度來確定入射x射線的能量，從而區分不同的特徵X射線。計算時套用布拉格方程：nλ=2dsinθ。
電子探針的優點
1、能進行微區分析。可分析數個μm3內元素的成分。
2、能進行現場分析。無需把分析對象從樣品中取出，可直接對大塊試樣中的微小區域進行分析。把電子顯微鏡和電子探針結合，可把在顯微鏡下觀察到的顯微組織和元素成分聯繫起來。
3、分析範圍廣。Z>4其中，波譜：Be~U，能譜：Na~U。
電子探針的功能及特色
電子探針可以對試樣中微小區域（微米級）的化學組成進行定性或定量分析。可以進行點、線掃描（得到層成分分布信息）、面掃描分析（得到成分面分布圖像）。還能全自動進行批量（預置9999測試點）定量分析。由於電子探針技術具有操作迅速簡便（相對複雜的化學分析方法而言）、實驗結果的解釋直截了當、分析過程不損壞樣品、測量準確度較高等優點，故在冶金、地質、電子材料、生物、醫學、考古以及其它領域中得到日益廣泛地套用，是礦物測試分析和樣品成分分析的重要工具。
電子探針的主要用途
電子探針又稱微區X射線光譜分析儀、X射線顯微分析儀。其原理是利用聚焦的高能電子束轟擊固體表面，使被轟擊的元素激發出特徵X射線，按其波長及強度對固體表面微區進行定性及定量化學分析。主要用來分析固體物質表面的細小顆粒或微小區域，最小範圍直徑為1μm左右。分析元素從原子序數3（鋰）至92（鈾）。絕對感量可達10-14至10-15g。近年形成了掃描電鏡-顯微分析儀的聯合裝置，可在觀察微區形貌的同時逐點分析試樣的化學成分及結構。廣泛套用於地質、冶金材料、水泥熟料研究等部門。
電子探針示意圖
電子探針示意圖電子探針的結構特點
電子探針X射線顯微分析儀（簡稱電子探針）利用約1Pm的細焦電子束，在樣品表層微區內激發元素的特徵X射線，根據特徵X射線的波長和強度，進行微區化學成分定性或定量分析。電子探針的光學系統、真空系統等部分與掃描電鏡基本相同，通常也配有二次電子和背散射電子信號檢測器，同時兼有組織形貌和微區成分分析兩方面的功能。電子探針的構成除了與掃描電鏡結構相似的主機系統以外，還主要包括分光系統、檢測系統等部分。
電子探針主要由電子光學系統（鏡筒），X射線譜儀和信息記錄顯示系統組成。電子探針和掃描電鏡在電子光學系統的構造基本相同，它們常常組合成單一的儀器。
電子探針的技術支持
電子光學系統
該系統為電子探針分析提供具有足夠高的入射能量，足夠大的束流和在樣品表面轟擊殿處束斑直徑近可能小的電子束，作為X射線的激發源。為此，一般也採用鎢絲熱發射電子槍和2-3個聚光鏡的結構。 為了提高X射線的信號強度，電子探針必須採用較掃描電鏡更高的入射電子束流（在10-9-10-7A範圍），常用的加速電壓為10-30 KV，束斑直徑約為0.5μm。
電子探針在鏡筒部分與掃描電鏡明顯不同之處是由光學顯微鏡。它的作用是選擇和確定分析點。其方法是，先利用能發出螢光的材料（如ZrO2）置於電子束轟擊下，這是就能觀察到電子束轟擊點的位置，通過樣品移動裝置把它調到光學顯微鏡目鏡十字線交叉點上，這樣就能保證電子束正好轟擊在分析點上，同時也保證了分析點處於X射線分光譜儀的正確位置上。在電子探針上大多使用的光學顯微鏡是同軸反射式物鏡，其優點是光學觀察和X射線分析可同時進行。放大倍數為100-500倍。
X射線譜儀
電子束轟擊樣品表面將產生特徵X射線，不同的元素有不同的X射線特徵波長和能量。通過鑑別其特徵波長或特徵能量就可以確定所分析的元素。利用特徵波長來確定元素的儀器叫做波長色散譜儀（波譜儀），利用特徵能量的就稱為能量色散譜儀（能譜儀）。
能譜儀
能譜儀1、波譜儀
波譜儀的關鍵在於怎樣實現將未知的特徵譜線與已知元素Z聯繫起來？為此構想有一種晶面間距為d的特定晶體（我們稱為分光晶體），當不同特徵波長λ的X射線照射其上時，如果滿足布拉格條件（2dsinθ=λ）將產生衍射。顯然，對於任意一個給定的入射角θ僅有一個確定的波長λ滿足衍射條件。這樣我們可以事先建立一系列θ角與相應元素的對應關係，當某個由電子束激發的X特徵射線照射到分光晶體上時，我們可在與入射方向交成2θ角的相應方向上接收到該波長的X射線信號，同時也就測出了對應的化學元素。只要令探測器連續進行2θ角的掃描，即可在整個元素範圍內實現連續測量。
由分光晶體所分散的單一波長X射線被X射線檢測器接受，常用的檢測器一般是正比計數器。當某一X射線光子進入計數管後，管內氣體電離，並在電場作用下產生電脈衝信號。下圖示出了電子探針中X射線記錄和顯示裝置方框圖。可以看出，從計數器輸出的電信號要經過前置放大器和主放大器，放大成0-10V左右的電壓脈衝信號，這個信號再送到脈衝高度分析器。
2、能譜儀
