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1μm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。在分析过程中要保持束流稳定，在定量分析同一组样品时应控制束流条件完全相同，以获取准确的分析结果。

(4) 分光晶体：实验时应根据样品中待分析元素及X射线线系等具体情况，选用合适的分光晶体。常用的分光晶体及其检测波长的范围见有关表。这些分光晶体配合使用，检测X射线信号的波长范围为0.1~11.4nm。波长分散谱仪的波长分辨率很高，可以将波长十分接近(相差约0.0005nm)的谱线清晰地分开。

2．定点分析

(1) 全谱定性分析：驱动分光谱仪的晶体连续改变衍射角θ，记录X射线信号强度随波长的变化曲线。检测谱线强度峰值位置的波长，即可获得样品微区内所含元素的定性结果。电子探针分析的元素范围可从铍(序数4)到铀(序数92)检测的最低浓度(灵敏度)大致为100ppm，空间分辨率约在微米数量级。全谱定性分析往往需要花费很长时间。

(2) 半定量分析：在分析精度要求不高的情况下，可以进行半定量计算。根据是元素的特征X射线强度与元素在样品中的浓度成正比的假设条件，忽略了原子序数效应、吸收效应和荧光效应对特征X射线强度的影响。实际上，只有样品是由原子序数相邻的两种元素组成的情况下，这种线性关系才能近似成立。在一般情况下，半定量分析可能存在较大的误差，因此其应用范围受到限制。

(3) 定量分析：在此仅介绍一些有关定量分析的概念，而不涉及计算公式。

样品原子对入射电子的背散射，使能激发X射线信号的电子减少；此外入射电子在样品内要受到非弹性散射，使能量逐渐损失，这两种情况均与样品的原子序数有关，这种修正称为原子序数修正。由入射电子激发产生的X射线，在射出样品表面的路程中与样品原子相互作用而被吸收，使实际接收到的X射线信号强度降低，这种修正称为吸收修正。在样品中由入射电子激发产生的某元素的X射线，当其能量高于另一元素特征X射线的临界激发能量时，将激发另一元素产生特征X射线，结果使得两种元素的特征X射线信号的强度发生变化。这种由X射线间接地激发产生的元素特征X射线称为二次X射线或荧光X射线，故称此修正为荧光修正。

在定量分析计算时，对接收到的特征X射线信号强度必须要进行原子序数修正(Z)、吸收修正(A)和荧光修正(F)，这种修正方法称为ZAF修正。采用ZAF修正法进行定量分析所获得的结果，相对精度一般可达1%~2%，这在大多数情况下是足够的。但是，对于轻元素(O、C、N、B等)的定量分新结果还不能令人满意，在ZAF修正计算中往往存在相当大的误差，分析时应该引起注意。

3．线分析  使入射电子束在样品表面沿选定的直线扫描，谱仪固定接收某一元素的特征X射线信号，其强度在这一直线上的变化曲线，可以反映被测元素在此直线上的浓度分布，线分析法较适合于分析各类界面附近的成分分布和元素扩散。

    实验时，首先在样品上选定的区域拍照一张背散射电子像(或二次电子像)，再把线分析的位置和线分析结果照在同一张底片上，也可将线分析结果照在另一张底片上，见图6-1。图6-la是Al-4.0%Cu(wt.%)合金的背散射电子像，被选定的直线通过胞状α-Al晶粒，图6-1b是CuKα X射线信号强度在此直线上的变化曲线。由图6-1a和6-1b可见，在较高的X射线强度所对应的位置是富Cu的A1₂Cu相；在α-Al晶粒内部X射线的强度较低，说明其固溶的Cu含量较少；在胞状α-A1晶粒界面内侧存在一个约10μm宽的Cu贫化带。

图6-l  A1-4.0%Cu合金的线扫描分析

a) 背散射电子像   b) Cu Kα线扫描曲线

4．面分析  使入射电子束在样品表面选定的微区内作光栅扫描，谱仪固定接收某一元素的特征X射线信号，并以此调制荧光屏的亮度，可获得样品微区内被测元素的分布状态。元素的面分布图像可以清晰地显示与基体成分存在差别的第二相和夹杂物，能够定性地显示微区内某元素的偏析情况。在显示元素特征X射线强度的面分布图像中，较亮的区域对应于样品的位置该元素含量较高(富集)，暗的区域对应的样品位置该元素含量较低(贫化)。

图6-2是与图6-1相同的样品区域所拍照的面扫描图像。图6-2b可以清晰地显示Cu元素在样品微区的分布。

图6-2  A1-4.0%Cu合金的面扫描分析

a) 背散射电子像  b) Cu Kα面扫描像

四、实验报告要求

1．简述电子探针的分析原理。

2．为什么电子探针应使用抛光样品?

3．举例说明电子探针在材料研究中的应用。

 

第二篇：实验一 扫描电子显微镜的结构及原理分析.(录像)docx

实验一 扫描电子显微镜的结构及原理分析

1.概述

扫描电子显微镜具有分辨率高，焦深大，放大倍数高、范围广、连续可调等特点；因此，自投产以来，得到了极为迅速的发展。无论在冶金、化工、还是在生物、医学、地理、农业等各行业均有广泛的用途，在材料科学研究领域，扫描电镜已经被普遍应用于产品失效分析、金相组织分析、涂层组织和形貌分析，以及磨损面、腐蚀表面、氧化膜、沉积膜、多孔薄膜的表面形貌分析。

2.实验目的

（1）了解扫描电子显微镜的基本结构和工作原理；

（2）了解扫描电子显微镜的主要功能和用途；

（3）熟悉扫描电子显微镜使用方法及操作步骤。

3.实验装置及材料

（1）扫描电子显微镜（JSM-6390A型） 1台；

（2）超声清洗仪 （SCQ-200） 1台；

（3）22Cr双相不锈钢样品、粉末、氧化膜、沉积膜、多孔薄膜等样品 若干；

（4）吹风机 1只；

（5）无水酒精、药棉 若干。

4.实验原理

扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、信号检测放大系统、图像显示及记录系统、真空系统和电源及控制系统五大部分。

扫描电子显微镜的工作原理是：由电子枪发射并经过聚焦的高能电子束在样品表面逐点扫描，激发样品产生各种物理信号，包括：二次电子、背散射电子、透射电子、俄歇电子、X射线等。这些信号经检测器接收、放大，再转换成能在荧光屏上能够显示的图像信号或数字图像信号。从而显示样品的形貌和成分。

扫描电子显微镜具有三大功能：

（1）表面形貌分析

扫描电镜下样品的表面形貌是通过其二次电子信号成像衬度而显示的。

在微观状态下，样品表面都是凹凸不平的，所以，样品上各点表面的法线与入射电子束间夹角也是不同的，其夹角越大，二次电子的产额越多，信号强度越大，图像亮度越强。反之，二次电子的产额越少，信号强度越小，图像亮度越弱。因此，根据图像衬度变化，便可以显示样品表面形貌。

（2）元素种类及分布定性分析

样品表面元素种类及分布可通过接收样品表面背散射电子信号成像来实现。

其原理是：样品表层某点元素原子序数越大，所产生的背散射电子信号的强度越大。背散射电子像中相应的区域亮度较强；而样品表层某点元素原子序数较小，则其图像亮度较暗。因此，根据背散射成像中各区域亮度的强弱，便可定性地判定其元素的原子序数的相对大小，或各成分含量的相对差异。

（3）元素成分定量分析

其原理是：元素不同，所产生的X 射线能量强度也不相同，所以，通过X 射线探测器检测每一点的X射线能量强度，则可确定其元素的化学成分和含量。

5.实验内容及步骤

（1）样品制备

①用无水酒精在超声波清洗器中清洗样品表面附着的灰尘和油污。

对表面锈蚀或严重氧化的样品，采用化学清洗或电解的方法处理。

②对于不导电的样品，观察前需在表面喷镀一层5-10nm的导电金属。

③由于信号探测器只能检测到直接射向探头的背散射电子，所以原子序数衬度观察只适合于表面平整的样品，实验前样品表面必须抛光。

④对于，观察前需采用酒精或水做超声分散、再将液体样品滴与金属载物块上晾干；或将粉末样品直接用导电胶带粘贴在金属载物块上。

（2）仪器开机准备

包括打开冷却水源、加液氮、打开电源、预热、样品室抽真空等步骤。

（3）表面形貌观察与成分分析

①采集并观察F1、F2、F3、F4样品的二次电子图像，分析其形貌特征，测量其晶粒尺寸。

②采用能谱分析方法，确定F1、F2、F3、F4样品的成分。

③采集并观察D1（22Cr双相不锈钢）样品平整表面的背散射图像，了解其析出相和基体相特征。

④采用能谱分析方法，判定D1（22Cr双相不锈钢）样品析出相和基体相的成分差别。

6.实验数据处理及结果分析

（1）复制所观察的F1、F2、F3、F4样品的二次电子图像，简述其主要形貌特征，指出其晶粒尺寸范围；根据X射线能谱分析结果，确定其成分。

（2）复制所观察的22Cr双相不锈钢样品（D1号样品）平整表面的背散射图像，分析其析出相和基体相特征。

（3）复制22Cr双相不锈钢样品各相的能谱图和成分数据表，分析各相的成分差别、各相灰度差别的原因。

7.思考题

（1） 扫描电镜使用时为何要抽真空？

（2） 对于非金属样品，用扫描电镜观察前为何需在样品表面喷镀一层金属？