第三部分電子顯微分析

第三部分電子顯微分析第三部分電子顯微分析

2第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)電子顯微分析電子顯微鏡一般由電子光學(xué)系統(tǒng)，信號(hào)收集及顯示系統(tǒng)，真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。31電子光學(xué)系統(tǒng)（1）電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來(lái)獲得掃描電子束，作為產(chǎn)生物理信號(hào)的激發(fā)源。為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。41電子光學(xué)系統(tǒng)（2）電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)

<1>電子槍：其作用是利用陰極與陽(yáng)極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。目前大多數(shù)電鏡采用熱陰極電子槍（鎢絲）。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，對(duì)真空度要求不高，缺點(diǎn)是電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑較大，在樣品表面上的電子束斑直徑最小為5-7nm?，F(xiàn)在，高等級(jí)電鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場(chǎng)發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達(dá)到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度，并且價(jià)格昂貴。51電子光學(xué)系統(tǒng)（3）電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)

<2>電磁透鏡其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，是原來(lái)直徑約為50mm的束斑聚焦成一個(gè)只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。其工作原理是電磁聚焦。一般有三組透鏡，前兩個(gè)為強(qiáng)透鏡，用來(lái)縮小電子束光斑直徑。第三個(gè)是弱透鏡，具有較長(zhǎng)的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場(chǎng)對(duì)二次電子軌跡的干擾。61電子光學(xué)系統(tǒng)（4）電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)

<3>掃描線圈其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)。掃描線圈是電子顯微鏡的一個(gè)重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級(jí)透鏡的空間內(nèi)。71電子光學(xué)系統(tǒng)（5）電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)

<4>樣品室樣品室中主要部件是樣品臺(tái)。可進(jìn)行三維空間的移動(dòng)，及傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)，樣品臺(tái)移動(dòng)范圍一般可達(dá)40毫米，傾斜范圍：0－50度左右，轉(zhuǎn)動(dòng)角度：360度。樣品室中還要安置各種信號(hào)檢測(cè)器。信號(hào)的收集效率和相應(yīng)檢測(cè)器的安放位置有很大關(guān)系。樣品臺(tái)還可以帶有多種附件，例如樣品在樣品臺(tái)上加熱，冷卻或拉伸，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。樣品臺(tái)可放置的最大樣品：直徑2cm、高度1cm。82信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)（1）電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)

其作用是檢測(cè)樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)。不同的物理信號(hào)需要不同類型的檢測(cè)系統(tǒng)，大致可分為三類：二次電子檢測(cè)器，背散射電子檢測(cè)器和X射線檢測(cè)器。電子檢測(cè)器最常用到，它由閃爍體、光導(dǎo)管和光電倍增器組成。

92信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)（2）電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)當(dāng)信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體時(shí)將引起電離；離子與自由電子復(fù)合時(shí)產(chǎn)生可見(jiàn)光。光子沿著光導(dǎo)管傳送到光電倍增器進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸出；電流信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號(hào)。103真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染，提供高的真空度，一般情況下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。114電子顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)<1>放大倍數(shù)（1）若入射電子束在樣品表面掃描的幅度為As，在熒光屏陰極射線同步掃描的幅度為Ac，則掃描電鏡的放大倍數(shù)為:M=Ac/As124電子顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)<1>放大倍數(shù)(2)由于熒光屏尺寸是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過(guò)改變電子束在試樣表面的掃描幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果熒光屏的寬度Ac=100mm，當(dāng)As=5mm時(shí)，放大倍數(shù)為20倍。如果減少掃描線圈的電流，電子束在試樣上的掃描幅度為Ac=0.05mm，放大倍數(shù)可達(dá)2000倍。目前商品化的電鏡放大倍數(shù)可以從20－40倍調(diào)節(jié)到數(shù)十萬(wàn)倍。134電子顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)<2>分辨率分辨率是電鏡的主要性能指標(biāo)。對(duì)微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域；對(duì)成像而言，它是指能分辨兩點(diǎn)之間的最小距離。分辨率大小由入射電子束直徑和檢測(cè)信號(hào)類型共同決定。電子束直徑越小，分辨率越高。但由于用于成像的物理信號(hào)不同，在樣品表面的發(fā)射范圍也不相同，從而影響其分辨率。例如SE和BE，一般SE像的分辨率約為5-10nm，BE像的分辨率約為50-200nm。145樣品制備電子顯微分析第五章電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)對(duì)金屬和陶瓷等塊狀樣品，只需將它們切割成大小合適的尺寸，用導(dǎo)電膠將其粘接在樣品座上即可直接進(jìn)行觀察。為防治假象的存在，在放試樣前應(yīng)先將試樣用丙酮或酒精等進(jìn)行清洗，必要時(shí)用超聲波振蕩清洗，或進(jìn)行表面拋光。對(duì)于非導(dǎo)電樣品，如塑料、礦物等，在電子束作用下會(huì)產(chǎn)生電荷聚集，影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡，使圖像質(zhì)量下降。因此這類試樣在觀察前要噴鍍導(dǎo)電層進(jìn)行處理，通常采用二次電子發(fā)射系數(shù)較高的金銀或碳膜做導(dǎo)電層，膜厚控制在20nm左右。

15第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析電子顯微分析電子束轟擊樣品表面將產(chǎn)生特征X射線，不同的元素有不同的X射線特征波長(zhǎng)和能量。通過(guò)鑒別其特征波長(zhǎng)或特征能量就可以確定所分析的元素種類及含量。利用特征波長(zhǎng)來(lái)確定元素的儀器叫做波長(zhǎng)色散譜儀（波譜儀），利用特征能量的就稱為能量色散譜儀（能譜儀）。161波譜儀（1）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析

波譜儀的關(guān)鍵在于怎樣實(shí)現(xiàn)將未知的特征譜線與已知元素Z聯(lián)系起來(lái)？與XRF中一樣，用一種已知面網(wǎng)間距的晶體——分光晶體，當(dāng)不同特征波長(zhǎng)λ的X射線照射其上時(shí)，如滿足2dsinθ=λ，則將產(chǎn)生衍射。171波譜儀（2）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析對(duì)于任意一個(gè)給定的入射角θ，僅有一個(gè)確定的波長(zhǎng)λ滿足衍射條件。這樣可以首先建立一系列θ角與相應(yīng)元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)某個(gè)由電子束激發(fā)的特征X射線照射到分光晶體上時(shí)，可在對(duì)應(yīng)的2θ角度接收到該波長(zhǎng)的X射線信號(hào)，同時(shí)也就測(cè)出了對(duì)應(yīng)的化學(xué)元素。只要令探測(cè)器連續(xù)進(jìn)行2θ角的掃描，即可在整個(gè)元素范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。181波譜儀（3）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析191波譜儀（4）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析波譜儀常用的分光晶體的基本參數(shù)和可測(cè)范圍。201波譜儀（5）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析由分光晶體所分散的單一波長(zhǎng)X射線被X射線檢測(cè)器接受，常用的檢測(cè)器一般是正比計(jì)數(shù)器。當(dāng)某一X射線光子進(jìn)入計(jì)數(shù)管后，管內(nèi)氣體電離，并在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電脈沖信號(hào)。211波譜儀（6）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析222能譜儀（1）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析來(lái)自樣品的X光子通過(guò)鈹窗口進(jìn)入鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器。每個(gè)X光子能量被硅晶體吸收，并將在晶體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。不同能量的X光子將產(chǎn)生不同的電子空穴對(duì)數(shù)。例如，F(xiàn)e的Kα輻射可產(chǎn)生1685個(gè)電子空穴對(duì)，而Cu為2110。知道了電子空穴對(duì)數(shù)就可以求出相應(yīng)的電荷量以及在固定電容（1μμF）上的電壓脈沖。232能譜儀（2）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析例如對(duì)Fe的Kα來(lái)說(shuō)，V=0.27mV，對(duì)Cu的Kα，V=0.34mV?？梢?jiàn)，鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器的作用是將X射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，產(chǎn)生電脈沖。這個(gè)很小的電壓脈沖通過(guò)高信噪比的場(chǎng)效應(yīng)管前置放大器和主放大器的兩次放大后，產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的電壓脈沖。放大后的信號(hào)被送入多道脈沖高度分析器。242能譜儀（3）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析多道脈沖高度分析器中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器首先把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，建立起電壓脈沖幅值與道址的對(duì)應(yīng)關(guān)系（道址號(hào)與X光子能量間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系）。常用的X光子能量范圍在0.2-20.48keV，如果總道址數(shù)為1024，那么每個(gè)道址對(duì)應(yīng)的能量范圍是20eV。X光子能量低的對(duì)應(yīng)道址號(hào)小，高的對(duì)應(yīng)道址號(hào)大。根據(jù)不同道址上記錄的X光子的數(shù)目，就可以確定各種元素的X射線強(qiáng)度。 然后，在X-Y記錄儀或陰極射線管上把脈沖數(shù)與脈沖高度曲線顯示出來(lái)，這就是X光子的能譜曲線。252能譜儀（5）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析263波譜儀與能譜儀的性能比較（1）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析如上所述，波譜儀與能譜儀都可以對(duì)樣品中元素進(jìn)行分析，但它們的性能有所不同.檢測(cè)效率

能譜儀中鋰漂移硅探測(cè)器對(duì)X射線發(fā)射源所張的立體角顯著大于波譜儀，所以前者可以接受到更多的X射線信號(hào)；其次波譜儀因分光晶體衍射而造成部分X射線強(qiáng)度損失，因此能譜儀的檢測(cè)效率較高。273波譜儀與能譜儀的性能比較（2）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析B空間分析能力

能譜儀因檢測(cè)效率高，可在較小的電子束流下工作，使束斑直徑減小，空間分析能力提高。目前，在分析電鏡中的微束操作方式下能譜儀分析的最小微區(qū)已經(jīng)達(dá)到納米數(shù)量級(jí)，而波譜儀的空間分辨率僅處于微米數(shù)量級(jí)。C分辨本領(lǐng)

能譜儀的最佳能量分辨本領(lǐng)為149eV，波譜儀的波長(zhǎng)分辨本領(lǐng)表述為能量的形式后相當(dāng)于5-10eV，可見(jiàn)波譜儀的分辨本領(lǐng)比能譜儀高一個(gè)數(shù)量級(jí)。283波譜儀與能譜儀的性能比較（3）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析D分析速度

能譜儀可在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)分析點(diǎn)內(nèi)的所有X射線光子的能量進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)數(shù)，僅需幾分鐘時(shí)間可得到全譜定性分析結(jié)果；而波譜儀只能逐個(gè)測(cè)定每一元素的特征波長(zhǎng)，一次全分析往往需要幾個(gè)小時(shí)。

E分析元素的范圍

波譜儀可以測(cè)量鈹(Be)-鈾(U)之間的所有元素，而能譜儀中Si(Li)檢測(cè)器的鈹窗口吸收超輕元素的X射線，只能分析納（Na）以上的元素。293波譜儀與能譜儀的性能比較（4）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析F可靠性

能譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部分，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較好。但波譜儀的定量分析誤差（1-5%）遠(yuǎn)小于能譜儀的定量分析誤差（2-10%）。G樣品要求

波譜儀在檢測(cè)時(shí)要求樣品表面平整。能譜儀對(duì)樣品表面沒(méi)有特殊要求，適合于粗糙表面的分析。304成分分析（1）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析1定性分析A點(diǎn)分析用于測(cè)定樣品上某個(gè)指定點(diǎn)的化學(xué)成分。314成分分析（2）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析如圖是用能譜儀得到的某鋼定點(diǎn)分析結(jié)果。能譜儀中的多道分析器可使樣品中所有元素的特征X射線信號(hào)同時(shí)檢測(cè)和顯示。不像波譜儀那樣要做全部譜掃描，甚至還要更換分光晶體。

324成分分析（3）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析B線分析用于測(cè)定某種元素沿給定直線分布的情況。方法是將X射線譜儀（波譜儀或能譜儀）固定在所要測(cè)量的某元素特征X射線信號(hào)（波長(zhǎng)或能量）的位置上，把電子束沿著指定的方向做直線軌跡掃描，便可得到該元素沿直線特征X射線強(qiáng)度的變化，從而反映了該元素沿直線的濃度分布情況。改變譜儀的位置，便可得到另一元素的X射線強(qiáng)度分布。334成分分析（4）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析下圖為50CrNiMo鋼中夾雜Al2O3的線分析像?？梢?jiàn)，在Al2O3夾雜存在的地方，Al的X射線峰較強(qiáng)。344成分分析（5）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析C面分析 用于測(cè)定某種元素的面分布情況。方法是將X射線譜儀固定在所要測(cè)量的某元素特征X射線信號(hào)的位置上，電子束在樣品表面做光柵掃描，此時(shí)在熒光屏上便可看到該元素的面分布圖像。顯像管的亮度由試樣給出的X射線強(qiáng)度調(diào)制。圖像中的亮區(qū)表示這種元素的含量較高。354成分分析（6）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析下圖為34CrNi3Mo鋼中MnS夾雜物的能譜面分析圖像。（a）S的面分析像(b)Mn的面分析像364成分分析（7）電子顯微分析第六章X射線譜儀及微區(qū)成分分析2定量分析 定