电子探针

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。它们是现代固体材料显微分析(微区成份、形貌和结构分析)的最有用仪器之一，应用十分广泛。电子探针和扫描电镜都是用计算机控制分析过程和进行数据处理，并可进行彩色图像处理和图像分析工作，所以是一种现代化的大型综合分析仪。现在国内各种型号的电子探针和扫描电镜有近千台，分布在各个领域。

1.2电子与固体样品的交互作用

一束细聚焦的电子束轰击样品表面时，入射电子与样品的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用，并激发出反映样品形貌、结构和组成的各种信息，如二次电子、背散射电子、吸收电子、阴极发光和特征X射线等（图8－1）。

Auger

阴极发光

图8－1 电子与样品相互作用产生的各种信息

电子探针主要用二次电子和背射电子观察样品的形貌，用特征X射线进行成份分析。二次电子信息也是扫描电镜进行形貌观察的主要信息。各种信号在样品中所产生的深度各不相同，图8-2为各种信息在样品中的穿透深度（Z x）。

图8－2 各种信息的作用深度

从图中可以看出，俄歇电子的穿透深度最小，一般穿透深度小于1nm，二次电子小于10nm。下面将电子探针与扫描电镜分析中常用信息分述如下:

1.2.1 二次电子

入射电子与样品相互作用后，使样品原子较外层电子（价带或导带电子）电离产生的电子，称二次电子。二次电子能量比较低，习惯上把能量小于50eV电子统称为二次电子。二次电子能量低，仅在样品表面5nm－10nm的深度内才能逸出表面，这是二次电子分辨率高的重

要原因之一。凸凹不平的样品表面所产生的二次电子，用二次电子探测器很容易全部被收集，所以二次电子图像无阴影效应，二次电子易受样品电场和磁场影响。二次电子的产额δ≒K/cosθ,K 为常数，θ为入射电子与样品表面法线之间的夹角，θ角越大，二次电子产额越高，这表明二次电子对样品表面状态非常敏感。二次电子的产额除了和电子入射角、样品表面状态有关外，还与电子束加速电压、样品组成等有关。

1.2.2 背散射电子

背散射电子是指入射电子与样品相互作用(弹性和非弹性散射)之后，再次逸出样品表面

的高能电子，其能量接近于入射电子能量( E 。)。背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，所以背散射电子信号的强度与样品的化学组成有关，即与组成样品的各元素平均原

图8-3 背散射电子与二次电子的信号强度与Z 的关系

子序数i i i z c Z

∑=有关。背散射电子的信号强度I 与原子序数Z 的关系为 ： 4

3~32Z I ∞

式中Z 为原子序数，C 为百分含量(Wt%)。

图8—3为背散射电子（BE ）与二次电子（SE ）的信号强度与原子序数Z 的关系。二次电子信号在原序数Z >20后，其信号强度随Z 变化很小。 用背散射电子像可以观察未腐蚀样品的抛光面元素分布或相分布，并可确定元素定性、定量分析点。现在日本岛津公司和日本电子公司的电子探针均在样品上方安装了二个对称分布的半导体探测器，如图8—4所示，A 和B 为二个相同的背散射电子探测器。将A 和B 所探测的信号进行电路上的相加或相减处理，能分别得到样品表面成份信息(a) 和形貌信息(b)。 这对样品定性、定量分析点的确定及杂质和相组成的观察十分有用。 有时不用腐蚀样品就可以分析和观察样品组成。 成分像现在可以区分出平均原子序数相差0.1以下的二种相。图8—5中a 、b 和c 分别为ZrO 2(添加Al 2O 3和MgO)氧离子导体的背散射电子像、Al K α X 射线像和Mg K αX 射线像，图中背散射电子像清楚地显示了不同的相组成。

图8-4 背散射电子成份像和形貌像的分离

图8－5 a 背散射电子成分像

图8－5b Mg X射线像

图8－5C Al X射线像

图8-5 掺杂Al、Mg的ZrO2背散射电子成份像和Al、Mg的X射线像

图a中的黑色相比基体ZrO2相的平均原子序数低，从b和c图可以看出，黑色相富铝和富镁，实际上是镁铝尖晶石相。

背射电子的强度还与样品中的晶面取向及入射电子的入射方向有关。利用这种特性可以观察单晶和大晶体颗粒的生长台阶和生长条纹。生长台阶和生长条纹的高差一般都很小，但背射电子像已有明显衬度。图8—6为单晶β—Al2O3生长台阶的背散射电子像。如果用二次电子像观察这类易产生污染的材料，不但台阶衬度小，而且图像出现许多污染斑(图8—7)。

图8-6 β-Al2O3生长台阶的背射电子像图8-7β-Al2O3生长台阶的二次电子像及污斑

1.2.3 阴极发光

阴极发光是指晶体物质在高能电子的照射下，发射出可见光、红外或紫外光的现像。例如半导体和一些氧化物、矿物等，在电子束照射下均能发出不同颜色的光，用电子探针的同轴光学显微镜可以直接进行观察可见光，还可以用分光光度计进行分光和检测其强度来进行元素分析。

阴极发光现象和发光能力、波长等均与材料内"激活剂"种类和含量有关。这些"激活剂" 可以是由于物质中元素的非化学计量而产生的某种元素的过剩或晶格空位等晶体缺陷。下面简单说明一下杂质原子导致阴极发光现象的基本原理。当晶体中掺入杂质原子时，一般会在满带与导带的能量间隔中产生局部化的能级G和A[图8—8(a)]，这可能是属于这些激活原

子本身的能级，也可能是在激活原子的微扰下主体原子的能级。在基态时，G能级被电子所占据，A能级是空的。在激发态则相反[图8—8(b)]。样品在入射电子的激发下产生大量自由载流子，满带中的空穴很快就被G能级上的电子所捕获，而导带中的电子为A能级所陷住。这就使AG中心处于激发态，当电子从A能级跳回到基态的G能级时，释放出的能量可能转变为辐射，即阴极发光[图(c)]。阴极发光的波长取决于A、G之间的能量差，能量差不但与杂质原子有关，也与主体物质有关，所以，阴极发光可以分析样品中的杂质元素。

导带

满带

(a)基态 (b)激发过程 (c)激发态

图8—8产生阴极发光的示意图

阴极发光效应对样品中少量元素分布非常敏感，可以作为电子探针微区分析的一个补充，根据发光颜色或分光后检测波长即可进行元素分析。例如耐火材料中的氧化铝通常为粉红色，ZrO2为兰色。锗酸铋(BGO)晶体中的Al2O3为兰色，BGO晶体也为兰色。钨(W)中掺入少量小颗粒氧化钍时，用电子探针检测不出钍的特征X射线，但从发出的兰荧光(用电子探针的同轴光学显微镜观察)可以确定氧化钍的存在。从阴极发光的强度差异还可以判断一些矿物及半导体中杂质原子分布的不均匀性。我们曾用阴极发光方法发现白金坩埚中有残存的BGO和Al2O3小颗粒，这是BGO 晶体生长过程中引起坩埚泄漏的主要原因之一。

1.2.4特征X射线

高能电子入射到样品时，样品中元素的原子内壳层(如K、L壳层)电子将被激发到较高能量的外壳层，如L或M层，或直接将内壳层电子激发到原子外，使该原子系统的能量升高——激发态。这种高能量态是不稳定的，原子较外层电子将迅速跃迁到有空位的内壳层，以填补空位降低原子系统的总能量，并以特征X射线或Auger电子的方式释放出多余的能量。由于入射电子的能量及分析的元素不同，会产生不同线系的特征X射线，如K线系、L线系、M线系。如果原子的K层电子被激发，L3层电子向K层跃迁，所产生的特征X射线称Kα1，M层电子向K层跃迁产生的X射线称Kβ。电子探针和扫描电镜用WDS或EDS 的定性和定量分析时，就是利用电子束轰击样品所产生的特征X射线。每一个元素都有一个特征X射线波长与之对应，不同元素分析时用不同线系，轻元素用Kα线系，中等原子序数元素用Kα或Lα线系，一些重元素常用Mα线系。入射到样品表面的电子束能量，必须超过相应元素的相应壳层的临界激发能E k，电子束加速电压V＝（2—3）×E k，V通常用10 kV－30kV。

常用的特征X射线名称与壳层电子跃迁的关系，如图8－9所示。

图8－9 特征X射线能级图

1.2.5吸收电子

入射电子与样品相互作用后，能量耗尽的电子称吸收电子。吸收电子的信号强度与背散射电子的信号强度相反，即背散射电子的信号强度弱，则吸收电子的强度就强，反之亦然，所以吸收电子像的衬度与背散射电子像的衬度相反。通常吸收电子像分辨率不如背散射电子像，一般很少用。

2电子探针显微分析

2.1电子探针显微分析的特点

电子探针的应用范围越来越广，特别是材料显微结构－工艺－性能关系的研究，电子探针起了重要作用。电子探针显微分析有以下几个特点:

2.1.1显微结构分析

电子探针是利用0.5μm－1μm的高能电子束激发待分析的样品，通过电子与样品的相互作用产生的特征X射线、二次电子、吸收电子、背散射电子及阴极荧光等信息来分析样品的微区内(μm范围内)成份、形貌和化学结合状态等特征。电子探针是几个μm范围内的微区分析，微区分析是它的一个重要特点之一, 它能将微区化学成份与显微结构对应起来，是一种显微结构的分析。而一般化学分析、X光荧光分析及光谱分析等，是分析样品较大范围内的平均化学组成，也无法与显微结构相对应, 不能对材料显微结构与材料性能关系进行研究。

2.1.2元素分析范围广

电子探针所分析的元素范围从硼(B)——铀(Ｕ)，因为电子探针成份分析是利用元素的特征X射线，而氢和氦原子只有K层电子，不能产生特征X射线，所以无法进行电子探针成分分析。锂(Li)和铍(Be)虽然能产生X射线，但产生的特征X射线波长太长，通常无法进行检测，少数电子探针用大面间距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测Be元素。能谱仪的元素分析范围现在也和波谱相同，分析元素范围从硼(B e)——铀(Ｕ)。

2.1.3定量分析准确度高

电子探针是目前微区元素定量分析最准确的仪器。电子探针的检测极限(能检测到的元素最低浓度)一般为（0.01－0.05）wt%，不同测量条件和不同元素有不同的检测极限，但由于所分析的体积小，所以检测的绝对感量极限值约为10-14g，定量分析的相对误差为(1—3)%，对原子序数大于11，含量在10wt% 以上的元素，其相对误差通常小于2%。

2.1.4 不损坏试样、分析速度快

现在电子探针均与计算机联机，可以连续自动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数据分析，对含10个元素以下的样品定性、定量分析，新型电子探针在30min左右可以完成，如果用EDS进行定性、定量分析，几min即可完成。对表面不平的大样品进行元素面分析时，现在可以自动聚焦分析。

电子探针一般不损坏样品，样品分析后，可以完好保存或继续进行其它方面的分析测试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证据等的稀有样品分析尤为重要。

由于以上特点，电子探针已广泛应用于材料科学、矿物学、冶金学、犯罪学、生物化学、物理学、电子学和考古学等领域。对任何一种在真空中稳定的固体，均可以用电子探针进行成份分析和形貌观察，例如金属、硅酸盐材料、毛发、牙齿、骨骼、纤维、氧化膜、涂层、废气颗粒、古瓷、古画、油漆、植物根叶和分泌物等,。现在材料科学、电子学、地学、矿物学及冶金学等应用最广泛。

近年来，我们还用电子探针的入射电子束注入样品来诱发离子迁移，研究了固体中微区离子迁移动力学、离子迁移机理、离子迁移的非均匀性及固体电解质离子迁移损坏过程等，已经取得了许多新的结果。

2.2 电子探针的发展历史及发展趋势

电子探针分析的基本原理早在1913年就被Moseley发现，但直到1949年，法国的Castaing在guinier教授的指导下，才用透射电镜（TEM）改装成一台电子探针样机。 1951年6月，Castaing在他的博士论文中，不仅介绍了他所设计的电子探针细节，而且还提出了定量分析的基本原理。现在电子探针的定量修正方法尽管作了许多修正，但是，他的一些基本原理仍然适用。1955年Castaing在法国物理学会的一次会议上，展出了电子探针的原形机, 1956年由法国CAMECA公司制成商品，1958年才把第一台电子探针装进了国际镍公司的研究室中，当时的电子探针是静止型的,电子束没有扫描功能。 1956年英国的Duncumb 发明了电子束扫描方法，并在1959年安装到电子探针仪上，使电子探针的电子束不仅能固定在一点进行定性和定量分析，而且可以在一个小区域内扫描，能给出该区域的元素分布和形貌特征，从而扩大了电子探针的应用范围。扫描型电子探针商品是1960年问世。70年代

开始，电子探针和扫描电镜的功能组合为一体，同时应用电子计算机控制分析过程和进行数据处理，例如当时日本电子公司(JEOL)的JCXA —733电子探针，法国CAMECA 公司的CAMEBAX —MICRO 电子探针，以及日本岛津公司的EPM —810Q 型电子探针仪，均属于这种组合仪。计算机控制的电子探针－扫描电镜组合仪的出现，使电子探针显微分析进入了一个新的阶段。

八十年代后期，电子探针又具有彩色图像处理和图像分析功能，计算机容量扩大，使分析速度和数据处理时间缩短，提高了仪器利用率，增加了新的功能。日本电子公司的JXA-8600系列和岛津公司的EPMA-8705系列就是这种新一代仪器的代表。九十年代初，电子探针一般与能谱仪组合，电子探针、扫描电镜可以与任何一家厂商的能谱仪组合，有的公司已有标准接口。 日本电子公司的 JXA-8621 电子探针为波谱(WDS)和能谱(EDS)组合仪，用一台计算机同时控制WDS 和EDS ，使用方便。九十年代中期，电子探针的结构，特别是波谱和样品台的移动有新的改进，编码定位，通过鼠标可以准确定波谱和样品台位置，例如日本电子公司的JXA －8800系列，日本岛津公司的EPMA －1600等，均属于这类仪器。新型号的EPMA 和SEM 的控制面板，已经没有眼花缭乱的各种调节旋钮，完全由屏幕显示，用鼠标进行调节和控制。

我国从六十年代初开始陆续引进了一定数量的电子探针和扫描电镜，与此同时也开始了电子探针和扫描电镜的研制工作，并生产了几台电子探针仪器，但由于种种原因，仪器的稳定性和可靠性及许多其它技术指标，与国外同类仪器相比还有一定的差距，很快就停止生产，电子探针到现在为止还靠进口。现在世界上生产电子探针的厂家主要有三家，即日本电子公司、日本岛津公司和法国的CAMECA 公司。

今后电子探针将向更自动化、操作更方便、更容易、更微区、更微量、功能更多的方向

发展。彩色图像处理和图像分析功能会进一步完善，定量分析结果的准确度也会得到提高，特别是对超轻元素(Z<10) 的定量分析方法将会逐步完善。近年来已经有人对X 射线产生的深度分布函数Φ(ρZ) 进行了深入研究，并作了一些修正，在Φ(ρZ)表达式中引进了新的参数，使Φ(ρZ)函数更接近于实际的深度分布，这种称为PRZ 的定量修正方法已经取得了较好的结果。对超轻元素，已经有人提出了新的修正函数及新的质量吸收系数，可以预料，随着人们对电子与物质相互作用的深入了解，定量修正模型将逐渐完善。

电子探针分析虽然还存在一些问题，但它仍然是目前微区定量分析最可靠的仪器，不管

是分析过程及修正的物理模型都比较完善，所得结果也是可靠的，这就是电子探针之所以能得到广泛应用的主要原因。

2.2 电子探针分析的基本原理

2.3.1 定性分析的基本原理

电子探针除了用电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子进行形貌观察外，主要是利用波谱或能谱，测量入射电子与样品相互作用产生的特征X 射线波长与强度，从而对样品中元素进行定性、定量分析。

定性分析的基础是Moseley 关系式:

ν＝ K(Z －σ) (8·1) （νλc

=）

式中ν为元素的特征X 射线频率，Z 为原子序数，K 与σ均为常数，C 为光速。当σ≈1时，λ与Z 的关系式可写成:

λ＝23

)

1(1021.1?×Z （?）

由(8·1)式可知，组成样品的元素(原子序数Z)与它产生的特征X 射线波长(λ)有单值

关系，即每一种元素都有一个特定波长的特征X 射线与之相对应， 它不随入射电子的能量而变化。如果用X 射线分光谱仪(WDS)测量电子激发样品所产生的特征X 射线波长的种类，即可确定样品中所存在元素的种类，这就是定性分析的基本原理。

能谱定性分析主要是根据不同元素之间的特征X 射线能量不同，即E ＝h ν，h 为普朗

克常数，ν为特征X 射频率， 通过EDS 检测样品中不同能量的特征X 射线即可进行元素的定性分析，EDS 定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征X 射线谱峰往往相互重叠，必须正确判断才能获得正确的结果，分析过程中如果谱峰相互重叠严重，可以用WDS 和EDS 联合分析，这样往往可以得到满意的结果。

2.3.2 定量分析的基本原理

样品中A 元素的相对含量C A 与该元素产生的特征X 射线的强度I A (X 射线计数)成正比:

C A ∝I A ，如果在相同的电子探针分析条件下，同时测量样品和已知成份的标样中A 元素的同名X 射线(如K α线)强度，经过修正计算，就可以得出样品中A 元素的相对百分含量C A :

C A ＝K )

(A A I I 式中C A 为某A 元素的百分含量，K 为常数，根据不同的修正方法K 可用不同的表达式表示，I A 和 I (A) 分别为样品中和标样中A 元素的特征X 射线强度，同样方法可求出样品中其它元素的百分含量。

定量分析必须在定性分析的基础上进行，根据定性分析结果确定样品中所含元素的种类，然后对各元素进行定量分析。定量分析已有各种分析程序，每种分析程序都要进行复杂的修正过程，EDS 定量分析与WDS 定量分析原理基本相同，目前也能获得比较好的分析结果。

2.4 仪器构造

现代电子探针仪的主要组成及结构基本相同，日本电子公司(JEOL)早期生产的

JCXA-733 电子探针仪外观如图8—10所示。新型的电子探针操作面板旋钮和开关基本消失，分析过程和操作过程全部用计算机鼠标操作，图8－11为日本岛津公司1999年在中国推出的EPMA －1600电子探针外观，已经取消了布满旋钮的操作面板。

电子探针的主要组成部份为:1. 电子光学系统、2. X 射线谱仪系统、3.样品室、4.电子计

算机、5.扫描显示系统、6.真空系统等。图8－12为电子探针基本构造的方框图。

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 ＝2

1Cs 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=d

R 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 1

2.4.3 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。

2.4.5 扫描显示系统

扫描显示系统是将电子束在样品表面和观察图像的荧光屏（CRT ）进行同步光栅扫描，

把电子束与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子及X 射线等信号，经过探测器及信号处理系统后，送到CRT 显示图像或照相纪录图像。以前采集图像一般为模拟图像，现在都是数字图像，数字图像可以进行图像处理。

2.4.6 真空系统

真空系统是保证电子枪和样品室有较高的真空度，高真空度能减少电子的能量损失和提高灯丝寿命，并减少了电子光路的污染。真空度一般为0.01Pa －0.001Pa ，通常用机械泵－油扩散泵抽真空。油扩散泵的残余油蒸汽在电子束的轰击下，会分解成碳的沉积物，影响超轻元素的定量分析结果，特别是对碳的分析影响严重。用液氮冷阱冷却样品附近的冷指，或采用无油的涡轮分子泵抽真空，可以减少样品碳污染。

2.5 样品要求及样品制备方法

2.5.1 电子探针显微分析对样品的要求

2.5.1.1 样品尺寸

所分析的样品应为块状或颗粒状，其最大尺寸要根据不同仪器的样品架大小而定。定量

分析的样品要均质，厚度通常应大于5μm 。例如对JCXA-733电子探针仪，最大样品尺寸为Φ32mm ×25mm 。EPMA-8705电子探仪所允许的最大样品尺寸为102mm ×20mm 。由于电子探针是微区分析，定点分析区域是几个立方微米，电子束扫描分析和图像观察区域与放大倍数有关，但最大也不会超过5mm 。所以均匀样品没有必要作得很大，有代表性即可。如果样品均匀，在可能的条件下，样品应尽量小，特别对分析不导电样品时，小样品能改善导电性和导热性能。现举例说明样品在通常情况下的分析区域。电子束扫描分析和图像观察区域X （线度）可用下式表示：M ＝100mm(CRT)/X ，CRT 指观察图像的荧光屏，一般尺寸为100mm ，M 为电子探针分析时的放大倍率，M 通常最低为20倍，则得出X ＝5mm ，如果要作元素的线扫描或面扫描分析时，为了保证扫描区始终保持在聚焦园上，倍数一般要400－1000倍，如果用1000倍，则X ＝0.1mm 。

2.5.1.2 具有较好的电导和热导性能

金属材料一般都有较好的导电和导热性能，而硅酸盐材料和其它非金属材料一般电导和热导都较差。后者在入射电子的轰击下将产生电荷积累，造成电子束不稳定，图像模糊，并经常放电使分析和图像观察无法进行。样品导热性差还会造成电子束轰击点的温度显著升高，往往使样品中某些低熔点组份挥发而影响定量分析精度。

电子束轰击样品时，只有0.5%左右的能量转变成X 射线， 其余能量大部份转换成热能，热能使样品轰击点温度升高，Castaing 用如下公式表示温升△T(K):

ΔT ＝4.8kd i

V 0 (8·5)

式中V。(kV)为加速电压，i(μA)为探针电流，d(μm)为电子束直径，k为材料热导率(Wcm-1k-1)。例如，对于典型金属(k=1时)，当V。＝20kV，d＝1μm，i＝1μA时，△T＝96K。对于热导差的典型晶体，k=0.1，典型的有机化合物k=0.002。对于热导差的材料，如K=0.01, V0=30kV， i=0.1μA， d=1μm时, 由公式(8.5)得ΔT=1440K。如果样品表面镀上10nm的铝膜，则ΔT减少到760K。因此, 对于硅酸盐等非金属材料必须在表面均匀喷镀一层20nm左右的碳膜、铝膜或金膜等来增加样品表面的导电和导热性能。

2.5.1.3 样品表面光滑平整

样品表面必须抛光，在100倍反光显微镜下观察时，能比较容易地找到50μm×50μm 无凹坑或擦痕的分析区域。因为X射线是以一定的角度从样品表面射出，如果样品表面凸凹不平，就可能使出射X射线受到不规则的吸收，降低X射线测量强度，图8—15表明样品表面台阶引起的附加吸收。

入射X射线出射X射线

图8-15 样品表面台阶引起的附加吸收

对于不同型号的电子探针仪其X射线出射角有时不同，如JCXA-733电子探针的X射线出射角为40°，EPMA-8705电子探针的X射线出射角为52.5°。高出射角可以减小由于样品不平产生的台阶而引起的附加吸收距离，同时也缩短了光滑样品出射X射线的吸收距离，如图8-16所示，Φ1为高出射角，相应的吸收距离为l1，X射线射出样品后的强度为I1，同样，Φ2为低出射角，l2为吸收距离，I2为X射线强度。

图8-16 不同出射角的吸收距离

ｌ＝ZmCOSECΦ

I∝EXP[(-μ/ρ)·ｌ]

μ/ρ为质量吸收系数，显然，大X射线出射角缩短了吸收距离，提高了X射线强度。由于吸收修正量的减小而提高了定量分析的准确度，大X射线出射角还提高了X射线的空间分辨率。

计算表明，对于质量吸收系数为1000，密度为4的样品，X射线出射角为30°时，样品表面存在0.1μm的台阶会使X射线强度减小7%。因此，要用抛光好的光片或金相表面进行探针定量分析。有时在分析显微组织的成份时，需要对样品表面进行腐蚀，试样腐蚀后，会使表面不光滑(特别是晶界)，并且选择性地去掉一部份元素，分析时会产生一些假像。所以，对必须腐蚀的试样要尽量采用浅腐蚀，或者腐蚀后将需要分析的部位附近打上显微硬度压痕，然后轻轻地抛去腐蚀层，留下压痕作为分析标记。抛光样品的制备方法和光学显微镜样品的制备方法基本相同。

2.5.2 样品制备方法

电子探针定量分析结果的准确性与样品制备技术密切相关，要根据样品的不同特点，制备满足定量分析要求的样品。下面主要讨论无机材料研究中，经常分析的几种样品类型的制备方法。

2.5.2.1粉体样品

粉体可以直接撒在样品座的双面碳导电胶上，用平的表面物体，例如玻璃板压紧，然后用洗耳球吹去粘结不牢固的颗粒。当颗粒比较大时，例如大于5μm，可以寻找表面尽量平的大颗粒分析。也可以将粗颗粒粉体用环氧树脂等镶嵌材料混合后，进行粗磨、细磨及抛光方法制备。对于小于5μm小颗粒，严格讲不符合定量分析条件，但实际工作中有时可以得到较好的分析结果。对粉体量少只能用电子探针分析时，要选择粉料堆积较厚的区域，以免激发出样品座成分。为了获得较大区域的平均结果，往往用扫描的方法对一个较大区域进行分析。要得到较好的定量分析结果，最好将粉体用压片机压制成块状，此时标样也用粉体压制。对细颗粒的粉体分析时，特别是形貌观察时，将粉体用酒精或水在超声波机内分散，再用滴管把均匀混合的粉体滴在样品座上，待液体烘干或自然干燥后，粉体靠表面吸附力即可粘附在样品座上。

2.5.2.2 块状样品

块状样品可以用环氧树脂等镶嵌后，进行研磨和抛光。较大的块状样品也可以直接研磨和抛光，对尺寸小的样品只能镶嵌后加工。对多孔或较疏松的样品，例如有些烧结材料、腐蚀产物等，需采用真空镶嵌方法。将样品用环氧树脂胶浸泡，在50°C－60°C时放入低真空容器内抽气，然后在60°C恒温烘箱内烘烤4h，即可获得坚固的块状样品。这可以避免研磨和抛光过程中脱落，同时可以避免抛光物进入样品孔内引起污染。

样品研磨、抛光时，要根据样品材料选用不同粒径、材料的抛光粉，例如Al2O3 SiC、Cr2O3、金刚石研磨膏等。抛光粉的粒径从0.xμm－几十μm，抛光以后必须把抛光粉等污染物用超声波清洗机清洗干净。需要腐蚀的样品最好浅腐蚀，腐蚀后必须把腐蚀剂和腐蚀产物冲洗干净，以免产生假象。对于易氧化或在空气中不稳定的样品，制备后应立即分析。待分析样品应防止油污(或其他碳氢化合物)和锈蚀对样品的污染。

对不导电的样品，最好在样品加工完毕后，立即蒸镀金或者碳等导电膜，镀膜后应马上分析，避免表面污染和导电膜脱落。一般形貌观察时，蒸镀金导电膜，金导电膜导电性好，二次电子发射率高，可以拍摄出质量好的图象。如果成分定性、定量分析，必须蒸镀碳导电膜。碳为超轻元素，对所分析元素的X射线吸收小，对定量分析结果影响小。蒸镀金可以用真空镀膜仪或离子溅射仪，蒸镀碳只能用真空镀膜仪。镀膜要均匀，厚度控制在20nm左右，为了保证样品与标样镀膜厚度相同，标样和样品应该同时蒸镀。真空镀膜仪在蒸镀过程中会产生1000°C－2000°C的高温，而样品距蒸发源约为15mm左右，对熔点低的有机物样品、生物样品及镶嵌材料等都会产生影响。必须控制蒸镀时间，长时间镀膜不但温升影响样品，而且镀膜厚度增加会影响定量分析结果。如果金膜太厚，金粒子会聚集成岛状结构，在高倍图象观察时产生假象，同时也会覆盖样品的微细结构。为了控制镀碳膜厚度，最简单的

方法是在镀膜样品的附近放一块经抛光的黄铜，用黄铜表面镀膜后的干涉色判断膜厚，20nm 黄铜表面的干涉色为蓝紫色。干涉颜色与厚度的关系见表3.

表3黄铜表面碳膜厚度与干涉色

碳膜厚度/nm 干涉色

15 橙

20 蓝紫

25 篮

30 蓝绿

35 黄绿

40 浅绿

45 金黄

对特殊样品，例如生物样品、软样品、含水矿物样品、测定表面镀层厚度和元素扩散深度等样品，要用特殊的制样方法。矿物岩石样品的制备方法已有国家标准（GB/T 17366－1998）。标准规定了光片、光薄片、颗粒等样品的制备方法。

2.5.2.3 标样制备方法

电子探针定量分析是一种物理方法，分析过程中需有标准样品进行对比，然后进行定量修正计算。即使无标样定量分析也是以标样为基础，建立所有标样的数据库，分析时不用每次测量标样数据，但要定期用标准样品校准。标准样品的制备与块状分析样品的制备方法基本相同，但要按照GB/T 4930－93“电子探针分析标准样品通用技术条件”国家标准的要求制备。标样要求微米量级范围内成分均匀，有准确的成分定值；物理和化学性能稳定；在真空中电子束轰击下稳定；颗粒直径不小于0.2mm；要根据GB/T 4930－93“电子探针分析标准样品通用技术条件”测定均匀性和稳定性，要满足均匀性判别指数（HI）和稳定性判别指数（SI）的要求。关于标样制备的技术规范，即将发布国际标准。

2.6 分析方法

2.6.1 点分析

将电子探针固定在样品感兴趣的点上，进行定性或定量分析。该方法用于显微结构的成份分析，例如，对材料晶界、夹杂、析出相、沉淀物、奇异相及非化学计量材料的组成等研究。

2.6.2 线分析

电子束沿一条分析线进行扫描(或样品扫描)时，能获得元素及其含量变化的线分布曲线。如果和样品形貌像(二次电子像或背散射电子像)对照分析,能直观地获得元素在不同相或区域内的分布，如图8—17所示。

从图8-17(b)可知，二次电子像中的1含Cr, 2、4含W，3含V元素。该方法可用于扩散及相图的研究。

(a) 腐蚀面的二次电子像 (b) 分析线上的元素分布

样品：高速钢（SKH-9） 10000× 1:Cr-K α 2,4:W-L α 3:V-L α

图8-17 二次电子像与元素线分布

2.6.3 面分析

将电子束沿样品表面扫描时，元素在样品表面的分布能在CRT 上以亮度分布显示出来（定性分析)，如图8—5所示。图8－5b 和图8－5c 分别显示出Mg 和Al 的分布特征。研究材料中杂质、相的分布和元素偏析常用此方法。

不管采用那一种方法，对硅酸盐材料常遇到特殊的困难和问题。除了上面所述导电性及导热性差外，由于硅酸盐材料往往由较低原子序数的多种元素组成，如O 、Al 、Fe 、Mg 、Ca 、Na 和K 等。因此，其特征X 射线波长较长，吸收严重，荧光产额ωk (元素K 层电子电离后产生K 幅射的几率)相当低。例如，铝(Z ＝13)ωk ＝4%；碳(Z ＝6)ωk ＝0.1%， 如此低的ωk 检测相当困难，因此，电子探针对超轻元素(Z <10)的分析灵敏度和准确度都较低，但随着仪器和检测技术的改进，将会不断提高。

上述三种方法用途不同，检测灵敏度也不同，定点分析灵敏度最高，面扫描分析灵敏

度最低。

2.7

定性和定量分析

2.7.1 定性分析

定性分析主要确定所分析样品的元素组成。用波谱分析时，首先在电子探针的光学

显微镜或扫描图象上选定分析部位，然后选用能覆盖元素Be －U 的不同衍射晶体，同

时改变谱仪晶体的L 值，记录不同L 的X 射线强度变化，根据公式(8.4): L=λn d

R ，可确定波长的种类，即元素的种类。定性分析过程及元素鉴别均由计算机程序完成。计算机鉴别有时会出现错误，这主要是因为元素的不同线系或高次衍射线

互相重叠引起的。要根据其他知识及不同衍射线强度的关系仔细检查。例如，K 线系的

K β、与K α的强度比约为1/5

，如果该比值有变化，可能是元素之间的峰重叠。仪器的脉冲高度分析器可以滤掉高次衍射线的干扰。

能谱的定性分析速度快，几十秒就能完成。但由于能谱的分辨率低，谱峰重叠严重，

需认真鉴别。虽然现在能谱有重叠峰剥离程序，但还不能完全避免元素峰值干扰的影响。

2.7.2 定量分析

2.7.2.1 检量线法

检量线法也称灵敏度曲线法，主要用于低含量元素的分析，例如碳钢和低合金钢中碳的定量分析。该方法是根据元素在低含量范围内，元素的特征X射线强度与元素含量接近线性关系的规律。一般选用五块以上的标样，标样基体元素与待测样品元素要非常接近。测量钢和低合金钢中碳含量的标样已有国际标准，含碳量由高到低。首先测量标样中碳的X射线强度K与含碳量C之间的关系，作碳的K－C曲线，如图8－18所示。然后测量样品中碳的X 射线强度，从表中即可查出样品中含碳量。

图8－18 碳的K－C曲线示意图

该方法的具体测量过程，见GB/T 15247-94 “碳钢和低合金钢中碳的电子探针的定量分析方法”国家标准。

2.7.2.2 ZAF 定量修正方法

ZAF定量修正方法是最常用的一种理论修正法，一般电子探针或能谱都有ZAF定量分析程序。

2.7.2.2.1 修正的起因

因为试样中A元素特征X射线的强度(脉冲计数)I A与试样中单位体积内的A元素的原子数，即和A元素的含量成比例，所以只要在相同条件下(如加速电压、探针电流等相同)，测出试样中A元素的X射线强度I A与纯A样品(标样)的X射线强度I(A)之比: K A=I A/I(A)，应该等于元素的浓度C A：

K A= I A/I(A)=C A

但在一般情况下,K A并不等于C A，有时要偏离20%以上。这是由于入射电子进入试样后，要受到试样原子的散射；电子束激发样品而产生的X射线射出试样时要受到试样的吸收；不同元素发射的X射线(连续X射线和特征X射线)还会使被分析元素产生荧光X射线。

这一系列过程都随试样和标样的组成而变化，所以K A与C A不成简单的线性关系。要从实测的X射线强度比K A求得C A，必须进行如下三方面的修正:

(1)原子序数效应的修正

由于试样的平均原子序数和标样的原子序数不同，入射电子在受到样品减速过程中，由卢瑟福散射而重新射出样品的电子数及电子被减速(阻碍)的程度均不同，即进入样品中激发X射线的电子数不同。对于原子序数不同造成的这种影响进行修正，称为原子序数效应的修正。一般说来，平均原子序数大，则进入样品的深度小，而背射电子的数目多。

(2)吸收效应的修正

从试样内部产生的X射线射出表面时，要受到样品本身的吸收，由于标样和试样所组成的元素种类和含量不同，因此对X射线的吸收程度也不同，必须加以修正，这项修正称