分析测试中心电子探针(EPMA)简介
电子探针EPMA
1.2 电子探针的基本原理
• 1.2.1 电子与物质的相互作用 • 1.2.2 电子探针定性分析原理 • 1.2.3 电子探针定量分析原理
1.2.1 电子与物质的相互作用
一束细聚焦的电子束轰击试样表面时，入射电子与试样
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
出反映试样形貌、结构和组成的各种信息，有：二次电子、 背散射电子、阴极发光、特征X射线、俄歇过程和俄歇电子、
• 电子探针利用0.5μm－1μm的高能电子束激发分析 试样，通过电子束与试样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 光等信息来分析试样的微区内(μm范围内)成份、形 貌和化学结合状态等特征。
1.1.1 电子探针的发展历史及发展趋势
• • • • • • • • • 1932年在柏林由Knoll和Ruska研制出第一台电子显微镜 1939年西门子（Siemens）第一台透射电镜（TEM）商品 1949年castaing用TEM改装成一台电子探针样机 1951年 6 月，Castaing 在其博士论文中，提出了EPMA定量分析的基本原 理。 1956 年由法国 CAMECA公司制成商品EPMA。 1960 年扫描型电子探针商品问世。且改善分光晶体，使元素探测范围由 Mg12扩展至Be4。 二十世纪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 计算机控制分析过程和进行数据处理。 二十世纪80年代后期，电子探针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。 二十世纪90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。
7. 俄歇电子
入射电子与样品相互作用后，元素原子内层轨道的电子轰 击出来成为自由电子或二次电子，而留下空位，从而原子不稳 定。则外层高能电子填充空位，释放出能量，释放的能量一方 面以辐射特征X射线的方式释放，另一方面释放的能量被该原 子吸收，从而从另一轨道上轰击出电子，该电子为俄歇电子。 俄歇电子发生的几率随原子序数的减少而增加，能量较低，逸 出深度≈10Å。俄歇电子的能量对于各元素是特征的。可用来分 析样品表面的成分，适合轻元素和超轻元素分析。
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。
电子探针X射线显微分析(EPMA)
电解抛光原理示意图
68
EBSD试样制备——离子束抛光
69
样品
切割面
挡板 离子束
70
71/56
用途—截面抛光
用途—多相材料
C
W
金刚石复合材料
Si
Cr
72
用途—大面积抛光
No Etch
Etch 10 min.
Etch 30 min.
73
铝合金
机械抛光条件：硅溶胶；5kV，5h
74
EBSD标定率：75.9%
上图所示为：镶嵌后的样品在 振动抛光机上的实际工作状态
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EBSD试样制备——电解抛光
• 优点：样品表面无变形层 • 缺点： • 并不适合于所有金属，特别是双相或多相合金 • 抛光不均匀或者形成凹坑或浮凸 • 比较难找到合适的抛光工艺参数 • 电解液污染和有毒，不易存储，对于不同材料需要配制不
同电解液。电解液的通用性差，使用寿命短和强腐蚀性。
27
特点
1)对晶体结构分析的精度已使EBSD技术成为一种继X光衍射和 电子衍射后的一种微区物相鉴定新方法; (2)晶体取向分析功能使EBSD技术已成为一种标准的微区织构 分析技术; (3) EBSD方法所具有的高速(每秒钟可测定100个点)分析的特点 及在样品上自动线、面分布采集数据点的特点已使该技术在晶 体结构及取向分析上既具有透射电镜方法的微区分析的特点又 具有X光衍射(或中子衍射)对大面积样品区域进行统计分析的 特点; (4)进行EBSD分析所需的样品制备相对于TEM样品而言大大简 化。
=25 µm ;M ap4;S tep=0.7 µm ;G rid200x200
49
Grain size analysis
EPMA的原理和应用
EPMA的原理和应用1. 介绍电子探针显微分析（EPMA）是一种用于分析化学元素组成和形态的表面分析技术。
它可以通过扫描样品表面发射的X射线来测量样品的元素组成，并且能够提供高分辨率的成分和形貌图像。
EPMA在材料科学、地球科学、生命科学等领域得到广泛应用。
2. 原理电子探针显微分析的基本原理是利用电子束与样品进行相互作用产生的信号进行分析。
主要有以下几个步骤：2.1. 电子束激发和激发过程EPMA使用加速电子束激发样品中的原子并使其跃迁到高能级，从而产生特定的辐射。
这种辐射包括X射线和特征的荧光辐射。
根据横向和纵向扫描电子束，可以获取元素分布和形貌信息。
2.2. X射线的发射和探测样品受到电子束激发后，产生的X射线能量是特定元素的特征能谱。
通过在样品上移动探测器来测量X射线的能量和强度，进而确定元素的存在和相对含量。
2.3. 成分分析通过与标准样品对比，可以利用X射线的能谱进行成分分析。
EPMA的分辨率较高，可以检测到微量元素，并且可以定性和定量地分析样品中的各种元素。
3. 应用EPMA在材料科学、地球科学和生命科学等领域广泛应用。
以下是EPMA常见的应用：3.1. 材料科学EPMA可用于分析材料组成和结构。
它可以对金属、合金、陶瓷等材料进行成分分析和像素级元素分布分析。
EPMA还可用于材料的质量控制和缺陷分析。
3.2. 地球科学EPMA在地球科学领域的应用非常广泛。
它可以用于岩石、矿石和矿物的成分分析、晶体形貌分析、地球化学分析和矿物相变研究等方面。
3.3. 生命科学EPMA被广泛应用于生命科学研究中。
它可以用于细胞、组织或生物材料的化学元素成分分析，从而揭示细胞或生物体内部的化学成分分布和变化。
4. 优点和限制4.1. 优点•高分辨率：EPMA可以提供高分辨率的成分和形貌图像。
•定性和定量分析：EPMA可定性和定量地分析样品中的元素。
•微量元素检测：EPMA能够检测到微量元素的存在。
4.2. 限制•样品制备：EPMA需要对样品进行制备，如剖面制备和磨片制备等。
电子探针EPMA
6 样品制备（一）
WDS分析样品表面要求：一般来讲，样品必须研 磨到完全能够用来作光学显微镜观察那种程度。表 面凹凸对入射电子在样品内的行径及特征X射线的 产生有着极大的影响，使得分析结果的可靠性降低， 因而将样品表面尽可能平整是很必要的。 对做过表面处理（电镀、渗碳、表面氧化等）样品 的横截面样品边沿部分分析时，必须使用包埋材料， 不论样品大小，如果不能嵌入包埋材料中就进行研 磨、抛光，必然会使表面附近变圆或造成倾斜，致 使分析结果不准确。
6 样品制备（三）
粉末样品及薄膜样品的制备 通常采用的方法有： 1、将粉末样品或薄膜样品粘在导电胶上； 2、将样品混入导电的包埋树脂等材料中，然 后使其硬化而将样品固定等方法 对于粉末样品，如果样品量足够多，每个颗 粒又都一样，而且只想了解其成分的时候， 也可以压制成型机烧结等办法把粉末样品压 在一起，然后和块状样品一样地进行处理。
电子枪
ＨＤ
Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＭＯ ＦＤ 用于观察ＣＲＴ ＥＷＳ ＤＤＳＣ Ｐｒｏｆｉｌｅ ｍｅｍｏｒｙ Ｃｏｌｏｒ ｐｒｉｎｔｅｒ ＣＣＤ Ｉｍａｇｅ ｍｅｍｏｒｙ ＣＬ 光学 观察系 Ｘ射线检测器 ＳＥＤ 分光（色散）晶体
自动ｖａｌｖｅＯＬ 样 品ｓｔａｇｅ
Ｔｒａｃｋｂａｌｌ
Ｍｏｕｓｅ
备用抽真空 ＤＰ
扫描位置变化（大小从几十微米到几毫米） 晶体角度固定
何时选作
（3）线分析结果（一）
（3）线分析结果（二）
4 电子探针的应用
表面观察
二次电子 背散射电子 透射电子
成分分析
EPMA
状态分析
特征X射线
（一）表面观察
（1）断口形貌 观察 金属断口夹 杂物二次电 子形貌
（2）颗粒大小 的测定
《电子探针EPMA》课件
样品制备
1
块状样品制备
将固体样品磨制为平整的表面，以
薄膜样品制备
2
便电子束的扫描。
利用电子束蒸度样品制备
通过机械研磨和筛分等方法，制备 出粒度均匀的粉末样品。
EPMA的操作步骤
1
样品加载
2
将样品放置在扫描平台上，确保良
好的样品表面质量。
3
实验前检查
4
检查样品表面，调整仪器参数，确 保获得准确的分析结果。
数据解析
对获得的分析数据进行处理和解读，得出 准确的元素含量和分布。
EPMA的优缺点
优点
高空间分辨、准确度高、广泛应用于地质学、材料科学和半导体领域。
缺点
设备昂贵、操作复杂、对样品制备和操作技术要求严格。
结论
EPMA的重要性
EPMA是一种可靠、高效的微区分析技术，对 多个领域具有重要的应用价值。
电子探针EPMA
电子探针微区分析（Electron Probe Microanalysis，简称EPMA）是一种利用高 能电子束进行溶液化学成分分析的技术。本课件将介绍EPMA的应用领域、基 本原理以及操作步骤。
什么是电子探针EPMA
EPMA是一种利用电子束扫描样品表面，通过测量所散射、透射或发射的特性 X射线来定量分析元素含量的技术。它能提供高空间分辨、准确度高的微区分 析结果。
EPMA的应用领域
矿物学
用于矿物成分和矿物微区分析，对地质研究具有重要意义。
材料科学
用于材料成分表征、缺陷分析和结构表征，帮助改善材料性能。
半导体领域
用于半导体材料的掺杂分析、杂质分析和薄膜分析，对半导体工业具有重要作用。
EPMA的基本原理
EPMA利用电子束与样品相互作用产生的X射线谱来进行元素分析。主要原理包括电子束-样品相互 作用、X射线生成和检测、以及谱线分析和数据处理。
电子探针射线显微分析安全操作及保养规程
电子探针射线显微分析安全操作及保养规程1. 引言电子探针射线显微分析（EPMA）是一种常用的分析技术，主要用于材料表征和成分分析。
为了保证实验室人员的安全以及仪器的正常运行，制定了一系列的安全操作规程和保养规程。
本文将依次介绍电子探针射线显微分析的安全操作规程以及保养规程。
2. 安全操作规程2.1 实验室环境安全•实验室应设有完善的通风系统，以保证空气质量，并及时排除实验过程中产生的有害气体；•实验人员应佩戴适当的防护眼镜、手套和实验服，以减少对实验人员的伤害；•定期组织实验室内部的安全演练，以提高实验人员的安全意识。
2.2 仪器设备操作安全•在操作仪器设备前，应先熟悉仪器的使用说明书，并按照说明书的操作步骤进行操作；•保持仪器设备的干燥和整洁，不得将任何液体直接接触仪器；•在操作过程中，应特别注意高压设备的安全操作，确保操作人员的人身安全。
2.3 样品操作安全•在操作样品时，应佩戴手套和防护眼镜，以防止样品对实验人员造成伤害；•样品应在操作台上固定好，避免样品在操作过程中滑动或翻倒；•使用锋利工具进行样品切割时应格外小心，避免切割工具对操作人员造成伤害。
2.4 异常情况处理•在实验过程中，如发现有异常情况，如仪器故障、样品异常等，应及时停止实验，并向实验室主管报告；•如实验室内发生火灾、电气故障等紧急情况，应按照实验室的应急预案进行处理。
3. 仪器保养规程3.1 仪器日常保养•每次使用完仪器后，应及时清洁设备表面，并确保仪器处于干燥状态；•每周对仪器进行一次全面的清洁和检查，保证仪器零部件的完好无损；•定期更换仪器的耗材和易损件，以保证仪器的正常运行。
3.2 仪器周年保养•每年对仪器进行一次周年保养，包括检查仪器各部位的性能和精度，并进行必要的维修和更换；•周年保养前，需提前预约维修人员到场，并做好相关的服务准备工作。
4. 结论电子探针射线显微分析是一项复杂而重要的实验技术，在进行实验时，必须严格遵守安全操作规程和仪器保养规程，以保证实验人员的安全和仪器的正常运行。
EPMA显微分析
波谱定性分析：
对一给定元素，在谱中出现更多的谱线，波谱定性 分析不像能谱定性分析一样简单、直观。
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线扫描分析
电子束沿一条分析线进行扫描(或试样台移动扫描)时，能获得元素
12
X射线探测器 特点：高的探测灵敏度
与波长的正比性好 响应时间短 种类：流气正比计数管 充气正比计数管 闪烁计数管等
13
14
X射线计数和记录系统
15
能谱仪（EDS）
16
17
ＥＤＸ原理图
电子束
液体氮 ＦＥＴ
前置放大器 主放大器
脉冲 整形器
Ｘ射线
Ｓｉ（Ｌｉ）检测器
窗口
平行光管
多道分析器
样品
含量变化的线分布曲线。如果和试样形貌像(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。
沿感兴趣的线逐点测量成分，也可以获得该线的成分变化曲线。线
分析是一种定性分析。
27
线扫描分析特点
1、线扫描可以用照相纪录或计算机作图。线高 度代表元素含量，同种元素在相同条件下可 以定性比较含量变化。
电子像分辨率为3纳米。新灯丝亮度高、分辨率高、束经小、灯丝寿命
长。高真空度减少污染。
40
中科院上海硅酸盐所JXA-8100电子探针
41
EPMA/SEM-EDS的特点
EPMA、SEM-EDS是应用最广泛的仪器，EDS的发展，几乎成了EPMA、SEM
的标配。现在许多SEM还配备了WDS。
EPMA、SEM-EDS的仪器构造、成像原理、分析原理、 WDS及EDS定量修正
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分析测试中心电子探针（EPMA）简介
一、仪器概述
电子探针利用聚焦得非常细(微米-纳米级)的高能电子束轰击样品，激发出各种被测物质的有用信息（如特征X射线、二次电子、背散射电子等），通过分析这些有用信息达到对样品微区成分分析和形貌观察的目的。
电子探针与扫描电镜的结构大致相似，不同的是电子探针有一套完整的X射线波长和能量探测装置（波谱仪WDS和能谱仪EDS），用来探测电子束轰击样品所激发的特征X射线。
由于特征X射线的能量或波长随着原子序数的不同而不同，只要探测入射电子在样品中激发出的特征X射线波长或能量，就可获得样品中所含的元素种类和含量，以此对样品微区成分进行定量分析是电子探针最大的特点。
分析测试中心已安装的电子探针是日本岛津公司生产的EPMA-1600型最新产品，它不仅具有较高的X射线检出角，同时由于使用全聚焦的X射线分光晶体，能兼顾X 射线检测的高灵敏度和高分辨率，并配有高稳定的电子光学系统、真空系统及高精度机械系统以及EDAX公司生产的Genesis能谱仪，是目前华南地区最先进的微区成分定性定量分析和形貌观察用大型精密科研仪器之一。
二、仪器用途
适用于材料(合金、陶瓷、半导体材料等)、矿物、冶金、机械、微电子等领域的微区化学组成定性和定量分析、微区化学组成线分析、微区化学组成面分析以及各类固体产品的微区形貌观察与成分分布图像等，是对试样表面形貌观察、微区组织结构和元素定性定量分析的最有效、原位（in-situ）表征手段。
三、仪器的性能与特点
1、具有较高的X-射线检出角(52.5︒)，有利于提高仪器空间分辨率和凸凹样品分析观察的可靠性；分光晶体采用Johanson型全聚焦分光晶体，同一道波谱仪兼顾高分辨率和高灵敏度。
2、分析精度：好于1%(主要元素，含量>5%)和5%(次要元素，含量～1%)；谱仪检测极限：大于10ppm。
3、分析元素范围：4Be-92U；加速电压：0.2-30kV(可调步长≤0.5kV)；二次电子像分辨率：6nm；放大倍数：50-300000⨯，连续可调（有效图像观察倍数≤50000⨯）。
4、电子束流稳定性：好于1.5⨯10-3/h；电子束流：10-12–10-5A，连续可调，绝对准确值好于10%。
5、样品台最小移动间距为0.02微米，重复精度好于±1μm，机械系统精密度高。
6、可观察二次电子像（SEI，高分辨、低分辨模式）、背散射电子像(BEI)、凸凹像、透射电子像（适合医学、生物样品）、吸收电子像、光学显微像、特征X射线线/面分布像等，兼具微区成分定性定量分析和表面形貌观察等多项功能。
7、配置四道波谱仪（LiF/ADP、LiF/PET、RAP/LSA70、PbST/LSA200），最大限度保证主元素分析精度外，还可满足轻元素Be、B、C、N、O、F等成分的精确测试。
还配备了EDAX公司Genesis能谱仪，对表面粗糙样品可快速进行全元素定性半定量分析和形貌观察，操作简便可靠。
该仪器已圆满完成安装、调试和培训等工作，2006年8月已顺利通过专家验收并投入使用。
在试运行期间，欢迎校内外科研人员和师生们来样测试，收费价格优惠至2006年12月31日！仪器放置地点：分析测试中心(20号楼)102室“表面界面分析室”内。
四、检验业务管理
测试业务预约请联系中心业务办公室汤敏主任或刘湘雯、梁桂琼老师，电话：87111074或33065839，电邮：**************，传真：87114695，中心网页：/test。
节假日照常承接校内外分析测试业务，业务管理按照中心计量认证质量管理体系的相关程序运行，凡需用电子探针进行样品测试分析的校内外人员（简称“校内外测试客户”），均需提前预约，到业务办公室填写“华南理工大学分析测试中心样品测试委托单”，并提交待测样品；也可先在中心网页（/test/）下载“华南理工大学分析测试中心样品测试委托单”，填好后与样品一起提交中心业务办公室。
有关检测分析技术、样品准备等方面的问题咨询，可联系仪器室负责人尹诗衡老师或雷淑梅、陈丽凤老师，电话：87114530，电邮：***************、***************、***************。
四、电子探针分析用国家标准
1、“玻璃的电子探针定量分析方法”，GB/T 15244-2002（替换GB/T 15244-1994）。
2、“稀土氧化物的电子探针定量分析方法”，GB/T 15245-2002（替换GB/T 15245-1994）。
3、“硫化物矿物的电子探针定量分析方法”，GB/T 15246-2002（替换GB/T 15246-1994）。
4、“硅酸盐矿物的电子探针定量分析方法”，GB/T 15617-2002（替换GB/T 15617-1995）。
5、“碳钢和低合金钢中碳的电子探针的定量分析方法灵敏度曲线法(检量线法)”，GB/T
15247-94。
6、“金属及合金的电子探针定量分析方法”，GB/T 15616-1995。
7、“电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则”，GB/T 17359-1998。
8、“钢中低含量Si、Mn的电子探针定量分析方法”，GB/T 17360-1998。
9、“沉积岩中自生粘土矿物扫描电子显微镜及X射线能谱鉴定方法”，GB/T 17361-1998。
10、“黄金饰品的扫描电镜X射线能谱分析方法”，GB/T 17362-1998。
11、“黄金制品的电子探针定量测定方法”，GB/T 17363-1998。
12、“黄金制品中金含量的无损定量分析方法”，GB/T 17364-1998。
13、“金属与合金电子探针定量分析样品的制备方法”，GB/T 17365-1998。
14、“矿物岩石的电子探针分析试样的制备方法”，GB/T 17366-1998。
15、“船舶黑色金属腐蚀层的电子探针分析方法”，GB/T 17506-1998。
16、“金覆盖层厚度的扫描电镜测量方法”，GB/T 17722-1999。
17、“黄金制品镀层成分的X射线能谱测量方法”，GB/T 17723-1999。
18、“电子探针定量分析方法通则”，GB/T 15074-94。
19、“电子探针分析仪的检测方法”，GB/T 15075-94。
五、应用实例
一、形貌观察
金属断口夹杂物二次电子形貌
金属涂层背散射电子形貌
高温合金蠕变孔洞和外来物凹凸像
颗粒大小的测量
二、成分分析
微区成分波谱分析
Element Wt%
CK 05.46
OK 26.55
MgK 00.42
AlK 00.74
SK 03.49
ClK 03.82
KK 01.21
CaK 00.77
ZnK 57.54
微区成分分析能谱（EDS）图
WDX可以很好地将谱线分开
NiKβNiKα
FeKβ
FeKα
CoKα
CrKβ
CrKα
三、微区成分的面分布和线扫描
电池用材料F和Co的面分布图像
线分布图像Cr层的X射线像。