Электронно-зондовый микроанализ
Что такое электронно-зондовый микроанализ?
Электронно-зондовый микроанализ (ЕРМА), также известна как электронно-зондовый рентгеновский микроанализ, представляет собой прибор, который использует характеристическое рентгеновское излучение, возникающее при воздействии электронного луча на образец, для анализа состава микрообластей в тонких срезах минералов. Качественный и количественный анализ возможен, за исключением нескольких более легких элементов, таких как H, He, Li, Be и элементов после U. Электронный зонд большого объема должен использовать очень узкий электронный пучок, который был ускорен и сфокусирован в качестве зонда. для возбуждения крошечной области в образце для испускания характеристических рентгеновских лучей, а длина волны и интенсивность рентгеновских лучей могут быть измерены для качественного или количественного анализа элементов в микрообласти.
Применение электронно-зондового микроанализа
ЕРМА в основном используется для анализа мелких частиц или крошечных участков на поверхности твердых веществ с минимальным диапазоном около 1 мкм в диаметре. Анализируемые элементы варьируются от атомного номера 3 (литий) до 92 (уран). Абсолютная восприимчивость может достигать от 10-14 до 10-15 г. В последние годы сформировался комбинированный прибор растровой электронной микроскопии-микроанализатор, который позволяет точечно анализировать химический состав и структуру образца, наблюдая за морфологией микроучастка.
Электронный зонд широко используется в геологии, металлургических материалах, исследовании цементного клинкера, материаловедении, минералогии, металлургии, криминологии, биохимии, физике, электронике и археологии и т. д. Для любого вида твердого вещества, стабилизированного в вакууме, можно использовать для анализа состава и морфологическое наблюдение.
Принцип работы электронно-зондового микроанализа
Принцип работы электронно-зондового рентгеновского микроанализа заключается в возбуждении характеристического рентгеновского излучения элемента образца путем падения на поверхность образца точно сфокусированного электронного луча.
Длина волны (или характеристическая энергия) характеристического рентгеновского излучения анализируется для определения типа элементов, содержащихся в образце (качественный анализ).
Интенсивность рентгеновских лучей анализируется для определения количества соответствующего элемента в образце (количественный анализ).
Конструкция цилиндрической части электронного зонда в значительной степени идентична конструкции сканирующего электронного микроскопа, за исключением того, что в детекторной части используется рентгеновское излучение. спектрометр Используется прибор, специально разработанный для обнаружения характерной длины волны или характерной энергии рентгеновских лучей в качестве средства анализа химического состава микрообласти.
Таким образом, в дополнение к специализированному электронному зондовому прибору, значительная часть электронного зондового прибора устанавливается в качестве аксессуара на краткий обзор зеркала сканирующего электронного микроскопа или просвечивающего электронного микроскопа, чтобы удовлетворить потребности троицы морфологии микрообластей ткани, кристалла изотопный анализ строения и химического состава.
Между корпусом и камерой для образцов электронного зонда и СЭМ нет существенной разницы, поэтому для создания прибора с морфологическим и композиционным анализом часто комбинируют сканирующий электронный микроскоп и электронный зонд.
Преимущества электронно-зондового микроанализа
1. Микрорегиональность, микроскопичность: несколько диапазонов кубических мкм в микроанализаторе с электронным зондом могут соответствовать химическому составу микрорайона микроструктуры. Общий химический анализ, рентгенофлуоресцентный анализ, спектральный анализ и т. д., заключается в анализе среднего химического состава образца в большем диапазоне, но также не может соответствовать микроструктуре и не может изучать взаимосвязь между микроструктурой материала и свойств материала.
2. Удобство и скорость: EMPA прост в подготовке образцов и быстр в анализе.
3. Разнообразие методов анализа: микроанализ рентгеновского излучения с электронным зондом может непрерывно и автоматически выполнять различные методы анализа, такие как точечный, линейный и поверхностный анализ рентгеновского изображения образца. Автоматическая обработка данных и анализ данных.
4. Широкий спектр применения: электронно-зондовый микроанализ можно использовать для различных твердых веществ, материалов и т. д.
5. Широкий диапазон элементного анализа: EMPA обычно охватывает диапазон от бериллия (Be4) до урана (U92). Поскольку атомы H и He имеют только электроны K-слоя, они не могут генерировать характеристические рентгеновские лучи, поэтому их нельзя анализировать с помощью электронного зонда. Хотя литий (Li) может генерировать рентгеновские лучи, генерируемые характеристические рентгеновские лучи обычно слишком длинные, чтобы их можно было обнаружить. Электронный зонд с большим межплоскостным расстоянием, полученный из омыленной пленки в качестве дифракционного кристалла, позволяет обнаруживать элементы Be.
6. Отсутствие повреждения образца: EMPA можно сохранить в неизменном виде или продолжить другие аспекты анализа и тестирования после анализа образца, что особенно важно для анализа редких образцов, таких как культурные реликвии, древняя керамика, древние монеты и улики.
7. Высокая чувствительность количественного анализа: относительная чувствительность обычно составляет (0.01-0.05) мас.%, абсолютная чувствительность обнаружения составляет около 10-14 г, относительная погрешность количественного анализа составляет (1-3)%.
8. Анализ при наблюдении: все явления, наблюдаемые под микроскопом, можно проанализировать.
Структура электронно-зондового микроанализа
Базовая структура электронно-зондовый микроанализ состоит из электрооптической системы, кристаллического спектрометра, рентгеновского измерительного и записывающего устройства, оптического микроскопа и источника пропускающего света, камеры для образцов, автоматизированной системы анализа, вакуумной и вспомогательной системы, а также сканирующего устройства. система отображения.
Электронно-оптическая система
Электронно-оптическая система электронно-зондового рентгеновского микроанализатора формирует электронный пучок определенной энергии, интенсивности и минимально возможного диаметра, т. е. стабильный источник рентгеновского возбуждения. Электронно-оптическая система состоит из следующих основных частей.
(1) Электронная пушка: производит электронный пучок достаточной яркости и скорости.
Нить: производит горячие электроны
Ворота: эффект электростатической фокусировки для формирования креста 10–100 мкм.
Анод: ускоряющее действие электронов
(2) Электромагнитные линзы
Концентратор: два или три уровня, контролирующие ток пучка для уменьшения диаметра электронного пучка на несколько десятых до нескольких сотых.
Объектив: регулирует фокусное расстояние электронного луча и уменьшает диаметр электронного луча.
Для блокирования блуждающих электронов с большими углами рассеяния, чтобы диаметр падающего на образец электронного пучка был как можно меньше, собирающая линза и линза объектива имеют внизу оптическую диафрагму.
(3) Сканирующая катушка
Управляемый сканирующим генератором, электронный луч сканирует поверхность образца, одновременно сканируя кинескоп. Так что изображение, наблюдаемое трубкой, и электронный луч в области сканирования поверхности образца совпадают.
(4) Рассеиватель
Когда магнитное или электростатическое поле в электронно-оптической системе не является осесимметричным, оно будет вызывать дисперсию изображения, поэтому оригинал должен представлять собой пересечение круга с эллипсом. Рассеиватель создает магнитное поле того же размера и в направлении, противоположном тому, которое вызывает дисперсию, чтобы устранить дисперсию.
Рентгеновский спектроскопический кристаллический спектрометр
Рентгеновский спектрометр в EMPA состоит из спектроскопического кристалла и детектор рентгеновского излученияи спектрометрический механизм.
(1) Спектроскопический кристалл
Решетка или тонкопленочный материал, состоящий из атомов с одинаковым массивом. Из-за ограничений конструкции спектрометра угол тета можно изменить только в ограниченном диапазоне, поэтому данный кристалл может обнаруживать рентгеновские лучи только в определенном диапазоне длин волн. Чтобы РСМА мог анализировать элементы Be-U, необходимо оборудовать несколько наборов спектроскопических кристаллов с разным шагом сетки. Обычно на каждом спектрометре имеется 3-5 спектрометров с 2 трансформируемыми спектроскопическими кристаллами с разным шагом сетки.
К характеристикам спектроскопических кристаллов предъявляются следующие требования: высокая дифракционная эффективность, высокое разрешение, большое отношение пикового сигнала к обратному, простота обработки и пригодность для длительного использования.
Обычно используемые кристаллы включают изопентанол, гидрофталат таллия, кристаллы фторида лития, стеарат свинца и т. д.
Разрешение РСМА определяется разрешением спектроскопических кристаллов, поэтому поиск новых кристаллов с высоким разрешением является важным способом улучшения разрешения и чувствительности электронных зондов.
(2) детекторы рентгеновского излучения
Обычно используется положительный пропорциональный счетчик и сцинтилляционный счетчик. Электрический импульс пропорционален энергии рентгеновских лучей.
Пропорциональный счетчик
Особенности: Выходной импульс в значительной степени пропорционален энергии фотонов входного рентгеновского излучения, с высокой чувствительностью, коротким мертвым временем и небольшим временем отклика выходного импульса.
(3) Сцинтилляционный счетчик
Он состоит из сцинтиллятора, световода и фотоумножителя.
Электроны, попадая на сцинтиллятор, излучаемый световой трубкой из плексигласовых стержней, выходили за пределы вакуумной камеры через интерфейс связи, воспринимаемый трубкой фотоумножителя, в электрический сигнал.
(4) Принцип спектрометрической спектроскопии
Характеристическую длину волны рентгеновского излучения λ, создаваемую различными элементами, можно измерить при движении кристалла вдоль линии L (L меняется), и такой спектрометр называется волновым спектрометром прямого входа.
Регистратор рентгеновских измерений
Требования: точное отображение и запись импульсного сигнала рентгеновского излучения, измеренного детектором рентгеновского излучения. Низкий уровень шума, широкая полоса частот, высокое разрешение и т. д.
Рабочий процесс: рентгеновские лучи, генерируемые спектроскопическим кристаллом, поступают в трубку пропорционального счетчика, сигнал от трубки пропорционального счетчика поступает в предусилитель и основной усилитель (AMP), а амплитуда импульса анализируется в одноканальном анализаторе (SCA), выходной импульс одноканального анализатора отправляется на двухканальный счетчик для подсчета, выходной сигнал одноканального анализатора и таблица частот отображаются на ЭЛТ через селектор изображений, чтобы показать распределение интенсивности рентгеновского излучения в одном измерении. (линейный профиль) или два измерения (рентгеновское изображение).
Оптические микроскопы и источники просвечивающего освещения
Оптические микроскопы используются для точного позиционирования и коллимации анализируемой точки.
Тип: преимущественно светоотражающий.
Показатели: разрешение и фокусное расстояние.
Источник света с проходящим освещением: используется для наблюдения за геологическими образцами в поляризованном свете, очень полезен для геологических исследований.
Требования: высокая яркость, большое поле зрения.
Тип: пропускающий/поляризованный, извлекаемый.
Камера для образцов
Для установки, замены и перемещения образцов. Образец можно перемещать в направлениях X, Y и Z, а некоторые столы для образцов можно наклонять и поворачивать.
Системы автоматизированного анализа
С развитием компьютеров в конце семидесятых годов EPMA стали управляться автоматически. Компьютер управляет столиком электронного зонда, спектрометром, электрооптической системой, аналитическими функциями, а также сбором и обработкой данных. Аналитические данные и изображения могут быть обработаны и сохранены на компьютере.
Вакуумная система
Вакуумная система снижает вероятность столкновения катодных электронов с молекулами газа для получения необходимого пучка электронов. Улучшите изоляцию между анодом и катодом, чтобы они могли выдерживать большую разность потенциалов, но не слишком высокое напряжение пробоя.
Уровень вакуума обычно составляет 0 Па-01. 0 Па, обычно с механическим насосом.
Сканирующая система отображения
Электронный луч сканируется на поверхности образца и флуоресценции наблюдаемого изображения, а сигналы, такие как вторичные электроны, обратнорассеянные электроны и рентгеновские лучи, отправляются на ЭЛТ для отображения или записи изображения после детектора и обработки сигнала. . Теперь прибор отображает цифровые изображения и может быть обработан.
Виды электронно-зондового микроанализа
Спектрометр с дисперсией по длине волны (WDS)
Спектрометр с дисперсией по длине волны использует различные длины волн характеристических рентгеновских лучей для расширения спектра и реализации обнаружения различных длин волн рентгеновских лучей по отдельности.
Волновой спектрометр (WDS) в основном состоит из спектроскопического кристалла, рентгеновского детектора и системы обработки данных; принцип работы волнового спектрометра заключается в том, что, согласно закону Брэгга, характеристические рентгеновские лучи, испускаемые образцом, спектроскопически разделяются кристаллом с определенным межкристаллическим расстоянием d. Характеристические рентгеновские лучи с разными длинами волн λ будут иметь разные углы дифракции θ. Путем непрерывного изменения θ можно измерить характеристические рентгеновские лучи с разными длинами волн λ в точке, расположенной на расстоянии 2θ от направления падения рентгеновского излучения.
Энергодисперсионный спектрометр (EDS)
Энергодисперсионный спектрометр Тот, который использует различные энергии характеристических рентгеновских лучей для расширения спектра и осуществления раздельного детектирования рентгеновских лучей различной энергии, называется энергетическим спектрометром.
Энергетический спектрометр (ЭСС) в основном состоит из рентгеновских детекторов, предусилителей, блоков обработки импульсных сигналов, аналого-цифровых преобразователей, многоканальных анализаторов, мини-компьютеров, систем отображения и записи и т. д. Ключевым компонентом энергетического спектрометра является литиевый дрейфовый кремниевый полупроводниковый детектор, который обычно называют Si (Li) детектором. Принцип работы энергетического спектрометра заключается в классификации каждого импульса на основе высоты импульсов заряда на «каналы» с различными энергетическими диапазонами, где «канал», т. е. энергия, является горизонтальной координатой, а количество импульсов заряда, входящих в «канал», — горизонтальной координатой. Количество импульсов заряда, входящих в «канал», является горизонтальной координатой, а количество импульсов заряда, входящих в «канал», — вертикальной координатой для получения энергетического спектра образца.
Сравнение основных характеристик WDS и EDS
| Сравнить содержимое | WDS | EDS |
|---|---|---|
| Диапазон элементного анализа | 4Be－92U | 4Be－92U |
| Скорость количественного анализа | медленной | САЙТ |
| Разрешение | Высокий (≈5 эВ) | Низкий (130 эВ) |
| Предел обнаружения | 10-2（%） | 10-1（%） |
| Точность количественного анализа | Высокий | Низкий |
| Эффективность сбора рентгеновских лучей | Низкий | Высокий |
| Отношение пикового сигнала к обратному (WDS/EDS) | 10 | 1 |
Аналитические методы электронно-зондового микроанализа
Существует два основных аналитических метода электронно-зондового микроанализа: качественный анализ и количественный анализ.
(1) Качественный анализ
Качественный анализ – это качественный компонентный анализ выбранной точки (участка) образца для определения элементов, присутствующих в этой точке.
Принцип качественного анализа: с помощью оптического микроскопа или на изображении, отображаемом на флюороскопе, выбирается точка для анализа, и на нее направляется сфокусированный электронный пучок, который возбуждает характеристические рентгеновские лучи элементов образца при эта точка. Спектр рентгеновского излучения регистрируется и отображается с помощью рентгеновского спектрометра, а элементы, присутствующие в анализируемом точечном образце, определяются в соответствии с длиной волны положения пика спектральных линий.
Соответствующая энергия рентгеновских лучей может быть выражена как E=hv, где: E — энергия рентгеновских лучей; h — постоянная Планка. Видно, что существует однозначное соответствие между энергией и частотой рентгеновских лучей, что является основным принципом качественного анализа с помощью энергетического спектрометра.
(2) Количественный анализ
Под облучение При стабильном электронном пучке значение интенсивности аналогичных характеристических спектральных линий (обычно используемых линий Kα) каждого элемента должно соответствовать их концентрации после вычитания фонового сигнала из рентгеновского спектра.
Электронно-зондовый микроанализ методы сканирования
EPMA имеет два метода сканирования: анализ линейного сканирования и анализ сканирования поверхности.
(1) Анализ линейного сканирования
Анализ линейного сканирования представляет собой медленное сканирование сфокусированного электронного луча вдоль выбранной линии (через частицу или границу раздела) в пределах области наблюдения за образцом.
Рентгеновский спектрометр находится в состоянии регистрации характеристического рентгеновского излучения известного элемента и получает распределение интенсивности характеристического рентгеновского излучения вдоль линии сканирования образца, отражающее изменение содержания элемента.
Рентгеновский спектрометр находится в состоянии обнаружения неизвестного элемента, что приводит к распределению элементов вдоль строки сканирования, т. е. к тому, какие элементы содержатся в строке.
(2) Анализ сканирования поверхности
Сфокусированный электронный пучок сканируется как двумерный растр; рентгеновский спектрометр находится в состоянии детектирования характеристического рентгеновского излучения определенного элемента, и получается изображение, состоящее из множества ярких пятен, т.е. изображение рентгеновского сканирования или изображение распределения элементов по поверхности.
Содержание элементов высокое, а яркие пятна плотные. Распределение элемента в образце определяется по плотности и распределению ярких пятен на изображении: светлые области представляют собой высокое содержание элемента, серые области представляют низкое содержание, а черные области представляют очень низкое содержание или его отсутствие.
Сверхтонкое расщепление возбужденного и основного состояний 57Fe
(Схематическое изображение шестикратного пика магнитного сверхтонкого расщепления на энергетическом уровне поглотителя 57Fe / соответствующий спектр Масбургера)
Как заказать электронно-зондовый микроанализ?
Если вы заинтересованы в нашем Электронно-зондовый микроанализ или есть какие-либо вопросы, пожалуйста, напишите по электронной почте info@antiteck.com, мы ответим вам как можно скорее.