掃描電子顯微鏡能譜儀(EDS)原理

　　能譜儀結構及工作原理

　　X射線能量色散譜分析方法是電子顯微技術最基本和一直使用的，具有成分分析功能的方法，通常稱為X射線能譜分析法，簡稱EDS或EDX方法。它是分析電子顯微方法中最基本，最可靠，最重要的分析方法，所以一直被廣泛使用。

　　1。特征X射線的產生

　　特征X射線的產生是入射電子使內層電子激發而發生的現象。即內殼層電子被轟擊后跳到比費米能高的能級上，電子軌道內出現的空位被外殼層軌道的電子填入時，作為多余的能量放出的就是特征X射線。高能級的電子落入空位時，要遵從所謂的選擇規則(selectionrule)，只允許滿足軌道量子數l的變化 l=±1的特定躍遷。特征X射線具有元素固有的能量，所以，將它們展開成能譜后，根據它的能量值就可以確定元素的種類，而且根據譜的強度分析就可以確定其含量。另外，從空位在內殼層形成的激發狀態變到基態的過程中，除產生X射線外，還放出俄歇電子。一般來說，隨著原子序數增加，X射線產生的幾率(熒光產額)增大，但是，與它相伴的俄歇電子的產生幾率卻減小。因此，在分析試樣中的微量雜質元素時可以說，EDS對重元素的分析特別有效。

　　2。 X射線探測器的種類和原理

　　對于試樣產生的特征X射線，有兩種展成譜的方法：X射線能量色散譜方法(EDS：energy dispersive X-ray spectroscopy)和X射線波長色散譜方法(WDS：wavelengthdispersive X-ray spectroscopy)。在分析電子顯微鏡中均采用探測率高的EDS。從試樣產生的X射線通過測角臺進入到探測器中。圖1示出EDS探測器系統的框圖。對于EDS中使用的X射線探測器，一般都是用高純單晶硅中摻雜有微量鋰的半導體固體探測器(SSD：solid state detector)。SSD是一種固體電離室，當X射線入射時，室中就產生與這個X射線能量成比例的電荷。這個電荷在場效應管(TEF： field effect transistor)中聚集，產生一個波峰值比例于電荷量的脈沖電壓。用多道脈沖高度分析器(multichannel pulse height analyzer)來測量它的波峰值和脈沖數。這樣，就可以得到橫軸為X射線能量，縱軸為X射線光子數的譜圖。為了使硅中的鋰穩定和降低FET的熱噪聲，平時和測量時都必須用液氮冷卻EDS探測器。保護探測器的探測窗口有兩類，其特性和使用方法各不相同。

　　3。EDS的分析技術

　　(1)X射線的測量

　　連續X射線和從試樣架產生的散射X射線也都進入X射線探測器，形成譜的背底，因此要根據情況注意是否形成人為的假象。為了要減少從試樣架散射的X射線，可以采用鈹制的試樣架。對于支持試樣的柵網，也采用與分析對象的元素不同的材料制作。當用強電子束照射試樣，產生大量的X射線時，系統的漏計數的百分比就稱為死時間Tdead，它可以用輸入側的計數率RIN和輸出側的計數率ROUT來表示：Tdead=(1-ROUT/RIN)×100%

　　(2)空間分辨率

　　對于分析電子顯微鏡使用的試樣厚度入射電子幾乎都透過薄膜試樣。因此，入射電子在試樣內的擴展不像圖41-2左邊大塊試樣中擴展的那樣大，分析的空間的分辨率比較高。在分析電子顯微鏡的分析中，電子束在試樣中的擴展對空間分辨率是有影響的，加速電壓，入射電子束直徑，試樣厚度，試樣的密度等都是決定空間分辨率的因素。圖41-2 入射電子束在試樣內的擴散

　　(3)峰/背比(P/B)

　　特征X射線的強度與背底強度之比稱為峰背比P/B，在進行高精度分析時，希望峰背比P/B高。按照札盧澤克(Zaluzec)理論，探測到的薄膜試樣中元素的X射線強度N的表示式如下： N=(IσωpN0ρCt )/4επM

　　式中：I——入射電子束強度；σ——離化截面；ω——熒光產額；

　　p——關注的特征X射線產生的比值；N0——阿弗加德羅常數；ρ——密度；

　　C——化學組成(濃度)(質量分數，%)；t——試樣厚度；——探測立體角；

　　ε——探測器效率；M——相對原子質量。

　　如果加速電壓增高，產生的特征X射線強度稍有下降，但是，來自試樣的背底X射線卻大大減小，結果峰背比P/B提高了。

　　(4)定性分析

　　譜圖中的譜峰代表的是樣品中存在的元素。定性分析是分析未知樣品的第一步，即鑒別所含的元素。如果不能正確地鑒別樣品的元素組成，最后定量分析的精度就毫無意義。通常能夠可靠地鑒別出一個樣品的主要成份，但對于確定次要或微量元素，只有認真地處理譜線干擾，失真和每個元素的譜線系等問題，才能做到準確無誤。為保證定性分析的可靠性，采譜時必須注意兩條：第一，采譜前要對能譜儀的能量刻度進行校正，使儀器的零點和增益值落在正確值范圍內；第二，選擇合適的工作條件，以獲得一個能量分辨率好，被分析元素的譜峰有足夠計數，無雜峰和雜散輻射干擾或干擾最小的EDS譜。

　　① 動定性分析

　　自動定性分析是根據能量位置來確定峰位，直接單擊"操作/定性分析"按鈕，即可實現自動定性分析，在譜的每個峰的位置顯示出相應的元素符號。

　　②手動定性分析

　　自動定性分析優點是識別速度快，但由于能譜譜峰重疊干擾嚴重，自動識別極易出錯，比如把某元素的L系誤識別為另一元素的K系，這是它的缺點。為此分析者在儀器自動定性分析過程結束后，還必須對識別錯了的元素用手動定性分析進行修正。所以雖然有自動定性分析程序，但對分析者來說，具有一定的定性分析技術實在是必不可少的。

　　(5)定量分析

　　定量分析是通過X射線強度來獲取組成樣品材料的各種元素的濃度。根據實際情況，人們尋求并提出了測量未知樣品和標樣的強度比方法，再把強度比經過定量修正換算呈濃度比。最廣泛使用的一種定量修正技術是ZAF修正。本軟件中提供了兩種定量分析方法：無標樣定量分析法和有標樣定量分析析法。

　　(6)元素的面分布分析方法

　　電子束只打到試樣上一點，得到這一點的X射線譜的分析方法是點分析方法。與此不同的是，用掃描像觀察裝置，使電子束在試樣上做二維掃描，測量特征X射線的強度，使與這個強度對應的亮度變化與掃描信號同步在陰極射線管CRT上顯示出來，就得到特征X射線強度的二維分布的像。這種觀察方法稱為元素的面分布分析方法，它是一種測量元素二維分布的非常方便的方法。