1、第八章 扫描电子显微镜与电子探针 显微分析,内容提要： 第一节 电子束与固体样品相互作用时 产生的物理信号 第二节 扫描电子显微镜的结构和工作原理 第三节 表面形貌衬度原理及其应用 第四节 原子序数衬度原理及其应用 第五节 电子探针X射线显微分析,引 言,SEM用于材料分析的特点 仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)； 仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍），且连续可调； 图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）； 试样制备简单。一般来说，比透射电镜（TEM）的制样简单，且可使图像更近于试样的真实状态； 可做
2、综合分析。,第一节 电子束与固体样品相互作用时 产生的物理信号,高能电子与固体物质相互作用可以产生很多信息。检测这些信息，并通过分析得到样品的形貌、成分、结构等信息。这些信息包括：二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子以及俄歇电子、特征X射线等（如图）。,一、二次电子（secondary electron，SE）,二次电子：指被入射电子轰击出来的样品原子的核外电子。产生机理： 当样品原子的核外电子受入射电子激发(非弹性散射)获得了大于临界电离的能量后，便脱离原子核的束缚，变成自由电子，其中那些处在接近样品表层而且能量大于材料逸出功的自由电子就可能从表面逸出成为真空中的自由电子，即二次电子。
3、样品上方检测到的二次电子90%来自原子外层的价电子。,二次电子的特点： 能量较低；一般小于50 eV，大部分只有几个电子伏特。 取样深度较浅；这是因为SE能量很低，只有在接近表面大约几十nm内的SE才能逸出表面，成为可接受的信号。因此，二次电子来自表面550nm的区域，能量为050 eV。, 主要用于形貌观察；这是因为二次电子产额随原子序数的变化不明显，主要决定于试样的表面形貌。 空间分辨率较高。由于二次电子来自试样的表面层，入射电子还来不及被多次散射，因此产生二次电子的面积主要与入射电子的照射面积（即束斑）大小有关。所以二次电子的空间分辨率较高，一般可达到510nm。 扫描电镜的分辨率通常就
4、是二次电子分辨率。,二、背散射电子（BSE）,背散射电子（也称初级背散射电子）：指受到固体样品原子的散射之后又被反射回来的一部分入射电子。产生过程：包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，可从数十电子伏特到接近入射电子的初始能量。,背散射电子的特点： 分析用的背散射电子信号通常是指那些能量较高，其中主要是能量等于或接近入射电子能量的弹性背散射电子。 如图，这是由于从电子能谱曲线上看出，能接收到的非弹性背散射电子数量比弹性背散射电子少得多。, 背散射电子像的分辨率低于二次电子； 背散射电子的产生范围在0.11 m深，来自于比二次电子更大的区域，故背散射电子像的分
5、辨率比较低，一般为50 200nm。, 不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，进行定性地微区成分分析。 背散射电子的产额随原子序数（Z）的增加而增加； 而且与表面形貌也有一定的关系。 利用BSE的衍射信息还可以研究样品的结晶学特征。,三、吸收电子（AE）,高能电子入射样品后，其中一部分入射电子经多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子产生），最后留在样品内部，即称为吸收电子。若把吸收电子信号作为调制图像的信号，则得到吸收电子像。 若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表(如毫安表) ，将检测到样品对地的电流信号，这个信号是由吸收电子提供的，就是吸收电流（或称样品电
6、流信号）。,假如入射电子束照射一个足够厚度(m数量级)的样品，没有透射电子产生，则： I0=Ib+Is+Ia 式中，入射电子电流强度I0、背散射电子电流强度Ib 、二次电子电流强度Is 、吸收电子电流强度Ia 。对于一个多元素的平试样来说，当入射电流强度I0一定，则Is一定(仅与形貌有关)，那么Ia与Ib存在互补关系，即背散射电子增多则吸收电子减少。,吸收电子的产额同背散射电子一样与样品微区的原子序数相关。因此，吸收电子像可以反映原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的微区成分分析。 （图像的衬度与背散射电子像相反。）,四、特征X射线,特征X射线：原子的内层电子受到激发以后，在能级跃迁过程中直接
7、释放的一种电磁辐射。特点： 代表了元素的特征能量和波长,具体来说，如在高能入射电子作用下使K层电子逸出，原子就处于K激发态，具有能量EK。当一个L2层电子填补K层空位后，原子体系变成L2激发态，能量从EK降为EL2，这时有EEK-EL2的能量释放出来。 （若这一能量以X射线形式放出，这就是该元素的K辐射。）此X射线的波长为：因此，辐射的X射线都有与元素对应的特征能量和特征波长。, 特征X射线是从试样0.55m深处发出的。 可进行微区成分分析。 特征X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：式中，Z为原子序数，K、为常数。 因此，利用原子序数和特征能量之间的对应关系可以进行成分分析。,五、俄歇电
8、子（Auger electron，AUE）,如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量E不以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子就是俄歇电子。显然，一个原子中至少要有三个以上的电子才能产生俄歇效应，铍是产生俄歇效应的最轻元素。,俄歇电子的特点： 带有元素原子的特征能量 俄歇电子的能量与其发生过程相关的原子壳层能级(如EK、EL)有关。而EK 、 EL各能级的能量仅与元素(原子序数)有关，所以每一个俄歇电子的能量都有固定值，即带有元素原子的能量特征。 俄歇电子能量很低；一般为501500eV ，随不同元素、不同跃迁类型而异。, 用于分析的俄歇电子
9、主要来自试样表面23个原子层，即表层以下1 nm以内范围。 这是由于在较深区域中产生的俄歇电子，在向表面运动时，必然会因碰撞而损失能量，使之失去了具有特征能量的特点。 俄歇电子信号适用于表面化学成分分析(如晶界、相界等相关界面)。 用俄歇电子进行分析的仪器称为俄歇电子谱仪（AES）。,六、透射电子（transmission electron，TE）,如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，那么就会有相当一部分入射电子穿过样品而成为透射电子。透射电子可被安装在样品下方的电子检测器检测。在入射电子穿透样品的过程中将与原子核或核外电子发生有限次数的弹性或非弹性散射。因此，样品下方检测到的透射电子信号
10、中，除了有能量与入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子。TE的强度取决于微区的厚度、成分、晶体结构和晶向。,七、其它物理信号,除了上述六种信号外，固体样品中还会产生例如阴极荧光、电子束感生电流（效应）和电动势等物理信号。阴极荧光产生的物理过程对杂质和缺陷的特征十分敏感，因此，是用来检测杂质和缺陷的有效方法，常用于鉴定物相、杂质和缺陷分布。束感生电流(效应)反映了在电子束作用下半导体样品导电性的变化，可检测少数载流子的扩散长度和寿命，为半导体材料和固体电路的研究提供了非常有用的物理信息。,第二节 扫描电子显微镜的结构 和工作原理,一、扫描电镜的工作原理 二、扫描电镜的
11、结构 三、扫描电镜的主要性能 四、样品制备,一、扫描电镜的工作原理,工作过程： 由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。 同时，在末级透镜上边装的扫描线圈的作用下，使电子束在样品表面扫描，激发出物理信号； 用探测器对物理信号进行检测、放大、成像，用于各种微观分析。,成像方式：逐点成像 由于扫描线圈的电流与显像管的相应偏转电流同步，因此试样表面任意点的发射信号与显像管荧光屏上的亮度一一对应。也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。 由于电子束对样品的扫描与显像管中
12、电子束的扫描保持严格同步，所以可把样品表面不同的特征，按顺序、成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面各种特征的放大像。,二、扫描电镜的结构,扫描电镜的组成：电子光学系统；信号收集及显示系统；真空系统；电源系统。,1、电子光学系统,对扫描电子束的要求：具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。作用：用来获得一束高能量、细聚焦的扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。 （与透射电镜的不一样，透射电镜的电子光学系统是用来成像的。）组成：电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件。,(1)电子枪,作用：提供一个连续不断的稳定的电子源，以形成电子束。扫描电镜的电子枪与透
13、射电镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电镜的低。 常利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。,(2)电磁透镜,作用：把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径约50m的束斑（钨灯丝电子枪）缩小成一个只有几nm的细小束斑。 （即不作为成像透镜用，而是作为会聚透镜用。）束斑的缩小过程通常采用三个聚光镜：即第一聚光镜、第二聚光镜和末级聚光镜（习惯上称为物镜） 。 前两个聚光镜：强磁透镜，用来缩小电子束斑； 物镜：弱磁长焦距透镜，使束斑进一步缩小并使之成像于样品面上。,(3)扫描线圈,作用：使电子束偏转，并在试样表面做有规律的扫描。 该扫描线圈与显示系统中显像管的扫描线圈严格同步。扫描电镜采用双偏转
14、扫描线圈，在电子束偏转的同时还进行逐行扫描，电子束在上下偏转线圈的作用下，在试样表面扫描出一个与显示器屏幕相对应的长方形区域。,(4)样品室,特点： 样品室的空间较大； 扫描电镜的样品室除放置样品外，还要安置各种信号检测器。 样品台一般可放置2010 mm的块状样品。 样品台还要能沿X、Y及Z三个方向平移，在水平面内旋转或沿水平轴倾斜，活动范围很大，又要精度高、振动小。,2信号收集和显示系统,作 用：检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大，作为显像系统的调制信号，最后在荧光屏上得到反映样品表面特征的扫描图像。组 成：各种信号检测器、前置放大器和显示装置。,对于不同种类的物理信号
15、要用不同的检测器来检测。二次电子、背散射电子和透射电子信号可以用闪烁计数器来进行检测。随检测信号不同，闪烁计数器的安装位置不同。 （安装在样品上方可以检测SE和BSE；安装在样品下方可以检测TE。）,检测SE时，栅网上加250500 V正偏压，吸引样品上发射的SE飞向探头，这对低能二次电子起加速作用，并增大了检测的有效立体角。检测BSE，则在栅网上加50V的负偏压，以阻止SE到达检测器。,三、扫描电镜的主要性能,1放大倍数 2分辨率 3景深,1放大倍数,扫描电镜的放大倍率变化范围宽，连续可调，操作快速、容易。 扫描电镜的放大倍数为：式中， AS为电子束在样品表面扫描的幅度， AC为在荧光屏上阴
16、极射线同步扫描的幅度。 由于荧光屏尺寸Ac固定不变，因此，放大倍率的变化是通过调节镜筒中扫描线圈的电流来改变电子束在试样表面的扫描幅度AS来实现。,2分辨率（resolution）,对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。 对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；影响扫描电镜分辨率的主要因素有：（1）入射电子束斑直径 束斑直径的大小主要取决于电子光学系统。（2）入射电子束在样品中的扩展效应,高能电子入射样品，产生散射，使电子束在向前运动的同时，向周围扩散，从而形成一相互作用区。 作用区是一“梨”形区,其范围大大超过入射束的直径。因此，分辨率并不等于电子束直径。,（3）成像所用信号的种类
17、,成像操作所用检测信号的种类不同，分辨率有着明显的差别。造成这种差别的原因主要与信号本身的能量和信号取样的区域范围有关。,此外，样品原子序数、信噪比、杂散磁场、机械振动等因素，对扫描电镜的分辨率也都将产生影响。样品原子序数愈大，电子束进入样品表面的横向扩展愈大，分辨率愈低；噪音干扰造成图像模糊；磁场的存在改变了二次电子运动轨迹，降低图像质量；机械振动引起电子束斑漂移，这些因素的影响都降低了图像分辨率。,3景深,景深：指透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围，这个范围用一段距离来表示（Ds）。如图,式中：电子束孔径角；2R0扫描电镜的分辨率，即为电子束斑直径尺寸。,四、样品制备,
18、扫描电镜样品制备的优点： 扫描电镜对样品的适应性大； 所有的固态样品都可以观察。如块状的、粉末的、金属的、非金属的、有机的、无机的均可。 样品制备方法简单。扫描电镜对样品的主要要求： (1) 适当的大小； (2) 良好的导电性。 实际上是要求样品表面(所观察的面)与样品台之间要导电。,制备方法： 对导电性良好的金属样品，若尺寸大小合适、用导电胶或导电胶带固定在铝或铜的样品架上送入电镜样品室便可直接观察。 对不导电或导电性差的无机非金属材料、高分子材料等样品，所要观察的表面必须进行喷镀导电层处理。,“成像衬度原理”引言,扫描电镜的像衬度主要是利用样品表面微区特征(如形貌、原子序数或化学成分、晶体
19、结构或位向等)的差异，在电子束作用下产生不同强度的物理信号，导致阴极射线管荧光屏上不同的区域不同的亮度差异，从而获得具有一定衬度的图像。,第三节 表面形貌衬度原理及其应用,一、表面形貌衬度 表面形貌衬度：由于试样表面形貌差别而形成的衬度。 利用对试样表面形貌变化敏感的物理信号作为显像管的调制信号，可以得到形貌衬度图像。形貌衬度的形成是由于某些信号，如二次电子、背散射电子等，其强度是试样表面倾角的函数，而试样表面微区形貌差别实际上就是各微区表面相对于入射电子束的倾角不同，因此电子束在试样上扫描时任何两点的形貌差别，表现为信号强度的差别，从而在图像中形成显示形貌的衬度。,二、表面形貌衬度原理,SE
20、产额随样品各部位倾斜角(即电子束入射角)的不同而变化，其关系为：sec 。 角越大的部位， 越大，SE发射数量越多，该部位的图像就越亮。,以二次电子信号为例。 电子束入射角 ：入射电子束与试样表面法线间夹角,如果样品表面由右图所示的A、B、C、D几个小平面区域组成，B面与D面相比，其倾斜角度较小，则二次电子产额较少，检测到的SE强度IB较弱，故亮度较低。而D面倾斜角度最大，故亮度也最大。,由于二次电子信号主要来自样品表层5l0nm深度范围，它的强度与原子序数无明显的关系，而仅对微区刻面相对于入射电子束的位向十分敏感，且二次电子像分辨率比较高，所以特别适用于显示形貌衬度。 二次电子像的衬度是最典
21、型的形貌衬度。,三、二次电子像的应用,1、断口微观形貌的观察,（1）韧窝断口,是一种伴随着大量塑性变形的断裂方式。 断口形貌特征：一些大小不等的圆形或椭圆形的凹坑韧窝。断裂过程按微孔聚集型的方式进行。 微孔成核：试样在拉伸或剪切变形时，由于第二相粒子（或碳化物、夹杂）和基体变形的不协调性，导致在其界面处发生位错塞积，产生应力集中，进而形成显微孔洞；,微孔的长大和连接：随着应力应变的增加，微孔不断长大和连接，直至试样最后断裂。,在二次电子像中，撕裂棱亮度较高，有明显的边缘效应，韧窝底部平坦，图像亮度较低。在韧窝内经常可看到第二相质点或夹杂物，这些质点往往是比较亮的。韧性断裂是大多数结构零件在室温
22、条件下的正常断裂方式。对韧性断裂，其微观形貌一定有韧窝。注意： 韧窝不仅在晶粒内，而且在晶界也能形成。 韧窝的形态受应力状态的影响较大。,（2）解理断口,解理断裂：指材料在正应力作用下沿一定的结晶学平面发生分离，这一定的结晶学平面称为解理面，其断口称为解理断口。解理断裂一般属于脆性断裂，很少塑性变形。,解理断裂成因: 原子间结合键遭到破坏，沿表面能最小、低指数的晶面（解理面）劈开而成。 解理断裂通常发生在体心立方和密排六方点阵的金属和合金中。 体心立方点阵材料（如-Fe），解理一般沿100面发生；面心立方点阵金属一般情况下不发生解理断裂，但在特殊情况下，例如冬季低温、腐蚀环境或材质较差条件下也
23、会发生解理断裂。,断口形貌特征: 解理台阶与河流花样。 由于解理往往是沿着一族相互平行的晶面以不连续的方式开裂，不同平面上的裂纹在向前扩展时，通过二次解理或与螺位错交割形成解理台阶； 解理裂纹扩展过程中，台阶不断相互汇合，形成河流花样。,解理断口上的其它特征：舌状花样（由解理裂纹沿孪晶面发生的局部二次解理所致）、扇形花样、羽毛状花样等。,（3）准解理断口,断口上出现的塑性变形量大于解理断裂又小于延性断裂。这种断口称为准解理断口。,准解理断裂也属脆性断裂。 从宏观上看比较平整，基本无塑性变形，呈脆性状态。,断口形貌特征: 在解理面上有大量短而弯曲的撕裂棱(一个裂面内的小河流) 、撕裂线(两个裂面
24、的交界) 、点状裂纹源、由解理面中部向四周放射的“河流”花样，准解理面稍有凹陷及二次裂纹。准解理断裂常出现在回火马氏体组织或贝氏体组织的钢中，尤其是在低温冲击时。,断口上既出现解理断裂的形貌，又伴随很多的局部塑性变形痕迹。,(4) 沿晶断口,沿晶断裂：材料沿晶粒界面彼此分离造成的断裂。,沿晶断裂多属脆性断裂，宏观上无明显的塑变特征。微观形貌特征: 呈现类似冰糖状的晶粒多面体形态，并常常伴有沿晶的二次裂纹； 也有的在晶粒界面上可看到一些小的浅韧窝，表明断裂过程中微观上有少量的塑性变形。,产生原因： 晶界上存在脆性沉淀相；（引起沿晶脆断的沉淀相粒子可以是碳化物、氮化物、硫化物等） 晶间弱化；（某些
25、固溶的杂质元素在晶界上的偏聚，如P、S、As等。） 晶界受环境因素作用。（如蠕变、应力腐蚀等） 上述原因使晶界弱化而引起沿晶断裂。,(5) 疲劳断口,疲劳断裂：材料在交变载荷下多次循环后发生的断裂。其断口称为疲劳断口。,宏观断口形貌：由疲劳裂纹源区、扩展区(简称疲劳区)和瞬时断裂区组成。微观形貌特征: 扩展区呈疲劳条纹(疲劳条带)。疲劳纹大致相互平行，略带弯曲，且与裂纹局部扩展方向垂直。 疲劳条纹间距（或宽度）取决于应力循环的振幅，代表着裂纹在一次循环载荷作用下扩展的距离。,2、金相组织的观察,3、其它方面的应用,（1）样品表面微观形貌观察（如磨损表面、表面形态（组织） （2）高分子复合材料及
26、无机非金属材料方面的应用(3) 动态研究中的应用,磨损表面形貌观察,材料表面形态（组织）观察,高分子复合材料 及无机非金属材料方面的应用,动态过程的原位观察,可在SEM中借用拉伸、压缩或弯曲等微动装置，直接原位跟踪观察在应力作用下材料的变形，裂纹的萌生、扩展、连接直至断裂这一全过程与组织的关系。,第四节 原子序数衬度原理及其应用,一、原子序数衬度 原子序数衬度是由于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度。利用对试样表面原子序数（或化学成分）变化敏感的物理信号作为显像管的调制信号，可以得到原子序数衬度图像。 背散射电子像、吸收电子像、特征X射线像的衬度都含有原子序数衬度。,二、原子序
27、数衬度原理,（以背散射电子信号为例）背散射电子产额对原子序数Z的变化特别敏感，随Z的增加而增大，尤其是当z40的元素，这种变化更为明显(如图)。样品表面上平均原子序数较高的微区，背散射电子信号较强，其图像上相应的部位就较亮；反之，则较暗。这样就获得了BSE的成分衬度。,样品要求： BSE能量较高，离开样品表面后沿直线轨迹运动。故检测到的信号强度远低于二次电子，因而粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。 为此，使用单探头探测器时，对于显示原子序数衬度的样品，应进行磨平和抛光，但不能浸蚀。背散射电子信号强度较高的区域，吸收电子信号强度较低，因此，吸收电子像与背散射电子像的衬度正好相反。,三、
28、BSE的原子序数衬度像的应用,背散射电子像衬度应用最广泛的是它的成分衬度像，获得样品中大致的成分分布。根据背散射电子像的亮暗衬度来判断相应区域原子序数的相对高低，判断组织中的成分差别，对金属及其合金进行显微组织分析。,图是Ni基高温合金的金相组织。材料中的高原子序数元素Hf（铪）明显地偏析到晶界上的共晶相中，用EDS进一步分析得到了证实。,第五节 电子探针X射线显微分析,引 言电子探针X射线显微分析仪（简称电子探针，EPMA）是在电子光学和X射线光谱原理的基础上发展起来的一种微区成分分析的仪器。,一、电子探针仪的结构与工作原理,1、检测原理 检测的信号：特征X射线。高能电子束入射样品表面激发产
29、生的特征X射线具有某元素的特征波长和特征能量，其波长的大小、能量的高低遵循莫塞莱定律，即：式中，Z原子序数，K、为常数。 特征X射线的波长；特征X射线的能量。,特征X射线的波长（或能量）取决于元素的原子序数，只要知道样品中激发出的特征X射线的波长(或能量)就可确定试样中的待测元素； 元素含量越多，激发出的特征X射线强度越大，故测量其强度就可确定相应元素的含量。电子探针就是依据这个原理对样品进行微区成分分析的。,2、结构,电子探针的结构： 镜筒部分与扫描电镜相同，即由电子光学系统和样品室组成。 不同的是：电子探针有一套检测特征X射线的系统X射线谱仪，以此来对微区的化学成分进行分析。 此外，为便于
30、选择和确定样品表面上的分析微区，镜筒内装有与电子束同轴的光学显微镜（100500），通过目镜可以观察到电子束照射到样品上的位置。,X射线检测器一般采用分光晶体或Si（Li）探头。,X射线谱仪：把不同波长（或能量）的X射线分开的装置。常用的X射线谱仪有两种：波谱仪和能谱仪。 配有检测特征X射线特征波长的谱仪称为波谱仪(WDS)。 配有检测特征X射线特征能量的谱仪称为能谱仪(EDS)。除专门的电子探针外，大部分X射线谱仪都是作为附件安装在扫描电镜或透射电镜上，与电镜组成一个多功能仪器以满足微区形貌、晶体结构及化学组成的同位同时分析的需要。,二、波谱仪的结构和工作原理,若样品中含有多种元素，高能电子
31、束入射样品会激发出各种波长的特征X射线，为了将待分析元素的谱线检测出来，就必须把它们分散开(展谱)。 波谱仪，全称波长分散谱仪(WDS)，它是依据不同元素的特征X射线具有不同波长这一特点来对样品进行成分分析的。波谱仪是通过晶体衍射分光的途径实现对不同波长的X射线分散展谱、鉴别与测量的，故称波长分散谱仪。 波谱仪的X射线的分光和探测系统组成：分光系统、X射线探测器和相应的机械传动装置。,(一) 分光系统分光晶体及弯晶的聚焦作用,1、分光晶体 分光系统的最主要部分是分光晶体。 根据布拉格定律 2dsin= 假如有一块晶体，已知其平行于晶体表面的晶面间距为d，对于不同波长的X射线只有在满足一定的入射
32、条件(入射角 )下，才能发生强烈衍射。若忽略n1的高级衍射的干扰，对于任意一个给定的入射角(掠射角) ，只有一个确定的波长满足衍射条件。所用的晶体叫分光晶体。,若能连续地改变角，我们就可以在与入射方向成2 角的相应方向上收到各种单一波长的X射线信号(如图)，从而展示适当波长范围内的全部X射线谱。 这就是波谱仪波长分散的基本原理。,2、X射线的弯晶聚焦原理,为了提高单一波长的X射线收集效率，要求分光晶体不仅 能分光，而且还能使衍射的X射线聚焦。方法：采用弯晶分光系统，即：把分光晶体作适当的弹性弯曲，并使射线源、弯曲晶体表面和检测器同时位于半径为R的圆周上，这样就可以达到把衍射束聚焦的目的。,虚线
33、圆称为聚焦圆,（二）检测系统,检测系统的作用：将由分光晶体衍射所得的特征X射线信号接收、放大并转换成电压脉冲(一个X光子产生一个电压脉冲，脉冲的高低与X射线的波长相对应)并进行计数，通过计算机处理，进行定性分析，以谱图形式输出，也可进行定量计算。检测系统的主要构成：X射线探测器（常用正比计数器）、前置放大器、比例放大器、波高分析器、定标器、计数率表以及计算机等。,波长色散谱,横坐标波长， 纵坐标强度。 谱线上有许多强度峰； 峰位代表相应元素某特征X射线的波长； 峰高与这种元素的含量有关。,图示为一张用波谱仪分析一个测量点的谱线图。,波谱仪的特点,主要优点： (1) 能量分辨率高。这是波谱仪突出
34、的优点，其分辨率为510eV，它可将波长十分接近的谱线清晰地分开。 (2) 峰背比高。这使WDS所能检测的元素的最低浓度是EDS的1/10。主要缺点： 信号采集效率低；分析速度慢。 样品要求：表面光滑平整。,三、能谱仪的工作原理和结构,能谱仪，全称能量分散谱仪(EDS)：依据不同元素的特征X射线具有不同的能量这一特点来对检测的X射线进行分散展谱，实现对微区成分分析的。 能谱仪的X射线探测器主要是半导体探测器，常用的是锂漂移硅Si(Li)探测器。1、结构与工作原理 能谱仪的主要部件是Si（Li）探测器、多道脉冲高度分析器。,来自样品的X射线光子穿过薄窗(Be窗或超薄窗)进入Si(Li)检测器后，
35、在Si(Li)晶体内激发出一定数目的电子-空穴对。产生一个空穴对的最低平均能量是一定的，因此由一个X射线光子产生的空穴对的数目为N，N=E/ 。入射x射线光子的能量愈高，N就愈大。,利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对，经前置放大器转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小； 电流脉冲经主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器；脉冲高度分析器按高度把脉冲分类并进行计数，这样就可以描出一张特征X射线按能量大小分布的图谱。,2、能量色散谱,图a为用能谱仪测出的某镍基合金某点的能谱曲线。 横坐标为能量（KeV），纵坐标是强度（计数率）。,3、能谱仪的特点,能谱仪的主要优点：(1) 分析速度快：
36、能谱仪可在几分钟内分析和确定样品中含有的所有元素(Be窗：11Na92U，超薄窗：4Be 92u)。(2) 灵敏度高：能谱仪可在低入射电子束流(10-11A)条件下工作，这有利于提高分析的空间分辨率。 (3) 谱线重复性好：由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没有聚焦要求，所以谱线峰位置的重复性好且不存在失焦问题； (4) 也适合于粗糙表面的分析。,能谱仪的主要缺点：(1) 能量分辨率低 EDS的能量分辨率在130 eV左右，这比WDS的能量分辨率(510 eV)低得多。(2) 峰背比低 EDS所能检测的元素的最低浓度是WDS的10倍，最低大约可检测1000 ppm。,四、电子探针仪的分析方法
37、及应用,1电子探针仪的分析方法 三种基本分析方法：,按所使用的X射线谱仪，可分为能谱分析和波谱分析。,(1) 点分析定性分析,定点定性分析：对试样表面上某一选定点（如第二相、夹杂物）或某一微区（如相、基体）进行定性成分分析，以确定该点（区域）内存在的元素。方法： 用光学显微镜或在荧光屏显示的图像上选定需要分析的点，使聚焦电子束照射在该点上，激发试样元素的特征X射线。 用谱仪对X射线作4Be92U全部元素的全谱扫描，根据谱线峰值位置的波长或能量确定分析点区域的试样中存在的元素。,定点微区成分分析是电子探针仪最主要的工作方式。点分析尤其在合金沉淀相和夹杂物的鉴定等方面有着广泛的应用。由于空间分辨率
38、的限制，被分析的粒子或相区尺寸一般应大于12m。,(1) 点分析定量分析,定量分析的方法： 记录下样品发射的特征X射线的波长，及其相应的强度(计数)； 然后将样品发射的特征谱线强度(每种元素只需选一根谱线，通常选强度最大的)与成分已知的标样(一般为纯元素标样)的同名谱线强度相比较，确定出该元素的含量。由于误差比较大，由谱线强度对元素的相对含量的分析只是一种半定量分析结果。,(2) 线扫描分折,将谱仪(波谱仪或能谱仪)固定在所要测量的某一元素特征X射线信号(波长或能量)的位置上（例如Al-K），用马达带动试样或用偏转线圈使电子束移动，使试样和电子束沿着指定的直线作相对运动，同时记录该元素的x射线
39、强度，就得到了某一元素在某一指定的直线上的强度分布曲线，也就是该元素沿直线的浓度分布曲线。改变谱仪的位置，便可得到另一元素的浓度分布曲线。,线扫描分析的应用： 测定元素在材料相界和晶界上的富集与贫化。 有关扩散的研究。在垂直于扩散界面的方向上作线扫描分析，可以很快显示浓度与扩散距离的关系。（右图是波谱仪线分析结果） 分析材料化学热处理的表面渗层，电镀的镀层以及各种涂层的厚度、成分组成及梯度变化。,图示为铸铁中硫化锰夹杂物的线扫描分析的结果。 可以看出，在夹杂物中S和Mn含量远高于基体。,(3) 面扫描分析,面扫描分析实际上是扫描电镜的用特征X射线调制图像的一种成像方式。 电子束在样品表面作光栅扫描时，把X射线谱仪(波谱仪或能谱仪)固定在某一元素特征X射线信号的位置上，用接收到的X射线信号调制CRT的亮度，在荧光屏上得到由许多亮点组成的图像，称为X射线扫描像或元素的面分布图像。 若把谱仪的位置固定在另一位置，则可获得另一种元素的浓度面分布图像。,面扫描分析提供了样品表面某一元素浓度发布状态的信息，并可以方便地与微观组织结合起来，对材料作更全面地研究。例如，利用面分析，可以准确地显示与基体成分不同的第二相质点或夹杂物的形状，能够定性地显示不同的化学成分在不同的金相组织中的分布，显示出一个微区面上某元素的偏析情况。,
