电子探针的应用

在众多样品化学成分分析的仪器中，电子探针分析技术(EPMA)是一种应用较早、且至今仍具有独特魅力的多元素分析技术。二战以来，世界经济和社会的迅猛发展极大的促进了科学技术的进步，电子探针技术(EPMA)也进入了一个快速发展的时期，因此在很多的领域都有电子探针的应用，例如：地质学、宝玉石鉴定、刑侦等。主要介绍了电子探针的发展历史，以及其在现代科学领域的应用。

电子探针的发展历史

电子探针(EPMA)，全名是电子探针x射线显微分析仪，又名微区X射线谱分析仪，可对试样进行微小区域成分分析。1913年，Moseley发现了特征X射线频率域发射X射线的原子的原子序数平方之问存在线性关系，这就是的莫塞莱定律；同年，Bragg父子又创立了的布拉格定律。莫塞莱定律与布拉格定律奠定了x射线分光化学分析德尔基础。

1949年，在diyi届欧洲电子显微学会议上，“电子探针之父”Castaing描述了他的电子探针X射线显微分析仪。1956年，Coss-lett和Duncumb在剑桥大学卡文迪许实验室设计和制造了diyi台扫描电子探针，从而实现了在电子探针仪器中能使电子束在样品表面进行二维面扫描。

此后，许多人致力于完善和发展由Castaing首先提出的将X射线强度比转换为元素质量浓度的定量处理方法。今天，样品中主要组分的电子探针定量分析的准确度能达到相对误差在12%以内。随着电子光学、微电子学、x射线能谱技术和计算机技术的发展，电子探针仪器不断更新换代，性能不断改善，朝着小型化、多功能化和自动化的方向不断进步。

电子探针的结构特点

电子探针X射线显微分析仪(简称电子探针)利用约1Pm的细焦电子束，在样品表层微区内激发元素的特征X射线，根据特征X射线的波长和强度，进行微区化学成分定性或定量分析。电子探针的光学系统、真空系统等部分与扫描电镜基本相同，通常也配有二次电子和背散射电子信号检测器，同时兼有组织形貌和微区成分分析两方面的功能。电子探针的构成除了与扫描电镜结构相似的主机系统以外，还主要包括分光系统、检测系统等部分。

电子探针主要由电子光学系统(镜筒)，X射线谱仪和信息记录显示系统组成。电子探针和扫描电镜在电子光学系统的构造基本相同，它们常常组合成单一的仪器。

电子探针分析方法

利用电子探针分析方法可以探知材料样品的化学组成以及各元素的重量百分数。分析前要根据试验目的制备样品，样品表面要清洁。用波谱仪分析样品时要求样品平整，否则会降低测得的X射线强度。

定性分析

1、点分析

用于测定样品上某个指定点的化学成分。能谱仪中的多道分析器可使样品中所有元素的特征X射线信号同时检测和显示。不像波谱仪那样要做全部谱扫描，甚至还要更换分光晶体。

2、线分析

用于测定某种元素沿给定直线分布的情况。方法是将X射线谱仪(波谱仪或能谱仪)固定在所要测量的某元素特征X射线信号(波长或能量)的位置上，把电子束沿着指定的方向做直线轨迹扫描，便可得到该元素沿直线特征X射线强度的变化，从而反映了该元素沿直线的浓度分布情况。改变谱仪的位置，便可得到另一元素的X射线强度分布。

方法是：将X射线谱仪固定在所要测量的某元素特征X射线信号的位置上，电子束在样品表面做光栅扫描，此时在荧光屏上便可看到该元素的面分布图像。显像管的亮度由试样给出的X射线强度调制。图像中的亮区表示这种元素的含量较高。

定量分析

定量分析时，先测得试样中Y元素的特征X射线强度IY，再在同一条件下测出已知纯元素Y的标准试样特征X射线强度IO。然后两者分别扣除背底和计数器死时间对所测值的影响，得到相应的强度值IY和IO，两者相除得到X射线强度之比KY= IY / IO。 直接将测得的强度比KY当作试样中元素Y的重量浓度，其结果还有很大误差，通常还需进行三种效应的修正。即原子序数效应的修正，吸收效应修正，荧光效应修正。经过修正，误差可控制在±2%以内。

电子探针应用领域

电子探针的Z早应用领域是金属学。对合金中各组成相、夹杂物等可作定性和定量分析，直观而方便，还能较准确地测定元素的扩散和偏析情况。此外，它还可用于研究金属材料的氧化和腐蚀问题，测定薄膜、渗层或镀层的厚度和成分等，是机械构件失效分析、生产工艺的选择、特殊用材的剖析等的重要手段。

电子探针的主要用途

电子探针又称微区X射线光谱分析仪、X射线显微分析仪。其原理是利用聚焦的高能电子束轰击固体表面，使被轰击的元素激发出特征X射线，按其波长及强度对固体表面微区进行定性及定量化学分析。主要用来分析固体物质表面的细小颗粒或微小区域，Z小范围直径为1μm左右。分析元素从原子序数3(锂)至92(铀)。感量可达10-14至10-15g。近年形成了扫描电镜-显微分析仪的联合装置，可在观察微区形貌的同时逐点分析试样的化学成分及结构。广泛应用于地质、冶金材料、水泥熟料研究等部门。

电子探针的具体应用

由于电子探针需要在真空环境下对样品进行微区化学成分定性和定量分析，且分析灵敏度很高，所以电子探针在科学检测领域运用很广。下面简要介绍一下电子探针在地学、材料学中的应用。

1、电子探针测定地质体的年龄

前电子探针测试技术，只有用U，Th，Pb对锆石、独居石的测年发展的较为成熟。研究表明，电子探针测定的化学年龄均在传统的同位素法测定年龄的范围之内，尤其是较古老的地质体，其测试精度高。

另外，由于电子探针的原位分析和高空间分辨率特点，为区域大地构造和显微构造的形成提供了一种全新的地质年代数据，从而为变质、变形作用过程中P(压力)一T(温度)一t(时间)一D(变形)之间的关系提供了时间的制约，为解决显微构造和结构分析长期存在的问题提供了新的方法。

同时，该技术也长用于岩石、矿物和矿床学中，可对矿石的来源、不同矿物的不同环带、不同世代的成分演化乃至时间演化进行分析，据此可以得到许多岩石结构、矿床成因、变质作用及地质找矿等方面的信息。

2、电子探针在材料学的应用

材料在使用过程中不可避免地会遭受环境的侵蚀。为保护母材，成品件常常需要进行表面防腐处理。有时为利于加工，在工序之间也进行镀膜处理。由于镀膜的表面形貌和深度对使用性能具有重要影响。镀膜的深度很薄，由于光学显微镜放大倍数的局限性，使用镜相方法检测镀膜的深度和镀层与母材的结合情况比较困难，而电子探针却可以很容易完成。

使用电子探针观察分析镀层表面形貌是方便、易行的有效方法，样品无需制备，只需直接放入样品室内即可放大观察。电子探针可得知材料表面有无凹陷、凸出以及裂纹、毛刺和起皮等。