电子探针的工作原理

电子探针是一种利用电子束作用样品后产生的特征X射线进行微区成分分析的仪器，可以用来分析薄片中矿物微区的化学组成。除H、He、Li、Be等几个较轻元素外，还有U元素以后的元素以外都可进行定性和定量分析。电子探针的大批量是利用经过加速和聚焦的极窄的电子束为探针，激发试样中某一微小区域，使其发出特征X射线，测定该X射线的波长和强度，即可对该微区的元素作定性或定量分析。

电子探针显微分析原理及其发展的初期是建立在X射线光谱分析和电子显微镜这两种技术基础上的，该仪器实质上就是这两种仪器的科学组合。电子探针是运用电子所形成的探测针(细电子束)作为X射线的激发源来进行显微X射线光谱分析的仪器。分析对象是固体物质表面细小颗粒或微小区域，Z小范围直径为1μm。

电子探针可测量的化学成分的元素范围一般从原子序数12(Mg)至92(U)，原子序数大于22的元素可在空气通路的X射线光谱仪上进行测量。电子探针的灵敏度低于X射线荧光光谱仪，原因是电子探针X射线的本底值高于后者，但电子探针的感量比其他仪器都高。此外，后期生产的仪器，可作X射线背散射照相、透视照相。能兼作透射电镜、能进行电子衍射、能作电子荧光观察等。

diyi台电子探针是法国制成的，是在1949年用电子显微镜和X射线光谱仪组合而成。1953年前苏联制成了X射线微区分析仪，以后英、美等国陆续生产。diyi台扫描电子探针仪是美国于1960年制成，不仅能对试样作点或微区分析，而且能对样品表面微区进行扫描。原子序数12至22的元素要在真空下进行成分测定，原子序数12以内的元素需要增添一些特殊设备才能分析。原子序数50以上的元素用L系X射线光谱进行分析，原子序数50以下的元素也可以分析，如Sn(50)可用K系x射线光谱进行分析。

电子探针的优点

1、能进行微区分析。可分析数个μm3内元素的成分。

2、能进行现场分析。无需把分析对象从样品中取出，可直接对大块试样中的微小区域进行分析。把电子显微镜和电子探针结合，可把在显微镜下观察到的显微组织和元素成分联系起来。

3、分析范围广。Z>4其中，波谱：Be—U，能谱：Na—U。

电子探针的功能及特色

电子探针可以对试样中微小区域(微米级)的化学组成进行定性或定量分析。可以进行点、线扫描(得到层成分分布信息)、面扫描分析(得到成分面分布图像)。还能全自动进行批量(预置9999测试点)定量分析。由于电子探针技术具有操作迅速简便(相对复杂的化学分析方法而言)、实验结果的解释直截了当、分析过程不损坏样品、测量准确度较高等优点，故在冶金、地质、电子材料、生物、医学、考古以及其它领域中得到日益广泛地应用，是矿物测试分析和样品成分分析的重要工具。

电子探针的技术支持

电子光学系统

该系统为电子探针分析提供具有足够高的入射能量，足够大的束流和在样品表面轰击殿处束斑直径近可能小的电子束，作为X射线的激发源。为此，一般也采用钨丝热和2-3个聚光镜的结构。 为了提高X射线的信号强度，电子探针必须采用较扫描电镜更高的入射电子束流(在10-9-10-7A范围)，常用的加速电压为10-30 KV，束斑直径约为0.5μm。

电子探针在镜筒部分与扫描电镜明显不同之处是由光学显微镜。它的作用是选择和确定分析点。其方法是，先利用能发出荧光的材料(如ZrO2)置于电子束轰击下，这是就能观察到电子束轰击点的位置，通过样品移动装置把它调到光学显微镜目镜十字线交叉点上，这样就能保证电子束正好轰击在分析点上，同时也保证了分析点处于X射线分光谱仪的正确位置上。在电子探针上大多使用的光学显微镜是同轴反射式物镜，其优点是光学观察和X射线分析可同时进行。放大倍数为100-500倍。

X射线谱仪

电子束轰击样品表面将产生特征X射线，不同的元素有不同的X射线特征波长和能量。通过鉴别其特征波长或特征能量就可以确定所分析的元素。利用特征波长来确定元素的仪器叫做波长色散谱仪(波谱仪)，利用特征能量的就称为能量色散谱仪(能谱仪)。

电子探针的工作原理

电子探针(Electron Probe Microanalysis-EPMA)的主要功能是进行微区成分分析。它是在电子光学和X射线光谱学原理的基础上发展起来的一种高xiao率分析仪器。

其原理是：用细聚焦电子束入射样品表面，激发出样品元素的特征X射线，分析特征X射线的波长(或能量)可知元素种类；分析特征X射线的强度可知元素的含量。

其镜筒部分构造和SEM相同，检测部分使用X射线谱仪，用来检测X射线的特征波长(波谱仪)和特征能量(能谱仪)，以此对微区进行化学成分分析。

X射线谱仪是电子探针的信号检测系统，分为：

能量分散谱仪(EDS)，简称能谱仪，用来测定X射线特征能量。

波长分散谱仪(WDS)，简称波谱仪，用来测定特征X射线波长。

WDS组成：波谱仪主要由分光晶体和X射线检测系统组成。

原理：根据布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经过一定晶面间距的晶体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角。通过连续地改变q，就可以在与X射线入射方向呈2q的位置上测到不同波长的特征X射线信号。根据莫塞莱定律可确定被测物质所含有的元素。

为了提高接收X射线强度，分光晶体通常使用弯曲晶体。

WDS工作原理

已知电子束入射样品表面产生的X射线是在样品表面下一个um量级乃至纳米量级的作用体积发出的，若该体积内含有各种元素，则可激发出各个相应元素的特征X线，沿各向发出，成为点光源。在样品上方放置分光晶体，当入射X波长、入射角、分光晶体面间距d之间满足2dsinq = l时，该波长将发生衍射，若在其衍射方向安装探测器，便可记录下来。由此，可将样品作用体积内不同波长的X射线分散并展示出来。

上述平面分光晶体使谱仪的检测效率非常低，表现在：固定波长下，特定方向入射才可衍射；处处衍射条件不同;要解决的问题是：分光晶体表面处处满足同样的衍射条件；实现衍射束聚焦 把分光晶体作适当的弹性弯曲，并使X射线源、弯曲晶体表面和检测器窗口位于同一个圆周上，就可以达到把衍射束聚焦的目的。该圆称为聚焦圆，半径为R。此时，如果晶体的位置固定，整个分光晶体只收集一种波长的X射线，从而使这种单色X射线的衍射强度大大提高。

EDS工作原理

利用不同元素X射线光子特征能量不同特点进行成分分析锂漂移硅能谱仪Si(Li)框图加在Si(Li)晶体两端偏压来收集电子空穴对→(前置放大器)转换成电流脉冲→(主放大器)转换成电压脉冲→(后进入)多通脉冲高度分析器，按高度把脉冲分类，并计数，从而描绘I-E图谱。

当特征能量ΔΕ的X射线光子由Si(Li)检测器收集时，在Si(Li)晶体内将激发出一定数目的电子—空穴对。

假定产生一个空穴对的Zdi平均能量为ε(固定的)，则由一个光子造成的空穴对数目为：

N — 一个X射线光子造成的空穴电子对的数目

ε — 产生一个空穴对的Zdi平均能量

ΔΕ — 特征能量

工作过程

加在Si(Li)晶体两端偏压来收集电子空穴对→ (前置放大器)转换成电流脉冲→ (主放大器)转换成电压脉冲→ (后进入)多通脉冲高度分析器，按高度把脉冲分类，并计数，从而描绘I-E图谱。

能谱仪分析特点：

具有以下优点(与波谱仪相比)

能谱仪探测X射线的效率高。

在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。

结构简单，稳定性和重现性都很好(因为无机械传动)，不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。

具有以下缺点和不足：

分辨率低：Si(Li)检测器分辨率约为160eV；波谱仪分辨率为5-10eV

能谱仪中因Si(Li)检测器的铍窗口限制了超轻元素的测量，因此它只能分析原子序数大于11的元素；而波谱仪可测定原子序数从4到92间的所有元素。

能谱仪的Si(Li)探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。