X射线能谱操作规程

X射线能谱操作规程

X射线能谱分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX/EDS）作为一种广泛应用于材料科学、地质学、环境科学、医学以及工业质量控制的无损分析技术，其核心在于通过检测样品激发产生的特征X射线能量，从而实现元素成分的定性与定量分析。本规程旨在为实验室、科研、检测及工业界的操作人员提供一套系统、规范的操作指南，确保分析结果的准确性、可靠性，并保障仪器设备的安全运行。

仪器准备与样品放置

1. 仪器自检与校准：

   
   
   • 开机前，检查真空系统是否正常，真空度是否达到规定值（通常优于 $1 \times 10^{-4}$ Pa）。
   • 检查探测器冷却系统（如液氮或半导体制冷）是否正常工作，温度是否稳定。
   • 进行能谱仪的能量校准，通常使用标准物质（如Cu、Au、Ag等）或内置校准源，确保能量分辨率和峰位准确。校准频率根据使用情况，一般建议每周一次。
   • 检查X射线发生器的灯丝状态、加速电压和束流稳定性。
   
   

2. 样品制备与放置：

   
   
   • 样品类型：适合EDX分析的样品包括固体、粉末、液体（需特殊载体）等。对于粉末样品，建议制成压片或粘附在导电胶上。
   • 样品表面：样品表面应平整、清洁，避免油污、灰尘或氧化层，这些杂质会影响X射线的激发和收集效率。若样品表面有导电性差的区域，可考虑在样品边缘或背面使用导电胶或碳导带连接到样品台上，以防止电荷累积。
   • 样品台放置：将样品牢固地固定在样品台上。调整样品台高度，使其尽可能接近扫描电镜（SEM）或透射电镜（TEM）的物镜光阑，缩短X射线传输路径，提高收集效率。推荐的样品台倾斜角度通常在0°到30°之间，具体取决于仪器设计和分析需求。
   
   

EDX能谱采集步骤

1. 显微镜参数设置：

   
   
   • 加速电压：根据分析目标选择合适的加速电压。一般而言，轻元素分析需要较高电压（如10-20 kV），重元素分析或表面分析可选择较低电压（如5-15 kV）。电压过高可能导致基体效应增强，过低则会降低对重元素的激发效率。
   • 束流：束流大小影响信号强度和分析时间。一般建议束流设置在10-50 pA之间。过高的束流可能导致样品损伤或探测器过载。
   • 放大倍率：选择合适的放大倍率，确保待分析区域清晰可见，并覆盖足够大的区域以获得代表性数据。
   
   

2. EDX探测器工作条件设置：

   
   
   • 探测器位置：将探测器推近样品，但需确保不会与电子束发生碰撞。通常，探测器与样品台的距离在20-40 mm之间，倾斜角为0°到35°（相对于样品表面法线）。
   • 探测器窗口：根据分析元素的能量范围选择合适的探测器窗口（如Be窗口、薄膜窗口、超薄窗口等）。Be窗口适用于分析低至B（硼）的元素，超薄窗口则能更好地分析C、N、O等超轻元素。
   • 计数率：监控EDX能谱仪的计数率。理想的计数率通常在1000-5000 cps（counts per second）之间。过高的计数率会导致探测器堆叠效应（pulse pile-up）增加，影响谱图质量和定量准确性。
   • 采集时间：采集时间取决于所需的统计精度和样品本身的信号强度。一般分析单点元素信息，采集时间为30-120秒；进行元素分布图（mapping）采集时，根据采集点数和每个点的时间，总采集时间可能长达数十分钟甚至数小时。
   
   

3. 能谱采集：

   
   
   • 单点分析：在SEM/TEM图像中选择感兴趣的区域，进行单点能谱采集。
   • 区域扫描/元素分布图：设置扫描区域，采集区域内各点的能谱信息，生成元素分布图，直观展示元素的空间分布。
   • 线扫描：沿指定线段进行能谱采集，观察沿线的元素浓度变化。
   
   

数据处理与分析

1. 能谱去卷积与背景扣除：

   
   
   • EDX谱图通常包含本征X射线峰、连续谱背景以及可能存在的探测器响应和电子束激发产生的荧光信号。
   • 使用软件进行背景扣除，通常采用高斯拟合、指数拟合或贝塞尔拟合等算法，以获得纯净的X射线峰。
   • 对于重叠峰，需要进行峰拟合（peak fitting）以分离和准确测量各元素的峰面积。
   
   

2. 定性分析：

   
   
   • 根据谱图中X射线峰的能量值，与元素X射线能量数据库进行比对，识别样品中存在的元素。EDX能谱通常主要显示K、L、M壳层跃迁产生的X射线。
   • 常见的X射线能量范围：Kα（0.1-10 keV），Lα（0.1-5 keV），Mα（0.1-2 keV）。
   
   

3. 定量分析：

   
   
   • ZAF校正：基于原子序数(Z)、吸收(A)和荧光产额(F)效应，对能谱数据进行定量校正。适用于基体效应显著的样品。
   • 基本参数法（Fundamental Parameter Method）：无需标准样品的定量方法，直接根据理论模型计算元素含量。
   • 标准法：使用与样品成分相似的标准样品进行校准，以获得更准确的定量结果。
   
   

数据统计与报告：

• 对于重复性分析，应记录每次分析的平均值、标准偏差。
• 定量结果通常以质量百分比（wt%）或原子百分比（at%）表示。
• 数据报告应包含分析仪器型号、关键操作参数（加速电压、束流、计数率、采集时间）、样品信息、分析方法以及最终的定性/定量结果。

安全注意事项

1. 辐射防护：X射线发生器运行时会产生X射线辐射，操作人员应遵守相关的辐射安全规定，非必要情况下避免直接暴露于X射线束。
2. 仪器维护：定期检查仪器的真空系统、冷却系统、X射线管等部件，发现异常及时报修。
3. 高压安全：X射线发生器和显微镜内部存在高压部件，非专业人员不得擅自拆卸。
4. 液氮安全：如使用液氮冷却探测器，应注意防冻伤和窒息风险，确保通风良好。