微區X射線光譜分析儀的分析應用

　　電子探針全稱電子探針X 射線顯微分析儀，又稱微區X射線光譜分析儀，是一種利用電子束作用樣品后產生的特征X射線進行微區成分分析的儀器，英文簡稱為EPMA。

　　可用來分析薄片中礦物微區的化學組成，分析對象是固體物質表面細小顆粒或微小區域，最小范圍直徑為1μm。除H、He、Li、Be等幾個較輕元素外，還有U元素以后的元素以外都可進行定性和定量分析。

　　其優點在于能夠觀察樣品表面的形貌特征、進行微區成分的相關分析等，實現對材料的定性、定量、線、面等分析。除此之外，電子探針還能夠對樣品表面呈現的二次電子像、X-ray 像、吸收電子像、背散射電子像等進行觀察和分析。

　　電子探針在對物品進行觀察和分析時，通常采用磨平或拋光等處理手段使樣品表面保持光滑平整，以此得到類納米級別的微觀相分布，便于分析領域的人員對微觀區域的準確定位與分析。隨著分辨率的提高，電子探針分析方法已在冶金、地質偵探、半導體材料、化工化學、生物醫學等領域拓展，并發揮著重要的分析作用。

　　工作原理

　　當匯聚的直徑較細的一束電子束對樣品表面進行轟擊時，入射電子將與樣品的原子核乃至核外電子發生彈性或非彈性的散射作用，使樣品形貌特征、內部結構、元素成分等信息被激發反射出來，具體如二次電子、特征X射線、背散射電子等。其配備的顯微鏡，能夠幫助分析工作者直接對樣品實施分析，使分析的試樣置于羅蘭圓或聚焦圓上，使材料定量分析的準確性得到保證，后續還需利用波譜儀或能譜儀對樣品反射出的光波信號與不同成分的光波信號相比對和分析，從而確定出微小區域內成分的種類及含量。

　　高能電子束入射到樣品表面激發產生的X射線具有確定的特征波長和能量。由莫塞萊定律可知，ν1/2＝R(Z-σ)，式中ν為X射線頻率，Z為原子序數，R和σ為常數，且σ 約等于1。又λ=c/ν，ε=hν，式中c 為光速，h 為普朗克常數，λ 為特征X射線的波長，ε 為特征X射線的能量。

　　可以看出，電子探針激發樣品表面產生的特征X射線波長和能量取決于樣品元素的原子序數，只要知道樣品中激發出的特征X射線的波長或能量就能確定試樣中的待測元素，測量特征X射線強度就可以確定相應的元素含量，這就是電子探針的基本原理。

　　結構組成

　　主要由電子光學系統、真空室、樣品室、X射線分光系統和計算機檢測系統等組成。

　　電子探針的電子光學系統，真空室和樣品室與掃描電子顯微鏡相同，樣品臺可以上下左右移動或旋轉。高能電子束可照射到樣品上任意需要分析的區域，掃描線圈控制電子束在樣品上掃描，就可以得到與掃描電子顯微鏡(SEM)一樣的背散射電子圖像或二次電子圖像，只是圖像的分辨率不如掃描電子顯微鏡。

　　X射線分光系統分為兩種：一種是利用分光晶體(布拉格衍射定律)檢測特征X射線波長的波譜儀(簡稱WDS)，是電子探針主要的檢測方式；另一種是利用硅半導體檢測器直接檢測X射線能量的能譜儀(簡稱EDS)。一般將EDS作為附件安裝在掃描電子顯微鏡上檢測元素，有時也用作電子探針的輔助檢驗手段。

　　樣品制備

　　要求：

　　· 樣品大小要合適；

　　· 薄片和砂薄片不能加蓋玻璃；

　　· 樣品表面有良好的的導電和導熱；

　　· 樣品表面盡量磨得很平，表面干凈無污染；

　　· 明確分析區域位置；

　　· 確定分析內容：分析位置、分析元素、分析方式。

　　制備：

　　· 粉末樣品

　　直接撒在樣品座的雙面碳導電膠上，用平的表面物體壓緊，再用洗耳球吹去粘結不牢固的顆粒，也可采用環氧樹脂等鑲嵌材料將樣品包埋后，進行粗磨、細磨及拋光方法制備。

　　· 塊狀樣品

　　可用環氧樹脂等鑲嵌后，進行研磨和拋光，較大的塊狀樣品也可直接研磨和拋光。

　　· 鍍膜

　　樣品加工后，蒸鍍金或者碳等導電膜，再分析。形貌觀察時，可蒸鍍金導電膜，成分定性，定量分析，必須蒸鍍碳導電膜。鍍膜要均勻，厚度控制在20nm左右。標樣和樣品應同時蒸鍍。

　　分析特點

　　微區分析電子探針分析區域可以是幾個立方微米，能將微區化學成分與顯微結構對應起來進行點分析(用于選定點的全譜定性分析或其中所含元素的定量分析)，線分析(用于顯示元素沿選定直線方向上的含量變化)和面分析(用于觀察元素在選定微區內含量分布)；

　　元素分析范圍廣配置了能譜儀的電子探針分辨率高，峰背比高，定量分析準確，但樣品表面要平整光滑以方便聚焦；

　　不損壞試樣電子探針能同時利用掃描電子束得到二次電子或背散射電子的形貌圖像(但是形貌效果不如掃描電子顯微鏡)，可以獲得更低的元素檢出限，定量分析更準確，特別是微區分析表現突出。

　　自電子探針問世以來，其憑借定量更準確，分析元素更廣等明顯優勢活躍在多個領域，為各類學科提供技術加持和寶貴的學術依據。

　　在地質學方面，電子探針主要用于分析鑒定巖礦，檢查細小的疑難礦物，揭示礦物內部化學性質的變化，推斷成巖成礦的地質狀況，測定共存相或實驗巖石學、實驗礦物學的產物，確定礦床的物質組成與元素的賦存狀態等。

　　在金屬學方面，電子探針主要用于測定合金、金屬間化合物、偏析、夾雜和脫溶物的組成，分析金屬界面的共存相和熱處理所形成的相變，確定平衡相的成分，考察金屬在氣相或液相介質中的腐蝕和氧化機理，測定金屬滲層、鍍層并研究在邊界的擴散，觀察金屬斷口的形態特征等。

　　在材料學方面，電子探針則被用于測定材料的成分，檢查元素的分布狀態和缺陷，為找尋材料的損壞原因提供關鍵證據。

　　在生物學和醫學方面，電子探針的應用研究成果更多，包括牙齒與骨骼鈣化程度和元素分布狀態的研究；頭發生長紋理同人的健康和精神狀態的關系；移植材料對周圍組織和軀體的化學影響；正常細胞與變態細胞的局部化學分析；毒理學研究，即跟蹤毒性元素在生物體中的聚集，研究化學元素對生物的毒性等。

　　電子探針提供大量的技術支持和的數據支撐，有力地推動多個學科理論的發展，為理論、實踐的綜合利用作出重要貢獻。

　　分析應用

　　1、合金中的相與夾雜物分析

　　使用電子探針來分析合金中的相及夾雜物的一大優勢在于，能使材料成分信息和物質形貌特征形成對照，且能夠對夾雜物中存在的每個相進行識別，使材料分析的結果更為準確。電子探針與波譜儀組合可形成能夠配合結構分析的組合儀器。科學家曾用這種組合儀器對18-8 型不銹鋼進行了晶界析出相分析。伴隨著圖像處理技術的升級，使得現在的材料分析可以按照夾雜物內物質的濃度差或元素的類型予以各樣式的分布統計及呈現定量相的分析結果。

　　2、擴散反應類分析

　　在擴散研究中起到推動作用的是放射性同位素的研發與應用。而利用電子探針結合圖像處理儀形成的濃度 -深度曲線不僅比上述提到的放射性同位素法更為方便，而且準確率也得到了提升，但由于電子探針分析方法無法在自擴散中發揮作用，因此不能全然代替放射同位素法。在擴散研究中除了自擴散還有反應擴散現象，該現象在金屬類材料的加工及各種反應中廣泛出現，如熱處理、氧化、腐蝕等。利用電子探針可以清晰地觀察物質反應擴散時元素的轉化及新物質的生成。。除了熱處理，電子探針還能在如氧化腐蝕類的表面改性反應中，探索到元素的遷移，為改進工藝，合成新物質提供有利助力。

　　3、軟X 射線光譜對元素分析

　　軟X 射線指波長大于0.5nm，能量低于2000ev 的X 射線。在激發過程中，牽涉了較多參與反應的電子，導致其激發的譜線形狀和能量同化合狀態的發生而出現變化。對這些變化進行研究能夠得到元素存在狀態的相關信息。上述理論在國外不少國家的電子探針分析研究中得到了驗證。

　　4、合金相圖分析

　　采用電子探針檢測合金相圖常見的有兩種方法：

　　一是稱擴散偶法，利用了兩種金屬或合金產出擴散偶，升溫一段時間后退火，測量不同物質的濃度曲線，得到二元或者三元系的等溫截面，也可利用三種濃度較純的金屬制成“品”字形的擴散偶測量其三元系相圖；

　　二是退火淬火法，將多種相位共存的樣品放在一起，升溫一段時間后退火，使合成物達到平衡后實施淬火，隨后利用電子探針測量混雜物各相的成分，并繪制該溫度下的等溫截面。

　　以上兩種方法的優勢在于，不僅降低了樣品的數量，且可直接測量混合物的均勻性，若退火后混合物各相平衡，既可獲得各相的成分，也可獲得連接線；若退火后混合物各相未達到平衡，則可通過測定相界面兩邊的物質成分計算出相界，以此獲得未平衡狀態下的低溫相圖。

　　5、顯微偏析

　　對合金元素的偏析會對材料的性能產生大影響。研究表明，許多金屬材料出現失效的現象與元素偏析存在一定的關聯性。隨著世界航空航天事業的發展，對材料性能的要求也更為嚴格，科研人員研發出越來越多的金屬材料，現階段微量元素的分析以及對材料性能的影響已經成為研究的熱點，PPM 級別的微量雜質可能會對制造出的合金性能影響大。

　　6、輕元素分析

　　輕元素指的是碳、硼、氧、氮等元素，該類元素的分析一直是材料分析從業人員的難題，現階段對于此類元素的定性定量分析還存在不少需要修正的問題，具體為：

　　一是輕元素信號強度較低，主要是由輕元素在X 射線產額方面存在能力不足和長波輻射易被吸收這兩方面原因所導致的；

　　二是化學鍵合的影響，在對輕元素的特征X 射線進行激發時，可能內含鍵合電子，使其強度及形成的譜線形狀存在不穩定的情況，據研究表明，由鍵合電子引發的不穩定現象會使結果出現30% 左右的誤差；

　　三是受譜線干擾，重元素會生成高次射線，使其譜線出現重疊或者背景升高等現象；

　　四是與輕元素強度相關的分布函數暫無實驗數據支撐，現存的與吸收系數相關的數據缺乏說服力等。

　　所以，電子探針對金屬材料中輕元素的分析還存在一定的問題，需要科研人員繼續研究開發新的功能，使電子探針分析法發揮更大的作用。