能谱仪

1. 能谱仪 的结构、原理及其使用

2. 一、实验目的 • 结合场发射扫描电镜Sirion 200附件GENESIS60E型X-射线能谱仪，了解能谱仪的结构及工作原理。 • 结合实例分析，熟悉能谱分析方法及应用。 • 学会正确选用微区成分分析方法及其分析参数的选择。

3. 二、能谱仪结构及工作原理 X射线能量色散谱分析方法是电子显微技术最基本和一直使用的、具有成分分析功能的方法，通常称为X射线能谱分析法，简称EDS或EDX方法。

4. 二、能谱仪结构及工作原理 • 特征X射线的产生 • 产生：内壳层电子被轰击后跳到比费米能高的能级上，电子轨道内出现的空位被外壳层轨道的电子填入时，作为多余的能量放出的就是特征X射线。 • 特点：特征X射线具有元素固有的能量，所以，将它们展开成能谱后，根据它的能量值就可以确定元素的种类，而且根据谱的强度分析就可以确定其含量。

5. 二、能谱仪结构及工作原理 • X射线探测器的种类和原理 展成谱的方法： • X射线能量色散谱方法(EDS:energy dispersive X-ray spectroscopy) • X射线波长色散谱方法(WDS：wavelength dispersive X-ray spectroscopy) 在分析电子显微镜中均采用探测率高的EDS。从试样产生的X射线通过测角台进入到探测器中。

6. 二、能谱仪结构及工作原理 图1 EDS系统框图

7. 二、能谱仪结构及工作原理 为了使硅中的锂稳定和降低FET的热噪声，平时和测量时都必须用液氮冷却EDS探测器。 保护探测器的探测窗口有两类: • 铍窗口型（beryllium window type） 这种探测器使用起来比较容易，但是，由于铍薄膜对低能X射线的吸收，所以，不能分析比Na(Z＝11)轻的元素。 • 超薄窗口型（UTW type : ultra thin window type） 它吸收X射线少，可以测量C(Z＝6)以上的比较轻的元素。

8. 二、能谱仪结构及工作原理 • EDS的分析技术 （1）X射线的测量 当用强电子束照射试样，产生大量的X射线时，系统的漏计数的百分比就称为死时间Tdead,它可以用输入侧的计数率RIN和输出侧的计数率ROUT来表示： Tdead＝（1－ROUT/RIN）×100％

9. 二、能谱仪结构及工作原理 （2）空间分辨率 图2示出入射电子束的直径和电子束在试样内的扩展，即X射线产生区域的示意图。 在分析电子显微镜的分析中，电子束在试样中的扩展对空间分辨率是有影响的，加速电压、入射电子束直径、试样厚度、试样的密度等都是决定空间分辨率的因素。

10. 二、能谱仪结构及工作原理 图2 入射电子束在试样内的扩散

11. 二、能谱仪结构及工作原理 （3）峰/背比（P/B） • 按照札卢泽克（Zaluzec）理论，探测到的薄膜试样中元素的X射线强度N的表示式如下： N=(IσωpN0ρCtΩ)/4επM 式中： I——入射电子束强度； σ——离化截面； ω——荧光产额； ρ——密度； p——关注的特征X射线产生的比值； N0——阿弗加德罗常数； C——化学组成（浓度）（质量分数，％）； t——试样厚度； Ω——探测立体角； ε——探测器效率； M——相对原子质量。

12. 二、能谱仪结构及工作原理 （4）定性分析 为保证定性分析的可靠性，采谱时必须注意两条： 第一，采谱前要对能谱仪的能量刻度进行校正，使仪器的零点和增益值落在正确值范围内； 第二，选择合适的工作条件，以获得一个能量分辨率好，被分析元素的谱峰有足够计数、无杂峰和杂散辐射干扰或干扰最小的EDS谱。

13. 二、能谱仪结构及工作原理 • ①自动定性分析 自动定性分析是根据能量位置来确定峰位，直接单击“操作/定性分析”按钮，即可实现自动定性分析，在谱的每个峰的位置显示出相应的元素符号。 • ②手动定性分定性分析 自动定性分析优点是识别速度快，但由于能谱谱峰重叠干扰严重，自动识别极易出错为此分析者在仪器自动定性分析过程结束后，还必须对识别错了的元素用手动定性分析进行修正。

14. 二、能谱仪结构及工作原理 （5）定量分析 定量分析是通过X射线强度来获取组成样品材料的各种元素的浓度。根据实际情况，人们寻求并提出了测量未知样品和标样的强度比方法，再把强度比经过定量修正换算呈浓度比。最广泛使用的一种定量修正技术是ZAF修正。本软件中提供了两种定量分析方法：无标样定量分析法和有标样定量分析析法。

15. 二、能谱仪结构及工作原理 （6）元素的面分布分析方法 用扫描像观察装置，使电子束在试样上做二维扫描，测量特征X射线的强度，使与这个强度对应的亮度变化与扫描信号同步在阴极射线管CRT上显示出来，就得到特征X射线强度的二维分布的像。

16. 三、实验步骤与方法 • 样品和电子扫描显微镜 （1）为了得到较精确的定性、定量分析结果，应该 对样品进行适当的处理，尽量使样品表面平整、光洁和导电。

17. 三、实验步骤与方法 （2）调整电子扫描显微镜的状态，使X射线EDS探测器以最佳的立体角接收样品表面激发出了特征X光子。 • 调理电镜加速电压。 • 调整工作距离、样品台倾斜角度以及探测器臂长。 • 调整电子束对中和束斑尺寸，使输入计算率达到最佳。

18. 三、实验步骤与方法 （3）定性、定量分析结果是放在电镜样品室 里样品表面区域的元素原子和重量百分比。 放大倍数越大，作用样品区域越小。要正确选择作用区域，才可能得到正确的结果。

19. 三、实验步骤与方法 • 快捷启动GENESIS60E（见图3） ①根据计数率选择时间常数(Amp time),使死时间在20%-40%之间。 ②根据需要可以予置收集时间，这将自动停止谱线收集。 ③使用收集键(“Collect”)开始和停止谱线收集。 ④要调节对谱线的观察 。 ⑤点击峰识别(“Peak Id”)键，进行自动峰识别。

20. 三、实验步骤与方法 图3 快捷启动GENESIS60E 操作界面示意图

21. 三、实验步骤与方法 ⑥“HPD”键用于峰的识别和确定。 ⑦送入谱线标识,最多216个字母。 ⑧点击定量分析“Quantify”键，得到无标样定量分析结果。 ⑨在结果对话框中选择打印键，可以将谱线和定量分析结果打印在一页纸上。 ⑩点击存储键并选择文件名（后缀为.spc）和路径。

22. 三、实验步骤与方法 • 仪器的安全注意事项 ①不要用手或用其他东西去触碰窗口，不论是铍窗还是Norvar超薄窗口，都是很易破碎的，因此用户使用时，不要触碰窗口。 ②不要企图自己清洗窗口，如果要清洗，一定要征询专业技术人员的支持。 ③不要摇动探头。 ④在使用中要避免样品或样品台碰到探头上。 ⑤不要用任何热冲击、压缩空气或者腐蚀性的东西接触窗口。

23. 三、实验步骤与方法 • ⑥铍是一种剧毒物，而且很脆，因此千万不要用手或者皮肤去碰被窗。 • ⑦如果探头使用液氮，不要使液氮罐中的液氮干了。己经干了，再灌入液氮后不能马上开机，一定要等4小时以后才能开启能谱仪电源，为了避免液氮罐中结冰，不要等液氮快用完了才灌新的液氮，一般一星期最好灌二次较好。

24. 四、能谱分析举例 • 化学成分分析 • 元素的线分析 • 元素的面分布

25. 四、能谱分析举例 • 化学成分分析 优点： ①快速，全谱一次收集，分析一个样品只需几分钟至几十分钟 ②不破坏样品 ③可以把样品的成分和形貌乃至结构结合在一起进行综合分析

26. 四、能谱分析举例 EDS谱线收集完毕后定量计算的结果，给出了重量和原子百分比。 EDS谱线实时收集的结果，纵坐标是X射线光子的计数率CPS，横坐标是元素的能量值（KeV）。 图4 EDS应用实例一——成分分析

27. 四、能谱分析举例 • 元素的线分析 图5 是EDS应用实例之二——元素的线分析。图中的白线是电子束扫过的分析区域，它通过了晶内及块状相（线的正中间白色）、晶界（线的右边白色）。从元素的分析结果可以看出：正中间白色块状相主要含Cu、Ni、Er元素，右边白色晶界上的相主要含Cu、Ni、Er、Mg和Zr元素。

28. 四、能谱分析举例 图4 EDS应用实例之二——元素的线分析

29. 四、能谱分析举例 • 元素的面分布 图6 是EDS应用实例之三——元素的面分布。图中区域1是我们在电镜中看到的形貌。图中区域2、3、4是EDS信号收集完毕后给出的不同元素的定性结果。说明图中区域1中间的白点和右下边白色三角区域都有元素的偏聚。

30. 四、能谱分析举例 图6 EDS应用实例之三——元素的面分布

31. 五、实验报告要求 • 简要说明能谱仪的工作原理（X射线的接收、转换及显示过程）。 • 结合自己的课题（或实验），简述能谱仪在材料科学中的应用。 • 针对实际分析用的样品，说明选择能谱分析参数的依据。

32. END！