现代测试技术教案冯Word文件下载.docx
- 文档编号:20721895
- 上传时间:2023-01-25
- 格式:DOCX
- 页数:33
- 大小:51.06KB
现代测试技术教案冯Word文件下载.docx
《现代测试技术教案冯Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《现代测试技术教案冯Word文件下载.docx(33页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
装置电子衍射系统。
法国的SX50型仪器,4道波谱仪和能谱仪,装有光学显微镜,可随时观察分析区域。
我国60年代初开始引进电子探针和扫描电镜,1965年第一台电子探针研制成功。
三扫描电子显微镜简介
扫描电镜的出现比电子探针早的多,可以说先有了电镜才有了探针。
1935年Ronil首次提出扫描电镜基本原理,1965年第一台扫描电镜有英国剑桥公司生产出。
分辨率50nm。
地质系、冶金、生物系统。
1973年以来,扫描电镜和探针组合在一起。
分辨率有所提高。
此外,扫描电镜除具有较多的图像处理外,还普遍配置X射线能谱仪用于成分分析。
另外,如附有其他配件,可用于特殊分析,如低温扫描和低压扫描电镜。
低温电镜扫描适应于超导材料的研究而开发出来的,装置低温液态氮,可以观察-150K以上的样品。
低压扫描电镜则是为了生物、有机纤维等精工特制的,要求电压小于1kV。
普通扫描电镜工作电压在5kV--10kV时,有机充电现象很普遍,如降低电压,必然会降低分辨率。
为此,更换电子枪。
普通SEM采用热钨丝电子枪和LaB6电子枪(都是电子发射)。
为使发射电子枪的亮度增加,现在出现了场致发射电子枪。
场发射扫描电镜是高代扫描电镜更新换代的主流。
目前,场发射扫描电镜的分辨率已达0.6nm(加速电压30kV)。
和2.5nm加速电压1kV)。
场致发射电子枪促使高分辨率和低能扫描电镜得到很大的发展。
场发射扫描电镜的发展主要表现在以下几个方面:
(1)进一步提高电子束照明源的工作稳定性、减少其闪烁噪音;
(2)进一步提高在低压下对大试样观察和分析的分辨率;
(3)开拓同低能扫描电子显微技术有关功能的新仪器技术。
四电子探针分析特点
(一)微区微量
X射线横向分布范围d=0.231*(E0---Ec)/ρ
ρ---离度、E0----入射电子束能量Ec---等元素特征X射线---临界激发能量。
分辨率=3d。
通常分辨率为2nm左右。
检测极限一般为100ppm。
(二)简便快捷
单矿物化学分析要求试样重n+---n0毫克,挑矿费时费力,不纯,所的分析数值为成千上万颗粒一平均值,无法知道颗粒间的差异。
电子探针—任何感兴趣颗粒或等颗粒内任何一个区域。
探针配有光学显微镜,可一边观察一边分析。
配计算机,数字处理自动化。
一个分析点只需五分钟左右。
(三)适用范围宽准确度高
分析元素4Be---92U,对样品含量1%以上的组分,相对误差在1%—2%以内。
(四)有多种分析方式
表面心态分析、定性分析、定量分析、纯分析和面分析为包裹体固流体出溶,相变的确定提供方便。
(五)不损坏样品
对分析鉴定珠宝有利。
五电子探针的分析功能
1图像功能
二次电子像、背散射电子成分像、背散射电子形貌像,电子隧道像。
P5图
2定性分析:
确定某一点所含的全部化学元素既相对含量
3定量分析:
确定某一点精确的化学成分
4线分析:
某一线段内某元素或某些元素的含量变化
5面分析:
某一区域内某元素或某些元素的含量变化,可以反映元素的赋存状态。
可分为
(1)X射线元素面扫描图像
(2)数值化元素面分析
6相分析:
准确反映某一区域内物像的种类及分布情况
7电子价态分析:
可以稳定地反映同一元素的不同价态。
P6图—4
第二节电子探针分析的物理基础
一电子与固体的相互作用
电子束轰击试样表面,与试样中心原子相互作用,导致入射电子方向、速度和能量仿生变化。
分弹性和非弹性两种过程。
入射电子和试样原子核的弹性碰撞称为弹性过程。
此时原子核与电子没有发生能量转换。
而非弹性过程则产生入射电子与原子中轨道电子的相互作用。
在此过程中,入射电子和靶原子间发生了能量转换而产生了二次电子。
背散射电子,俄歇电子,特征X射线、连续X射线和阴极荧光等。
(一)X射线产生机理
X射线是用于电子探针分析的最主要信息。
λ=hc/eE=1.2398/Eh—普朗克常数c—光速e—电子电荷E--X射线能量λ—波长
1.连续X射线(continumX-ray)
电子探针分析一般使用10-34kV的工作电压,入射电子具有很高的速度。
入射电子轰去样品,受到库仑场的作用而骤然减速,产生电子能量损失,于是辐射出X射线,这种辐射作用称为韧致辐射,入射电子的速度变化是连续的,辐射X射线的能量也是连续的,可以从0kV到样品原子的能量,所以称为连续X射线。
因此,当电子束轰去样品时,因为受到原子核库仑场的作用发生韧致辐射而形成具连续能量变化的X射线,称为连续X射线,连续X射线为背景(探针分析的背景)。
2特征X射线
样品组成元素原子中的电子受到入射电子轰击,若入射电子的能量大于元素的临界激发电压,就能够把某一轨道的电子轰击出来而产生空穴,使原子处于激发态。
此时,高能级的外层电子就会向低能级电子层中空穴跃迁,多数的能量以X射线的形式释放出来(图1-7P.7)。
由于不同元素原子结构不同,电子跃迁的方式不同。
因此线系的X射线的波长(或能量)有明显的差别。
由于电子轰击样品,使样品中被打击的微小区域内所含元素的原子激发而产生能表征元素的X射线,称为元素的特征X射线。
在探针分析时,表现为特征的峰,特征X射线与K系,L系,M系,N系,O系等(P8图)。
电子探针分析时,对原子序数小于36的元素通常选用强度最大的Kα线,对原子序数36-90的元素通常选用L线,对原子序数为82-92的元素,可选用Mα线。
3X射线峰/背比
在光谱分析中,影响检测的一个重要因素是背景的产生。
如在某特征X射线的波长位置有非特征辐射产生。
特征X射线的强度有以下关系式:
Ic=iB((Eo-Ec)/Ec)n
Ic为特征X射线强度,iB为电子束电流强度,Eo为射线电子能量,Ec为元素激发的临界能量,n为原子核内层电子数。
韧致辐射产生的连续X射线的强度Icm为:
Icm=iBZ((Eo-EV)/EV)
EV—韧致辐射的能量。
Z—元素的原子序数
因此,峰/背比为:
P/B=Ic/Icm=((Eo-Ec)/Ec)n/Z((Eo-EV)/EV)
假设Ec≈EV,则P/B=Ic/Icm=1/Z((Eo-Ec)/Ec)n-1
因此,当Eo-Ec增加时,峰/背升高,而检测限降低。
(二)背散射电子
也称反射电子,广义理解为电子入射到样品表面,从表面散射出来的电子,与入射电子方向相反,能量范围从0eV至入射的一次电子的能量的这部分电子。
广义上说,二次电子属于背散射电子的范畴,但背散射电子的能量较高(>
50eV)
为表征背散射电子产生的强度,需应入背散射系数η
η=nBSE/nB=iBSE/iB
nBSE=背散射电子数nB=入射电子数
iBSE=背散射电子流iB=到达样品的电子束的电流
背散射电子在扫描电镜或电子探针图像分析,它取决于
.成分,表面倾斜,结晶学特征和内部磁场.
1.背散射系数与原子系数之间的关系
η=-0.0254+0.016z-1.86*10-4z+8.3*10-7z
如果试样是多元素体系,则总背散射电子系数
ηT=∑Ciηi
Ci——元素含量ηi——元素的背散射电子数
由此可知,检测背散射系数能提供有关试样平均原子序数等信息,亦即背散射电子成分像形成的原理。
2.背散射系数与样品微形貌之间的关系
η=1/(1+cosθ)ρ
式中,ρ=9/z1/2θ为电子束与样品表面的夹角
因此,背散射电子的发射还与电子束的入射角和表面行貌有关,所以,除了成分信息外,背散射电子还能提供有关样品表面行貌的信息,亦即背散射电子形貌像形成的原理。
3.背散射电子数与电子束能量之间的关系
电子束能小于5keV时,背散射系数与电子束能量之间的关系比较复杂。
电子束降至1keV时,轻元素的背散射系数是增加的,而重元素的背散射电子系数是降低的。
对束能介于4keV-40keV时的情况,下列关系式可反映背散射系数的变化情况:
η(Z,E)=EmCm=0.138Z-0.9211/Z1/2
C=0.1904-0.2235(lnZ)+0.1292(lnZ)2+0.1491(lnZ)3
(三)二次电子
二次电子为能量小于50eV的背散射电子,但严格的说,入射的一次电子轰击试样原子,从原子的电子层中激发出的电子称为真正的二次电子。
因此,二次电子是束电子外强性散射过程中散射出来的样品电子才有可能逸出而被检测到。
因此,二次电子图像有很高的空间分辨率。
二次电子系数
δ=nSE/nB=iSE/iB
nSE——样品表面发出的二次电子数nB——入射到样品表面光束电子数
iSE——为二次电子电流iB——束电子电流(到达样品)
二.电子探针的基本原理
电子探针分析的基本原理:
电子枪电子束10kV-30kV高能电子束
电磁透镜聚焦小于1μm微束(激发源)轰击样品待分析微区在样品表面几个立方微米的范围产生特征x射线,二次电子,背散射电子等。
1913年,Moseley定律形成γ=C(Z-δ)γ-特征射线的波长Z-原子序数C、δ为常数(取决于线系)
通过测定特征X射线的波长,即可确定样品中含有哪些元素,这就是电子探针岩性分析。
保持相同的测试条件(电压、电流、检测器效率),将试样中所测得某元素A的特征X射线强度与标准样品中元素A的特征X射线强度相比,即得到x射线强度比Kα。
在经过原子序数修正,吸收效应修正和荧光效应修正(即ZAF修正)后,可得到准确的A元素的实际浓度,这就是电子探针的定量分析。
点分析:
将电子束照射在样品的某一个点上,对所产生的特征X射线进行定性或定量分析。
线分析:
如果将分光光谱仪固定在某个元素的特征X射线峰值波长位置,电子束静止不动,驱动马达使样品沿某一直线移动,可得到该线段内的某元素浓度的相对特征。
面扫描:
如果使电子束在样品表面二维面扫描,用样品中某元素的特征X射线信号调制显示屏上相应扫描点的宽度与密度,便得到相应该元素在样品表面二维浓度分布调制X射线图像。
除此而外,还有二次电子像,背散射电子像观察表面形貌和表面成分。
第三节电子探针仪器结构
电子探针大体有电子光学系统、x射线谱仪、光学显微镜系统、样品室、电子讯号检测系统、真空系统、计算机与自动控制系统等组成。
一.电子光学系统
包括电子枪、电磁透镜、光阑、探针电流检测器(法拉第杯)等。
P13图
二.射线谱仪
(一)x射线谱以的组成
由分光晶体、x射线探测器、精密机械系统和记录显示系统组成。
x射线谱仪的作用是:
x射线分光晶体正比计数管电讯号放大、整形、显示。
分光晶体,弯曲的矿物晶体,人工制造的分子薄膜晶体或人工剖蚀的光栅。
为了覆盖x射线的波长,目前用硬脂酸铅(STE),硫笨二甲酸氢铊(TAP),异式四醇(PET)和氟化锂(LiF)n中分子光晶体。
检测超轻元素用皂化层状薄膜晶体(LDE),测Be、B、O、C、F等。
X射线探测器包括计数管,前置放大器等。
(二)x射线晶体光学
电子探针分析要求测量由样品产生的元素特性x射线波长和强度。
把所测得的不同波长的x射线分开的两种方法。
晶体衍射法:
它是利用晶体转到一定的角度来衍射某种波长的x射线。
通过读出晶体不同衍射角来求出x射线波长,从而定出样品所含元素。
能谱分析法:
不需要分光晶体而直接将探测器接受的信号放大并进行脉冲幅度分析,通过选择不同脉冲脉度来确定入射x射线的能量,从而区分不同特征的x射线。
1.晶体衍射法的基础(原理)
nλ=2dsinθ布拉格各式定理
n表示衍射级数λ表示波长d表示面网间距θ表示衍射角
λ取决于样品中存在的元素x射线强度依赖于元素的相对含量
2.常用的衍射晶体
P15表1-1晶体、分子做规律定向排列的薄膜、光栅。
平面晶体衍射效率低、柱面弯晶好。
弯晶衍射有两种聚焦方式:
①Johan部分聚焦②Jhansson全聚焦(P16图1-14)
3.x射线谱仪的结构
目前采用反射式谱仪,即x射线源。
弯晶和检测器均位于罗兰圆上,其布置方式主要有三种:
(1)回转式:
晶体和检测器沿固定的罗兰图运动,这种方式要求检测器必须以2倍于晶体的速度运动θ=2θ
(2)直进式:
L/R=nλ/d
L晶体与光源之间的距离
R罗兰圆半径
(3)恒距式:
晶体与光源之间的距离固定,晶体不断弯曲,即L不变,R变化。
4.x射线检测器
用来检测x射线的强度与能量,包括计数管和前置放大器
三光学显微镜系统
用于观察样品,利于检测
四样品室
用于放置分析样品,样品室放有样品移动装置,可供样品在X、Y、Z轴主轴方向调整。
五电子讯号探测系统
包括二次电子探头、背散射电子探头和图象显示三大部分。
六真空系统
七计算机与自动控制系统
第四节样品制备
样品制备步骤(以定量分析为例)
(1)将所需研究的样品切割,磨制成光片或光薄片。
如果是薄片,上面不可有盖玻璃,所有黏合剂不能用加拿大树胶,只能用环氧树脂502胶。
(2)在光学显微镜下仔细寻找所要观察的区域,并用墨水圈出,并画出圈中各物相的关系图。
(3)将样品煅上一层碳膜
第五节电子探针定性分析
研究未知样品的第一步就是确定样品中含有哪些元素,这即是定性分析。
定性分析包括:
波长色散x射线光谱法,波谱分析法和能量色散x射线光波法——能谱分析。
一.能谱定量分析
它是根据探测器(正比计数管,闪烁计数管)输出脉冲幅度与入射x射线在检测器中的损耗能量之间的已知关系来确定x射线能量。
能谱仪由Si(Li)探头,前置放大器、整形放大器和多道分析器组成。
特点:
采用锂漂移硅半导体检测器,不需要分光晶体,能够对样品中产生的各元素的特征x射线同时检测,即整个x射线谱是同时记录的。
各元素特征x射线的能量值便是能谱分析的依据,半导体Si中电子——空穴对的平均能量为3.8eV,能量为正的λ射线光子将激发的电子——空穴对的数量N=E/3.8。
电流脉冲直接由N决定。
能谱分析的基本原理:
样品中同一元素的同一级系的特征x射线能量值各不相同。
利用能谱仪接受和记录样品中特征x射线全谱,并展示在屏幕上,然后移动光标,确定各谱峰的能量值通过查表和释谱,可测定出样品组成。
目前在计算机下自动进行
能谱分析的能量值范围为:
0.1keV-电子束能量值(为(20keV)。
能谱分析过程中必须注意的事项P21
二.波谱定性分析
基本原理:
在电子束的轰击下,样品产生组成元素的特征x射线。
然后由波谱仪的分光晶体分光,计数管接受并转换成脉冲信号。
最后由计数器显示记录下试样组成元素的特征x射线全谱。
根据Moseley和Brayer定律。
通过所获得的布拉格角θ,就能够求出每个峰的波长值。
L值定义为:
从x射线源到分光晶体的距离,它代表检测波谱仪位置的谱长。
L=nλ2R/d
与能谱分析EDS,波谱分析WDS具有以下优点:
1.具有高分辨率
2.高的峰/背比,检测器限大大优于能谱分析(波100ppm+-,能1000ppm+-)
3.WDS能分析Z>
=4的光子
WDS的缺点:
1.用时多,速度慢
2.WDS需要用较大的电源
第六节电子探针定量分析
一.电子探针元素定量分析的基本原理
一定的电子探针分析测量条件下,样品组成元素的相对百分含量与某元素产生的特征X射线的强度(计数率CPS,countpersecond)成分比。
Ci/C(i)=Ii/I(i)=K
Ci——样品中i元素含量C(i)——标准样品中i元素含量I——X射线强度
二.定量分析数据的预处理
(一)背景修正P25
(二)死时间修正
n=n’(1-n’τ)n’——实测计散率,n——死时间修正后的计散率τ——死时间
(三)ZAF修正
经背景修正和死时间修正后是远远不够的,因为X射线强度比与多元素是质量浓度之间并外呈简单的线形关系,还有两方面的因素,即内因和外因。
内因:
1.试样和标样对入射电子的原子序数效应。
2.试样和标样对X射线的吸收效。
3.试样和标样对X射线的荧光效应。
外因:
电子入射角、X射线的出射角以及电子加速电压等。
在保证外因影响最弱的情况下,内因的校正是最重要的工作,即ZAF校正。
ZAF校正技术充分考虑原子序数效应,吸收作用效应和荧光效应。
分别求出校正因子Zi、Ai和Fi,三者的乘积即为总的校正系数(ZAF)=Zi*Ai*Fi。
因此
Ci/C(i)=(ZAF)iIi/I(i)=(ZAF)i*K
JEOL公生产的电子探针输出数据时Ri=Ii/I(i)(Ci))
P26表1-3为CP电子探针定量分析结果的输出方式
四定量分析的技术问题
在实际定量分析中,X射线强度的精确测定是关键。
因此定量测定的实验条件的选择是至关重要的。
应按如下几个准确测试条件:
(一)试样中产生的x射线的区域应尽可能小,以减小内、外部干扰,发挥电子探针分析的微区化优势。
(二)为减少X射线计数的统计误差,应使X射线计数强度尽可能的大,并必须做精确的死时间修正,亦后使峰/背尽可能高
(三)应使最终获得的X射线强度比K尽可能的接近于真实含量,减小修正量。
五工作条件的选择
(一)工作电压的选择
为获得较理想的峰/背比,通常将过压比U=Eo/Ec控制在2—3范围内,这样通常选用的电压为:
原子素数小于10的轻元素——10kV
Z11—30的轻元素——15—20(kV)
Z〉30的轻元素——20—25(kV)
(二)束流大小的选择
电子束流的大小直接影响X射线强度。
在工作电压不变的情况下,束流在一个不大的范围内变化时,X射线强度与束流完全是正比关系变化。
因此,在定量测量过程中要求束流的相对变化小于正负1*10-3A/h
定量测定中常用的束流为2*10-8A,但对轻元素,束流可加大到1*10-7A。
(三)束斑大小的选择
为获得较好的空间分辨率,要求束斑尽可能的小。
束流为2*10-8A时束斑直径应保持在<
1μm。
对含水矿物,含银硫化物或表面抛光不理想的样品,束斑可调大一些。
(四)分光晶体的选用
STETAPPETLiFd不同,B5-U92.SET只能测BCNO。
TAP-F-P的K系,Cr-Nb的L系和Li-Hg的M系。
PET、LiF用于Z大的元素。
注意晶体的分辨率,d小,分辨率高。
(五)背景选择
假定谱峰中心背景强度等于从中心向两侧移动相等的距离时,测得的强度的平均值。
上、下背景值可相等,也可不相等,但两个位置的计数率相近,且要为附近区域的最低值。
(六)分析线的选择
一种元素的分析特征X射线是有限的,可作定量分析的更少。
化合物中,元素的特征X射线可能出现部分重叠或干扰,在定量分析时,要尽量避开干扰线。
(七)元素分析顺序的选择
首先分析NaKAsAg,减少元素的热扩散效应对分析误差的影响。
(八)测量时间的选择
特征峰的测量时间一般为10秒到20秒,相应的背景测量时间为5秒到10秒.对于测量元素的测定时间可适当延长,如分析长时中心P时,时间为60秒到80秒.
六X射线分析中心精度和灵敏度
P28略
七轻元素的电子探针分析
P30略
第七节电子探针分析选用标样
……以地质样品为例
一.标样的种类
纯金标样(99.99%)合金标样化合计量化合物标样`天然矿物标样合成玻璃标样
二天然矿物标样的制备
满足条件
(1)矿物是均匀的
(2)各元素在样品中的分布是均匀的
(3)样品在电子束的作用下是稳定的
(4)化学成分要尽可能简单,实际成分接近理想成分.
(三)选择标样标准
(1)尽可能与待测样品的结构,成分相同
(2)如成分不同,也应选用与待测样品的结构相同的标样
(3)分析造岩矿物时,尽可能不选用纯金属样品.
第八节电子探针线分析
电子束沿某一条线扫描,则激发的X射线应代表所扫描的线域上的元素的变化情况.这就是线扫描技术.它对手研究晶体的环带,了解元素的扩散和渗透性情况的比较理想的手段.
两种扫描方式:
JEOLJXA8800型号P37
(1)样品台扫描:
电子束不动,移动样品台,移动步长0.5微米,0.02微米。
(2)电子束扫描:
固定样品台,电子束移动,待测区﹤100微米,干扰小,分一高,缺点是受到罗兰圆半径限制。
第九节电子探针的面分析与相分析
对某一研究区域进行电子束扫描,可获得该区域元素的变化情况,即面扫描。
它是电子探针的主要功能之一。
有就是分析眼表面元素分布及组合特征。
60-70年代,含量在1%以下的元素很难分开,黑白图象。
80年代,数字化信息,彩色图象,不同色彩代表不同的含量。
但像素面积大,束斑直径有大,分辨率不是很高。
90年代,单个像素小到0.004微米,束斑直径可小到0.1微米。
分辨率高,图象逼真。
元素含量﹤1%以及同种元素浓度差﹤1%时都可以以不同的色彩表示出来。
90年代开发的相分析软件,可以获得你感兴趣的元素间的比值或不同相之间的互相关系图。
一普通面扫描
背散射电子图象可以反映化学成分的均一或不均一性,其原理就是利用原子序数的反差,这样的图象对于扫描微结构是非常有用的。
但对于研究它还是不够的。
因此,50年代,人们尝试在电子探针上通过利用从谱仪上收集的的信号来进行图象扫
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 现代 测试 技术 教案