一、實驗目的

1) 結合電子探針儀實物，介紹其結構特點和工作原理，加深對電子探針的了解。

2)選用合適的樣品，通過實際操作演示，以了解電子探針分析方法及其應用。

二、電子探針的結構特點及原理

電子探針X射線顯微分析儀(簡稱電子探針)利用約1Pm的細焦電子束，在樣品表層微區內激發元素的特征X射線，根據特征X射線的波長和強度，進行微區化學成分定性或定量分析。電子探針的光學系統、真空系統等部分與掃描電鏡基本相同，通常也配有二次電子和背散射電子信號檢測器，同時兼有組織形貌和微區成分分析兩方面的功能。電子探針的構成除了與掃描電鏡結構相似的主機系統以外，還主要包括分光系統、檢測系統等部分。本實驗這部分內容將參照第十四章，并結合實驗室現有的電子探針，簡要介紹與X射線信號檢測有關部分的結構和原理。

三、實驗方法及操作步驟

電子探針有三種基本工作方式：點分析用于選定點的全譜定性分析或定量分析，以及對其中所含元素進行定量分析；線分析用于顯示元素沿選定直線方向上的濃度變化；面分析用于觀察元素在選定微區內濃度分布。

1．實驗條件

(1) 樣品  樣品表面要求平整，必須進行拋光；樣品應具有良好的導電性，對于不導電的樣品，表面需噴鍍一層不含分析元素的薄膜。實驗時要準確調整樣品的高度，使樣品分析表面位于分光譜儀聚焦圓的圓周上。

(2) 加速電壓  電子探針電子槍的加速電壓一般為3～50kV，分析過程中加速電壓的選擇應考慮待分析元素及其譜線的類別。原則上，加速電壓一定要大于被分析元素的臨界激發電壓，一般選擇加速電壓為分析元素臨界激發電壓的2～3倍。若加速電壓選擇過高，導致電子束在樣品深度方向和側向的擴展增加，使X射線激發體積增大，空間分辨率下降。同時過高的加速電壓將使背底強度增大，影響微量元素的分析精度。

(3) 電子束流  特征X射線的強度與入射電子束流成線性關系。為提高X射線信號強度，電子探針必須使用較大的入射電子束流，特別是在分析微量元素或輕元素時，更需選擇大的束流，以提高分析靈敏度。在分析過程中要保持束流穩定，在定量分析同一組樣品時應控制束流條件完全相同，以獲取準確的分析結果。

2．定點分析

(1)全譜定性分析  驅動分光譜儀的晶體連續改變衍射角，記錄X射線信號強度隨波長的變化曲線。檢測譜線強度峰值位置的波長，即可獲得樣品微區內所含元素的定性結果。電子探針分析的元素范圍可從鈹(序數4)到鈾(序數92)，檢測的最低濃度(靈敏度)大致為0.01％，空間分辨率約在微米數量級。全譜定性分析往往需要花費很長時間。

(2) 半定量分析  在分析精度要求不高的情況下，可以進行半定量計算。依據是元素的特征X射線強度與元素在樣品中的濃度成正比的假設條件，忽略了原子序數效應、吸收效應和熒光效應對特征X射線強度的影響。實際上，只有樣品是由原子序數相鄰的兩種元素組成的情況下，這種線性關系才能近似成立。在一般情況下，半定量分析可能存在較大的誤差，因此其應用范圍受到限制。

(3) 定量分析  在此僅介紹一些有關定量分析的概念，而不涉及計算公式。

樣品原子對人射電子的背散射，使能激發X射線信號的電子減少；此外入射電子在樣品內要受到非彈性散射，使能量逐漸損失，這兩種情況均與樣品的原子序數有關，這種修正稱為原子序數修正。由入射電子激發產生的X射線，在射出樣品表面的路程中與樣品原子相互作用而被吸收，使實際接收到的X射線信號強度降低，這種修正稱為吸收修正。在樣品中由入射電子激發產生的某元素的X射線，當其能量高于另一元素特征X射線的臨界激發能量時，將激發另一元素產生特征X射線，結果使得兩種元素的特征X射線信號的強度發生變化。這種由X射線間接地激發產生的元素特征X射線稱為二次X射線或熒光X射線，故稱此修正為熒光修正。

3．線分析

使入射電子束在樣品表面沿選定的直線掃描，譜儀固定接收某一元素的特征X射線信號，其強度在這一直線上的變化曲線可以反映被測元素在此直線上的濃度分布，線分析法較適合于分析各類界面附近的成分分布和元素擴散。

實驗時，首先在樣品上選定的區域拍照一張背散射電子像(或二次電子像)，再把線分析的位置和線分析結果照在同一張底片上，也可將線分析結果照在另一張底片上，見圖實6—1。圖實6—1a是Al-4.0％Cu(質量分數)合金的背散射電子像，被選定的直線通過胞狀a-A1晶粒，圖實6—1b是CuK。X射線信號強度在此直線上的變化曲線。由圖實6—1a和6—1b可見，在較高的X射線強度所對應的位置是富Cu的A12Cu相；在a-A1晶粒內部X射線的強度較低，說明其固溶的Cu含量較少；在胞狀ct-A1晶粒界面內側存在一個約10m寬的Cu貧化帶。

4．面分析

使入射電子束在樣品表面選定的微區內作光柵掃描，譜儀固定接收某一元素的特征X射線信號，并以此調制熒光屏的亮度，可獲得樣品微區內被測元素的分布狀態。元素的面分布圖像可以清晰地顯示與基體成分存在差別的第二相和夾雜物，能夠定性地顯示微區內某元素的偏析情況。在顯示元素特征X射線強度的面分布圖像中，較亮的區域對應于樣品的位置該元素含量較高(富集)，暗的區域對應的樣品位置該元素含量較低(貧化)。 圖實6-2是與圖實6—1相同的樣品區域所拍照的面掃描圖像。圖實6—2b可以清晰地顯示Cu元素在樣品微區的分布。      

五、實驗內容

根據實驗室提供的實驗樣品，完成一個薄膜樣品面掃描分析的全過程，包括試樣制備、儀器操作、圖像觀察、記錄。

六、思考題

1）簡述電子探針的分析原理。

2）為什么電子探針應使用拋光樣品？

3）舉例說明電子探針在材料研究中的應用。