电子探针X射线显微分析技术简介

电子探针X射线显微分析（EPMA）是指用电子束激发特征X射线进行微区的元素分析，是研究材料成分微区分布的有效分析方法。电子探针由扫描电子显微镜、能谱仪和波谱仪组成。镜筒的结构与扫描电子显微镜相同，信号检测部分使用X射线谱仪，用来检测特征X射线进行元素分析。常用的X射线谱仪有两种：一种是波长色散谱仪（波谱仪，wavelength dispersive spectrometer，简称WDS），按照特征X射线的波长实现元素检测；另一种是能量色散谱仪（能谱仪，energy dispersive spectrometer，简称EDS），按照特征X射线的能量检测元素。

（一）电子探针的结构

电子探针是在具有扫描电子显微镜电子枪、磁透镜、电子检测—成像部分的基础上，在其样品室又增加了X射线检测系统，如图3-37所示。

图3-37　电子探针的结构示意图

电子探针的X射线检测系统由波谱仪和能谱仪组成。波谱仪用分光晶体（面间距d）把波长满足布拉格公式（2dsinθ=λ）的X光接收到计数器中；能谱仪是用锂漂移硅[Si（Li）]半导体按照能量接收X射线光子。计数器或Si（Li）半导体给出的电脉冲经前级放大、主放大，由多道脉冲高度分析器处理后，给出相应的谱线和图像。

（二）电子探针的工作模式

1.元素点分析　点分析是对试样中某一选定点（微小区域）进行所含全部元素的定性/定量分析。在荧光屏显示的图像上选定需要分析的点，在该处激发试样元素的特征X射线，波谱仪或能谱仪检测后给出信号，计算机转换后在屏幕上显示能量色散谱线。谱图的横坐标为元素，纵坐标为元素的含量。图3-38为7075铝合金中夹杂的EDS点分析图。图3-38（a）是夹杂的SEM像，夹杂的X处为电子束作点分析的位置；图3-38（b）是EDS点分析谱线，其中，Al、Cu、Zn、Mg峰为基体元素，夹杂主要由Fe、Mn和O元素组成。

图3-38　钢中夹杂的能谱仪点分析图

2.元素线扫描分析　使聚集电子束集中在试样上沿一选定直线（一般穿越粒子或界面）进行慢速扫描，显示器电子束的横向扫描与电子束在试样上的扫描同步，X射线谱仪处于探测某一元素特征X射线状态。该元素X射线强度沿试样上扫描线的分布可反映出该元素在选定直线上的含量变化。图3-39是某材料截面的能谱仪分析图，图上部是扫描电子显微镜形貌图，虚线为电子束扫描线，下部为Si、Ag、Ca的X射线强度分布图，在界面处发生明显变化，显示出3种元素的分布特征。

图3-39　能谱仪线扫描分析

3.元素面分布分析　聚集电子束在试样上进行二维光栅扫描，X射线谱仪处于探测某一元素特征X射线状态，谱仪输出脉冲信号，调制同步扫描的显示器亮度，试样每产生一个X光子，探测器就输出一个脉冲，显像管荧光屏上形成一个亮点。由此，荧光屏上得到由许多亮点组成的图像，称为X射线元素面分布图。在同一幅X射线扫描像中，亮区元素含量高，灰色区域元素含量较低，黑色区域元素含量很低或不存在该种元素。图3-40是粉末冶金高速钢中析出相的元素面分布分析。图3-40（a）是二次电子像，显示出析出相的形貌；图3-40（b）是V的Kα1射线的面分布，图中的亮区表示该析出相富含V元素；图3-40（c）是W的Mα1射线的面分布，图中有两个亮区表示该析出相富含W元素，较暗的区域显示含W元素较少。比较3张图像可以知道，析出相有两种，分别含V元素和W元素，其余黑色的区域为基体，不含这两种元素。

图3-40　粉末冶金高速钢的元素面分布

4.能谱仪、波谱仪的比较　一般来讲，波谱仪分析的元素范围广，探测极限小，分辨率高，适用于精确的定量分析。其缺点是要求试样表面平整光滑，分析速度较慢，需要较大的束流，从而容易引起样品损伤和镜筒污染，仪器结构复杂。能谱仪在分析元素范围、探测极限、分辨率等方面不如波谱仪，但其分析速度快，可使用较小的束流和微细的电子束分析，对试样表面要求不严格，结构简单，特别适合于与扫描电子显微镜、透射电子显微镜配合使用。波谱仪和能谱仪的主要性能见表3-5。

表3-5　波谱仪和能谱仪的主要性能比较

(www.xing528.com)

5.电子探针的应用　目前，扫描电子显微镜（透射电子显微镜）与电子探针仪可同时配有能谱仪和波谱仪，构成扫描电子显微镜（透射电子显微镜）—波谱仪—能谱仪系统，两种谱仪优势互补，是非常有效的材料研究仪器。

（三）扫描电子显微镜—电子探针的应用

1.在生命学科中的应用

（1）植物学。研究人员利用扫描电子显微镜已经对白兰花开放过程中花批片结构变化、茉莉花的根茎叶等器官、国产凤仙花束植物的花粉等进行了观察。

（2）动物学。应用扫描电子显微镜技术研究动物的超微形态，对其分类学、生理学、病理学等基础学科以及资源利用、动植物虫害防治等具有重要意义。

（3）医学。在医学领域，扫描电子显微镜技术已经从基础研究发展到疾病模型、培养细胞或组织鉴定、疾病诊断、药理作用与效果的观察、疑难病症的电子显微镜诊断等。扫描电子显微镜技术已成为医学形态学的研究中不可或缺的科研工具与手段。

（4）微生物学。扫描电子显微镜技术为微生物的形态特征及分类、微生物资源的利用、动植物病理、环境保护和食品检测等领域提供了大量直观、具有研究价值的形态学依据。

（5）古生物学。扫描电子显微镜技术不仅能够研究微体古生物的整体形态，而且可以深入观察壳体内细小突起数量的关系及分布特点，为古生物群体鉴定以及形态分类提供真实的依据。

（6）考古学。研究人员利用扫描电子显微镜—X射线能谱仪对出土的铁器、青铜剑、尸体骨骼等进行分析，在文物保护和修复、考古学等领域具有非常重要的意义。

2.在基础学科中的应用

（1）材料学。扫描电子显微镜技术可以观察材料的表面形貌、纳米微粒增强的负荷的断裂模式、金属材料内部原子的集结方式和它们的真实边界、晶体材料的结构分析等，为材料的机械加工、生产工艺的改进提供依据。

（2）物理学。扫描电子显微镜技术可以对材料的晶体结构和形貌进行分析，通过对显示器中导电粉进行粒径观测来提高液晶显示器的产品质量。

（3）化学。扫描电子显微镜技术在纺织领域可观察纤维改性前后的形貌，为确定合理的改性工艺提供指导；还可观测薄膜、碳纤维的形貌、结构与结晶等。

3.在工业中的应用

（1）半导体工业。利用扫描电子显微镜技术可以观测生产过程对半导体器件表面结构的影响，以优化生产工艺，提高产品质量。

（2）陶瓷工业。利用扫描电子显微镜技术分析不同的添加物对陶瓷烧结体性能、晶相组成以及晶粒形貌的影响。

（3）化学工业。利用扫描电子显微镜对化工产品的微观形态进行观察，进而对工艺条件进行选择、控制、改进和优化。

（4）地质矿物学。利用扫描电子显微镜可以对矿物原料物理、化学的微观特征进行观察分析，以鉴定新的矿物或测定矿物内不同物质的比率；也可以研究晶态材料和矿物中的晶体、缺陷、杂质元素的存在形式，以及矿物成因和矿物中微量元素的化学作用；还可观察矿物的立体形态并对其进行鉴定，对断层年代、断层活动的性质进行分析研究。

（5）食品科学。扫描电子显微镜可以对不同生产工序的产品进行内部形态观测，观察产品的异常变化，为优化工艺、解决生产问题提供依据。