【干货】使用电子探针 (EPMA)必备的基本知识

电子探针x射线显微分析，是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析。适用于分析试样中微小区域的化学成分，是研究材料组织结构和元素分布状态的有效方法。所以，实验室使用电子探针的小伙伴不在少数，想要更好地掌握探针探针的使用技术，这些基础知识不容忽略。

电子探针X射线显微分析仪(Electron probe X-raymicroanalyser , EPMA )的简称为电子探针 。在众多样品化学成分分析的仪器中，电子探针分析技术(EPMA)是一种应用较早、且至今仍具有独特魅力的多元素分析技术。

二战以来，世界经济和社会的迅猛发展极大的促进了科学技术的进步，电子探针技术(EPMA)也进入了一个快速发展的时期，因此在很多的领域都有电子探针的应用，例如：地质学、宝玉石鉴定、刑侦等。主要介绍了电子探针的发展历史，以及其在现代科学领域的应用。

为什么电子探针的应用领域如此广泛，和其分析特点密不可分。

第一，微区性、 微量性：几个立方μm范围能将微区化学成分与显微结构对应起来。而一般化学分析、 X射线荧光分析及光谱分析等， 是分析样品较大范围内的平均化学组成，也无法与显微结构相对应, 不能对材料显微结构与材料性能关系进行研究。

第二，方便快捷：制样简单，分析速度快。

第三，分析方式多样化：可以连续自动进行多种方法分析，如进行样品X射线的点、线、面分析等。自动进行数据处理和数据分析。

第四，应用范围广：可用于各种固态物质、材料等。

第五，元素分析范围广：一般从铍(Be⁴ )——铀(Ｕ⁹²)。因为H和He原子只有K 层电子， 不能产生特征X 射线， 所以无法进行电子探针成分分析。锂(Li) 虽然能产生X 射线， 但产生的特征X 射线波长太长， 通常无法进行检测， 电子探针用大面间距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测Be元素。

第六，不损坏样品：样品分析后， 可以完好保存或继续进行其它方面的分析测试， 这对于文物、 古陶瓷、 古硬币及犯罪证据等稀有样品分析尤为重要。

第七，定量分析灵敏度高：相对灵敏度一般为（0.01－0.05）wt%，检测绝对灵敏度约为10 -14 g，定量分析的相对误差为(1—3)%。

第八，一边观察一边分析：对于显微镜下观察的现象，均可进行分析。

对于学习电子探针的小伙伴，除了掌握电子探针的基本分析原理（【干货】使用电子探针 (EPMA)必备的基本知识），更基础的仪器构造及每部的作用也是必须要掌握的。

电子探针的基本结构

• 电子光学系统

• 晶体分光谱仪

• X 射线测量记录装置

• 光学显微镜及透射光源

• 样品室

• 自动化分析系统

• 真空及辅助系统

• 扫描显示系统

1、电子光学系统

产生具有一定能量、 强度和尽可能小直径的电子束， 即产生一个稳定的 X射线激发源。 主要由以下几部分组成：

（1）电子枪： 产生足够亮度和速度的电子束

– 灯丝： 产生热电子

– 栅极： 静电聚焦作用 形成一个 10μm—100μm交叉点

– 阳极： 加速电子作用

（2）电磁透镜：

– 聚光镜： 两或三级， 控制束流缩小电子束直径几十分之一到一百几十分之一；

– 物镜： 调节电子束焦距， 缩小电子束直径

– 为了挡掉大散射角的杂散电子， 使入射到样品的电子束直径尽可能小， 会聚透镜和物镜下方都有光阑。

（3）扫描线圈：

受扫描发生器控制， 电子束在样品表面扫描， 同时显像管作同步扫描。 使显象管所观察到的图像， 与电子束在样品表面扫描区域相对应。

（4）消像散器：

当电子光学系统中磁场或静电场不称轴对称时， 会产生像散， 使原来应该呈圆形交叉点变为椭圆。 消像散器产生一个与引起像散方向相反、 大小相同的磁场来消除像散。

2、X射线分光晶体谱仪

主要由分光晶体、 X射线探测器、 谱仪机械结构等组成。

（1）分光晶体：

具有相同阵列的原子组成的光栅或薄膜材料。由于谱仪设计的限制，θ角只能在有限的范围内改变，所以，给定的晶体只能检测一定波长范围内的X射线。为了使EPMA能分析Be-U的元素，必须配备几组网面间距不同的分光晶体。通常有3-5道谱仪，每个谱仪上有2块网面间距不同的可转换的分光晶体。

– 分光晶体的性能要求： 衍射效率高、 分辨率高、 峰背比大、 易于加工、适合长期使用。

– 常用的晶体有：PET (C₅H₁₂ O₄ )异戊四醇、 RAP TAP(C₈H₅O₄Ti)邻苯二甲酸氢铊， LiF氟化锂晶体、STE[Pb(C₁₈H₃₅O₂)2 ] 硬脂酸铅等。

– 分光晶体的分辨本领决定EPMA的分辨率， 故寻找新型的高分辨本领的晶体是提高电子探针分辨率和灵敏度的重要途径。

（2）X射线探测器

– 常用正比计数器和闪烁计数器。 其电脉冲和X射线的能量成正比。

– 正比计数器

– 特点： 输出脉冲高度正比于输入X射线的光子能量， 具有灵敏度高、 死时间短、 输出脉冲响应时间小等特点。

（3）闪烁计数器

– 由闪烁体、 光导管、 光电倍增管组成。

– 电子打到闪烁体上发出的光由有机玻璃棒制成的光导管传递到真空室外通过耦合界面由光电倍增管接受转变成电信号。

（4）分光晶体谱仪的机械结构

谱仪机械结构原理图

图中以 R 为半径的圆称为 Rowlend 圆， 电子束入射到样品表面时， 会产生反应样品成分的特征 X射线， 特征 X射线经晶体分光聚焦后， 被 X射线计数管接收， 如果样品照射点到晶体的距离为 L， 则 L=2Rsinθ,再由 Bragg 公式 2dsinθ=nλ则得 L=R/dnλ。

（4）波谱仪分光的原理

晶体沿 L 直线运动时(L 改变)就可以测出不同元素所产生的特征X射线波长λ,称这种谱仪为直进式波谱仪。

电子探针波谱仪的分光原理图

3、X射线测量记录装置

要求：准确显示和记录X射线探测器所测定的X射线脉冲信号。具备噪音低、 频带宽、 分辨率高等特点。组成如下：

（1）前置放大器：尽可能靠近计数管并采用场效应管做输入极，以提高信噪比和减少脉冲信号损失。

（2）主放大器：把计数管脉冲幅度增加到适于脉冲高度分析处理的电压， 其放大倍数一般为几百倍。

（3）脉冲高度分析器：通过基线、 道宽的选择， 阻止无用的低能脉冲， 并将实际信号脉冲转换成标准形式。

（4）计数率计：用来产生与输入计数率成正比的电压。分直线型和对数型。

（5）定标器和定时器。

（6）显示单元。

工作过程：由分光晶体产生的 X射线进入正比计数管， 正比计数管出来的信号进入前置放大器和主放大器（AMP） ， 并在单道分析器（SCA） 中进行脉冲高度分析， 单道分析器的输出脉冲送双道计数器计数， 单道分析器及速率表的输出信号经过图像选择器在 CRT 上显示出一维(线轮廓)或二维(X 射线像)的 X射线强度分布。

X射线测定系统方块图

4、光学显微镜及透射照明光源

光学显微镜用于被分析点的精确定位和准焦。

类型：多为反射式。

指标：分辨率和焦距 。

透射照明光源：用于地质样品的偏光观察， 地学研究非常有用。

要求：高亮度、 大视野。

类型：透光/偏光，可抽式。

5、样品室

用于安装、交换和移动样品。样品可以沿 X、Y、Z轴方向移动，有的样品台可以倾斜、 旋转。

6、自动化分析系统

随计算机发展七十年代后期的EPMA均是自动控制的。计算机控制电子探针的样品台、 谱仪、电子光学系统、 分析功能以及进行数据采集和数据处理。分析数据和图像可以在计算机上处理和储存。

7、真空系统

作用：

– 减少阴极电子与气体分子的碰撞几率，得到符合要求的电子束；

– 防止灯丝氧化降低寿命；

– 提高阳极阴极之间的绝缘性，使之承受高电位差， 而不至于高压击穿；

– 减少空气杂质对镜筒、 阳极板和样品的污染；

– 减少气体对软X射线的吸收， 以提高分析的灵敏度和扩大分析范围。

真空度一般为 0. 01 Pa－0. 001 Pa，通常用机械泵

－油扩散泵抽真空。要求泵抽速快、 震动小。

8、扫描显示系统

将电子束在样品表面和观察图像的荧光（CRT）进行同步光栅扫描， 把产生的二次电子、背散射电子及 X 射线等信号，经过探测器及信号处理后，送到 CRT 显示图像或记录图像。现仪器显示的都是数字图像，并可进行图像处理。

电子探针因出色的微区元素分析能力，被广泛应用于材料质量解析、失效分析及热处理工艺等研究。想了解更多关于电子探针的知识，可以关注实验与分析近期举办的公开课【材料表征与分析技术专题】，欢迎小伙伴们报名参加。

（内容来源：网络 由小析姐整理编辑）