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电子探针是一种利用电子束作用样品后产生的特征X射线进行微区成分分析的仪器，可以用来分析薄片中矿物微区的化学组成。除H、He、Li、Be等几个较轻元素外，还有U元素以后的元素以外都可进行定性和定量分析。电子探针的大批量是利用经过加速和聚焦的极窄的电子束为探针，激发试样中某一微小区域，使其发出特征X射线，测定该X射线的波长和强度，即可对该微区的元素作定性或定量分析。

电子探针显微分析原理及其发展的初期是建立在X射线光谱分析和电子显微镜这两种技术基础上的，该仪器实质上就是这两种仪器的科学组合。电子探针是运用电子所形成的探测针(细电子束)作为X射线的激发源来进行显微X射线光谱分析的仪器。分析对象是固体物质表面细小颗粒或微小区域，Z小范围直径为1μm。

电子探针可测量的化学成分的元素范围一般从原子序数12(Mg)至92(U)，原子序数大于22的元素可在空气通路的X射线光谱仪上进行测量。电子探针的灵敏度低于X射线荧光光谱仪，原因是电子探针X射线的本底值高于后者，但电子探针的感量比其他仪器都高。此外，后期生产的仪器，可作X射线背散射照相、透视照相。能兼作透射电镜、能进行电子衍射、能作电子荧光观察等。

diyi台电子探针是法国制成的，是在1949年用电子显微镜和X射线光谱仪组合而成。1953年前苏联制成了X射线微区分析仪，以后英、美等国陆续生产。diyi台扫描电子探针仪是美国于1960年制成，不仅能对试样作点或微区分析，而且能对样品表面微区进行扫描。原子序数12至22的元素要在真空下进行成分测定，原子序数12以内的元素需要增添一些特殊设备才能分析。原子序数50以上的元素用L系X射线光谱进行分析，原子序数50以下的元素也可以分析，如Sn(50)可用K系x射线光谱进行分析。

电子探针的优点

1、能进行微区分析。可分析数个μm3内元素的成分。

2、能进行现场分析。无需把分析对象从样品中取出，可直接对大块试样中的微小区域进行分析。把电子显微镜和电子探针结合，可把在显微镜下观察到的显微组织和元素成分联系起来。

3、分析范围广。Z>4其中，波谱：Be—U，能谱：Na—U。

电子探针的功能及特色

电子探针可以对试样中微小区域(微米级)的化学组成进行定性或定量分析。可以进行点、线扫描(得到层成分分布信息)、面扫描分析(得到成分面分布图像)。还能全自动进行批量(预置9999测试点)定量分析。由于电子探针技术具有操作迅速简便(相对复杂的化学分析方法而言)、实验结果的解释直截了当、分析过程不损坏样品、测量准确度较高等优点，故在冶金、地质、电子材料、生物、医学、考古以及其它领域中得到日益广泛地应用，是矿物测试分析和样品成分分析的重要工具。

电子探针的技术支持

电子光学系统

该系统为电子探针分析提供具有足够高的入射能量，足够大的束流和在样品表面轰击殿处束斑直径近可能小的电子束，作为X射线的激发源。为此，一般也采用钨丝热和2-3个聚光镜的结构。 为了提高X射线的信号强度，电子探针必须采用较扫描电镜更高的入射电子束流(在10-9-10-7A范围)，常用的加速电压为10-30 KV，束斑直径约为0.5μm。

电子探针在镜筒部分与扫描电镜明显不同之处是由光学显微镜。它的作用是选择和确定分析点。其方法是，先利用能发出荧光的材料(如ZrO2)置于电子束轰击下，这是就能观察到电子束轰击点的位置，通过样品移动装置把它调到光学显微镜目镜十字线交叉点上，这样就能保证电子束正好轰击在分析点上，同时也保证了分析点处于X射线分光谱仪的正确位置上。在电子探针上大多使用的光学显微镜是同轴反射式物镜，其优点是光学观察和X射线分析可同时进行。放大倍数为100-500倍。

X射线谱仪

电子束轰击样品表面将产生特征X射线，不同的元素有不同的X射线特征波长和能量。通过鉴别其特征波长或特征能量就可以确定所分析的元素。利用特征波长来确定元素的仪器叫做波长色散谱仪(波谱仪)，利用特征能量的就称为能量色散谱仪(能谱仪)。

电子探针的工作原理

电子探针(Electron Probe Microanalysis-EPMA)的主要功能是进行微区成分分析。它是在电子光学和X射线光谱学原理的基础上发展起来的一种高xiao率分析仪器。

其原理是：用细聚焦电子束入射样品表面，激发出样品元素的特征X射线，分析特征X射线的波长(或能量)可知元素种类；分析特征X射线的强度可知元素的含量。

其镜筒部分构造和SEM相同，检测部分使用X射线谱仪，用来检测X射线的特征波长(波谱仪)和特征能量(能谱仪)，以此对微区进行化学成分分析。

X射线谱仪是电子探针的信号检测系统，分为：

能量分散谱仪(EDS)，简称能谱仪，用来测定X射线特征能量。

波长分散谱仪(WDS)，简称波谱仪，用来测定特征X射线波长。

WDS组成：波谱仪主要由分光晶体和X射线检测系统组成。

原理：根据布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经过一定晶面间距的晶体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角。通过连续地改变q，就可以在与X射线入射方向呈2q的位置上测到不同波长的特征X射线信号。根据莫塞莱定律可确定被测物质所含有的元素。

为了提高接收X射线强度，分光晶体通常使用弯曲晶体。

WDS工作原理

已知电子束入射样品表面产生的X射线是在样品表面下一个um量级乃至纳米量级的作用体积发出的，若该体积内含有各种元素，则可激发出各个相应元素的特征X线，沿各向发出，成为点光源。在样品上方放置分光晶体，当入射X波长、入射角、分光晶体面间距d之间满足2dsinq = l时，该波长将发生衍射，若在其衍射方向安装探测器，便可记录下来。由此，可将样品作用体积内不同波长的X射线分散并展示出来。

上述平面分光晶体使谱仪的检测效率非常低，表现在：固定波长下，特定方向入射才可衍射；处处衍射条件不同;要解决的问题是：分光晶体表面处处满足同样的衍射条件；实现衍射束聚焦 把分光晶体作适当的弹性弯曲，并使X射线源、弯曲晶体表面和检测器窗口位于同一个圆周上，就可以达到把衍射束聚焦的目的。该圆称为聚焦圆，半径为R。此时，如果晶体的位置固定，整个分光晶体只收集一种波长的X射线，从而使这种单色X射线的衍射强度大大提高。

EDS工作原理

利用不同元素X射线光子特征能量不同特点进行成分分析锂漂移硅能谱仪Si(Li)框图加在Si(Li)晶体两端偏压来收集电子空穴对→(前置放大器)转换成电流脉冲→(主放大器)转换成电压脉冲→(后进入)多通脉冲高度分析器，按高度把脉冲分类，并计数，从而描绘I-E图谱。

当特征能量ΔΕ的X射线光子由Si(Li)检测器收集时，在Si(Li)晶体内将激发出一定数目的电子—空穴对。

假定产生一个空穴对的Zdi平均能量为ε(固定的)，则由一个光子造成的空穴对数目为：

N — 一个X射线光子造成的空穴电子对的数目

ε — 产生一个空穴对的Zdi平均能量

ΔΕ — 特征能量

工作过程

加在Si(Li)晶体两端偏压来收集电子空穴对→ (前置放大器)转换成电流脉冲→ (主放大器)转换成电压脉冲→ (后进入)多通脉冲高度分析器，按高度把脉冲分类，并计数，从而描绘I-E图谱。

能谱仪分析特点：

具有以下优点(与波谱仪相比)

能谱仪探测X射线的效率高。

在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。

结构简单，稳定性和重现性都很好(因为无机械传动)，不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。

具有以下缺点和不足：

分辨率低：Si(Li)检测器分辨率约为160eV；波谱仪分辨率为5-10eV

能谱仪中因Si(Li)检测器的铍窗口限制了超轻元素的测量，因此它只能分析原子序数大于11的元素；而波谱仪可测定原子序数从4到92间的所有元素。

能谱仪的Si(Li)探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。

与电子探针的原理相关文文章：

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。

电子探针的发展历史

电子探针(EPMA)，全名是电子探针x射线显微分析仪，又名微区X射线谱分析仪，可对试样进行微小区域成分分析。1913年，Moseley发现了特征X射线频率域发射X射线的原子的原子序数平方之问存在线性关系，这就是的莫塞莱定律；同年，Bragg父子又创立了的布拉格定律。莫塞莱定律与布拉格定律奠定了x射线分光化学分析德尔基础。

1949年，在diyi届欧洲电子显微学会议上，“电子探针之父”Castaing描述了他的电子探针X射线显微分析仪。1956年，Coss-lett和Duncumb在剑桥大学卡文迪许实验室设计和制造了diyi台扫描电子探针，从而实现了在电子探针仪器中能使电子束在样品表面进行二维面扫描。

此后，许多人致力于完善和发展由Castaing首先提出的将X射线强度比转换为元素质量浓度的定量处理方法。今天，样品中主要组分的电子探针定量分析的准确度能达到相对误差在12%以内。随着电子光学、微电子学、x射线能谱技术和计算机技术的发展，电子探针仪器不断更新换代，性能不断改善，朝着小型化、多功能化和自动化的方向不断进步。

电子探针的结构特点

电子探针X射线显微分析仪(简称电子探针)利用约1Pm的细焦电子束，在样品表层微区内激发元素的特征X射线，根据特征X射线的波长和强度，进行微区化学成分定性或定量分析。电子探针的光学系统、真空系统等部分与扫描电镜基本相同，通常也配有二次电子和背散射电子信号检测器，同时兼有组织形貌和微区成分分析两方面的功能。电子探针的构成除了与扫描电镜结构相似的主机系统以外，还主要包括分光系统、检测系统等部分。

电子探针主要由电子光学系统(镜筒)，X射线谱仪和信息记录显示系统组成。电子探针和扫描电镜在电子光学系统的构造基本相同，它们常常组合成单一的仪器。

电子探针分析方法

利用电子探针分析方法可以探知材料样品的化学组成以及各元素的重量百分数。分析前要根据试验目的制备样品，样品表面要清洁。用波谱仪分析样品时要求样品平整，否则会降低测得的X射线强度。

定性分析

1、点分析

用于测定样品上某个指定点的化学成分。能谱仪中的多道分析器可使样品中所有元素的特征X射线信号同时检测和显示。不像波谱仪那样要做全部谱扫描，甚至还要更换分光晶体。

2、线分析

用于测定某种元素沿给定直线分布的情况。方法是将X射线谱仪(波谱仪或能谱仪)固定在所要测量的某元素特征X射线信号(波长或能量)的位置上，把电子束沿着指定的方向做直线轨迹扫描，便可得到该元素沿直线特征X射线强度的变化，从而反映了该元素沿直线的浓度分布情况。改变谱仪的位置，便可得到另一元素的X射线强度分布。

方法是：将X射线谱仪固定在所要测量的某元素特征X射线信号的位置上，电子束在样品表面做光栅扫描，此时在荧光屏上便可看到该元素的面分布图像。显像管的亮度由试样给出的X射线强度调制。图像中的亮区表示这种元素的含量较高。

定量分析

定量分析时，先测得试样中Y元素的特征X射线强度IY，再在同一条件下测出已知纯元素Y的标准试样特征X射线强度IO。然后两者分别扣除背底和计数器死时间对所测值的影响，得到相应的强度值IY和IO，两者相除得到X射线强度之比KY= IY / IO。 直接将测得的强度比KY当作试样中元素Y的重量浓度，其结果还有很大误差，通常还需进行三种效应的修正。即原子序数效应的修正，吸收效应修正，荧光效应修正。经过修正，误差可控制在±2%以内。

电子探针应用领域

电子探针的Z早应用领域是金属学。对合金中各组成相、夹杂物等可作定性和定量分析，直观而方便，还能较准确地测定元素的扩散和偏析情况。此外，它还可用于研究金属材料的氧化和腐蚀问题，测定薄膜、渗层或镀层的厚度和成分等，是机械构件失效分析、生产工艺的选择、特殊用材的剖析等的重要手段。

电子探针的主要用途

电子探针又称微区X射线光谱分析仪、X射线显微分析仪。其原理是利用聚焦的高能电子束轰击固体表面，使被轰击的元素激发出特征X射线，按其波长及强度对固体表面微区进行定性及定量化学分析。主要用来分析固体物质表面的细小颗粒或微小区域，Z小范围直径为1μm左右。分析元素从原子序数3(锂)至92(铀)。感量可达10-14至10-15g。近年形成了扫描电镜-显微分析仪的联合装置，可在观察微区形貌的同时逐点分析试样的化学成分及结构。广泛应用于地质、冶金材料、水泥熟料研究等部门。

电子探针的具体应用

由于电子探针需要在真空环境下对样品进行微区化学成分定性和定量分析，且分析灵敏度很高，所以电子探针在科学检测领域运用很广。下面简要介绍一下电子探针在地学、材料学中的应用。

1、电子探针测定地质体的年龄

前电子探针测试技术，只有用U，Th，Pb对锆石、独居石的测年发展的较为成熟。研究表明，电子探针测定的化学年龄均在传统的同位素法测定年龄的范围之内，尤其是较古老的地质体，其测试精度高。

另外，由于电子探针的原位分析和高空间分辨率特点，为区域大地构造和显微构造的形成提供了一种全新的地质年代数据，从而为变质、变形作用过程中P(压力)一T(温度)一t(时间)一D(变形)之间的关系提供了时间的制约，为解决显微构造和结构分析长期存在的问题提供了新的方法。

同时，该技术也长用于岩石、矿物和矿床学中，可对矿石的来源、不同矿物的不同环带、不同世代的成分演化乃至时间演化进行分析，据此可以得到许多岩石结构、矿床成因、变质作用及地质找矿等方面的信息。

2、电子探针在材料学的应用

材料在使用过程中不可避免地会遭受环境的侵蚀。为保护母材，成品件常常需要进行表面防腐处理。有时为利于加工，在工序之间也进行镀膜处理。由于镀膜的表面形貌和深度对使用性能具有重要影响。镀膜的深度很薄，由于光学显微镜放大倍数的局限性，使用镜相方法检测镀膜的深度和镀层与母材的结合情况比较困难，而电子探针却可以很容易完成。

使用电子探针观察分析镀层表面形貌是方便、易行的有效方法，样品无需制备，只需直接放入样品室内即可放大观察。电子探针可得知材料表面有无凹陷、凸出以及裂纹、毛刺和起皮等。

与电子探针的应用相关文文章：

电子探针方法是利用高能电子束对样品进行成分分析的方法。基本原理是利用电磁透镜聚焦的高能电子束轰击固体表面的某一点，被轰击的元素激发出特征X射线，而特征X射线辐射的频率是发射元素原子序数的函数，因而通过对特征X射线频率和强度的分析便可得到样品表面元素分布和形貌特征。

当前，电子探针是对无机和有机材料进行显微分析的Z有效的工具之一。用它可以得到样品内空间分辨率为1微米的成分信息。电子探针还可获得X射线扫描图像，显示出扫描区域内的元素分布，而且可以对感兴趣的不同区域的相对成分作比较。由于此法能分析原子序数3到92号之间的所有元素，因而已被广泛用于地质、冶金、材料和生物学等各个领域的研究。

电子探针工作原理分析

电子探针有三种基本工作方式：点分析用于选定点的全谱定性分析或定量分析，以及对其中所含元素进行定量分析；线分析用于显示元素沿选定直线方向上的浓度变化；面分析用于观察元素在选定微区内浓度分布。

由莫塞莱定律可知，各种元素的特征X射线都具有各自确定的波长，通过探测这些不同波长的X射线来确定样品中所含有的元素，这就是电子探针定性分析的依据。而将被测样品与标准样品中元素Y的衍射强度进行对比，就能进行电子探针的定量分析。当然利用电子束激发的X射线进行元素分析，其前提是入射电子束的能量必须大于某元素原子的内层电子临界电离激发能。

电子探针结构特点

利用约1Pm的细焦电子束，在样品表层微区内激发元素的特征X射线，根据特征X射线的波长和强度，进行微区化学成分定性或定量分析。电子探针的光学系统、真空系统等部分与扫描电镜基本相同，通常也配有二次电子和背散射电子信号检测器，同时兼有组织形貌和微区成分分析两方面的功能。电子探针的构成除了与扫描电镜结构相似的主机系统以外，还主要包括分光系统、检测系统等部分。

电子探针主要由电子光学系统(镜筒)，X射线谱仪和信息记录显示系统组成。电子探针和扫描电镜在电子光学系统的构造基本相同，它们常常组合成单一的仪器。

电子探针的故障维修

电子探针自七十年代末开始，在我国生物学、地质学、材料工程、半导体分析及工业工程学等研究领域已获得了广泛的应用。随着使用时间的增长，仪器的故障率也会随之增加，由于该仪器是一台集机械、电磁、光学、真空、电子等多项学科于一体的精密仪器，故障判断及维修有一定的难度。为充分发挥该仪器的作用，将我们遇到的特殊故障分析方法进行交流，便于拥有该仪器的单位参考。

故障现象：真空系统置于自动位置后，开启冷却水及电源，经一段时间达到高真空后，加上高压及灯丝电流，二次电子不能成像，但背散射电子能成像。

故障测试分析：根据文献资料，电子探针的二次电子成像及背散射电子成像的连接情况可简化如图1所示。故障测试分析方法如下：

图1电子成像及背散射电子成像的连接框图

(1)判断二次电子成像器、前置放大器和二次电子探测器故障

从故障现象看，由于背散射电子能成像，二次电子不能成像，根据图1可判断故障是发生在图像选择器前的二次电子成像器、前置放大器和二次电子探测器中。断开前置放大器与二次成像的连接插头B2（参见图1），并把B2接在低频信号发生器上。在探针工作的情况下，使低频信号发生器产生1KHz方波信号，送入二次电子成像器，这时在显示器中可看到了黑白相间的横条，说明了二次电子成像器正常，故障发生在二次电子探测器和前置放大器上。二次电子探测器及前置放大器的组成如图2所示。

图2二次电子探测器及前置放大器的组成

(2)判断二次电子探测器、前置放大器和其供电电源的故障

首先对二次电子探测器和前置放大器的供电电源进行检测，在连接器B5上测量供给前置放大器的±20V电压正常，在连接器B1上测量供给光电倍增管的1.5KVmax电压正常，在连接器B4上用高阻表测量供给集电极的电压仅为-10V-十10V(正常时应为一500V-十500V)。在断开集电极与供电电源的连接后，再次测量集电极电源的电压仍为-10V-十10V。说明故障产生在集电极供电电源上。集电极供电电路如图3所示。

图3二次电子探测器高压供电电路

(3)分析二次电子探测器供电电源故障原因

由图3可知集电极供电电路除供给集电极电压外，还经过多次倍压后产生10kV的高压供给闪烁体，而该高压由于内阻高，不能用一般电表测量它是否正常（需用静电高压表测量）。但由图3可推知，因集电极电压跌落，其高压必然跌落。当把lOkV高压与探测器的连接器B3断开，再测量集电极电压时，集电极电压恢复到-500V-十500V的正常值。

根据这一现象，可判断集电极电压与闪烁体高压的跌落，是由于探测器的高压部分对地（外壳）之间的绝缘性能下降而造成高压输出电流过大而引起的。为证实这一判断，在镜筒真空状态下，断开闪烁体与高压供电之间的连接器B3，用兆欧表测量闪烁体连接器B3对镜筒外壳之间的绝缘电阻。经实测电阻仅为1MQ，从而证实了集电极电压的跌落是由于闪烁体高压回路的负载太大造成的。

(4)寻找高压回路负载过大的原因及排除

由探测器与镜筒的安装关系（见图3）可知，闪烁体的高压是由连接器B3经高压绝缘导线再通过镜筒与闪烁体相连接，而闪烁体是由光导管支撑与镜筒保持高绝缘状态。从结构判断，闪烁体高压回路绝缘的下降是由于通过镜筒的高压绝缘导线的绝缘性能下降而引起的，经对镜筒放气，拆下二次电子探测器，更换高压绝缘导线后重新安装好，在常态下用兆欧表测量闪烁体高压连接器B3对镜筒外壳的绝缘电阻为lOOOMΩ以上。

然后开始对镜筒抽真空，当达到规定真空度后，再次用兆欧表测量该绝缘电阻，发现绝缘电阻又下降为3MΩ-5MΩ且不稳定。再次对镜筒放气，测量其绝缘电阻又恢复到lOOOMΩ以上。如此反复测量，故障现象重复。由于高压导线已更换，从探测器与镜筒的安装图2分析可知，唯yi的可能为长期使用引起镜筒内的严重污染而造成绝缘电阻下降。

为此，我们首先对样品室进行清洗，然后在真空状态下再测量高压回路的绝缘电阻，这时提高到10MΩ，但还不能解决问题。Z后对整个镜筒（包括样品室）进行彻底清洗后，再次开机抽真空，这时测得的绝缘电阻已提高到2000MΩ以上。接上探测器上各连接器，二次电子像即恢复出现，故障排除。

(5)故障测试中反常现象的分析

在判别二次电子探测器高压回路绝缘电阻下降原因的测试中，发现lOkV高压回路的负载电阻下降是在高真空状态下产生的，即在电子探针工作状态下产生的。而在镜筒放气后，即处于大气中时，高压回路的负载电阻便恢复到正常值。这一反常的特殊现象，经分析认为是在电子探针工作时，电子束轰击在样品上，将会使样品上的细小微粒飞溅出来，悬浮在镜筒内，随着时间的增长，这些飞溅物增多，浓度增加。

当镜筒放气后，由于空气进入镜筒，便使这些飞溅物附着于镜筒内，这时探测器闪烁体高压回路中飞溅物的含量减少，主要是空气，从而在常态下高压回路的绝缘性能提高。而镜筒在真空状态下由于高电压的吸引，使这些微小的颗粒被吸引在探测器闪烁体高压回路附近，从而使污染物浓度变大，便引起绝缘电阻下降。

这一分析经对镜筒清洗后故障便排除而得到证实。必须注意，对整个镜筒的清洗是一项极细致而技术性很强的工作，特别是安装后的调整工作难度更大，技术要求高，务必仔细操作。

对该类精密仪器采取良好的维护和保养措施，可保证实验测定的可靠性、准确性、及时性，还可提高设备运转率、延长其使用寿命、降低故障出现率。且此项工作需要实验室工作人员长期坚持。

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