大家對能夠進(jìn)行樣品的微區結構與形貌分析的掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）都不陌生，而與之相關(guān)的利用特征X射線(xiàn)具有特征能量這一原理設計的用于成分分析的能量色散X射線(xiàn)譜儀（EDS），可能就沒(méi)那么熟悉了。下面為大家講解能量色散X射線(xiàn)譜儀（EDS）。
 
　　一、EDS所用信號：
　　高速運動(dòng)的電子束轟擊樣品表面，電子與元素的原子核及外層電子發(fā)生單次或多次彈性與非彈性碰撞，有一些電子被反射出樣品的表面，其余的滲入樣品中，逐漸失去其動(dòng)能，最后被阻止，并被樣品吸收。在此過(guò)程中有99％以上的入射電子能量轉變成熱能，只有約1％的入射電子能量從樣品中激發(fā)出各種信號。其中，特征X射線(xiàn)是高能電子激發(fā)原子的內層電子，使原子處于不穩定態(tài)，從而外層電子填補內層空位使原子趨于穩定的狀態(tài)，在躍遷的過(guò)程中，直接釋放出具有特征能量和波長(cháng)的一種電磁輻射，即特征X射線(xiàn)。

 

圖1：高能電子轟擊樣品表面所能產(chǎn)生的各種信號
 

   　二、能量色散X射線(xiàn)譜儀（EDS）的結構與工作原理
　　不同元素發(fā)射出來(lái)的特征X射線(xiàn)能量是不相同的，利用特征X射線(xiàn)能量不同而進(jìn)行的元素分析稱(chēng)為能量色散法。所用譜儀稱(chēng)為能量色散X射線(xiàn)譜儀（EDS），簡(jiǎn)稱(chēng)能譜儀。

 

圖2：能譜儀結構及工作原理
 

　　X射線(xiàn)能譜儀的主要構成單元是Si(Li)半導體檢測器，即鋰漂移硅半導體檢測器和多道脈沖分析器。能量為數千電子伏特的入射電子束照射到樣品上，激發(fā)出特征X射線(xiàn)，通過(guò)Be窗直接照射到Si(Li)半導體檢測器上，使Si原子電離并產(chǎn)生大量電子-空穴對，其數量與X射線(xiàn)能量成正比。
 
　　這是因為：
　　產(chǎn)生一個(gè)空穴對的最低平均能量為ε
　　則由一個(gè)X射線(xiàn)光子造成的電子空穴對的數目為:N=ΔE/ε
　　入射X射線(xiàn)光子的能量越高，N就越大。
　　不同元素發(fā)射不同能量的X射線(xiàn)，不同能量的X射線(xiàn)將產(chǎn)生不同的電子空穴對數。
　　例如：Fe的Kα輻射可產(chǎn)生1685個(gè)電子空穴對，而Cu為2110個(gè)。
　　通過(guò)對Si(Li)檢測器加偏壓（一般為-500~-1000 V)，可分離收集電子空穴對，并用場(chǎng)效應管前置放大器將其轉換成電流脈沖。再由主放大器轉換成電壓脈沖，然后送到多道脈沖分析器。例如對Fe的Kα來(lái)說(shuō)，V=0.27 mV，對Cu的Kα，V=0.34 mV。即不同元素產(chǎn)生的脈沖高度不一樣。
　　多道脈沖高度分析器中的數模轉換器首先把脈沖信號轉換成數字信號，建立起電壓脈沖幅值與道址的對應關(guān)系（道址號與X光子能量間存在對應關(guān)系）。電壓脈沖高度越高，道址號越高。
 
　　三、EDS能譜曲線(xiàn)
　　常用的X射線(xiàn)能量范圍在0.2-20.48 keV。如果總道址數為1024，那么每個(gè)道址對應的能量范圍是20 eV。X光子（射線(xiàn)）能量低的對應道址號小，能量高的對應道址號大。根據不同道址上記錄的X射線(xiàn)的數目，就可以確定各種元素的X射線(xiàn)強度。然后，在X-Y記錄儀或陰極射線(xiàn)管上把脈沖數與脈沖高度曲線(xiàn)顯示出來(lái)，這就是X射線(xiàn)的能譜曲線(xiàn)。

 

圖3：Al、Si、Ca的X射線(xiàn)能譜圖
 

 
　　四、注意事項
　　Si（Li）半導體檢測器和場(chǎng)效應晶體管皆應在液氮溫度條件下使用和保存。因為鋰在室溫下很容易擴散，造成假輸出；同時(shí)為了減小前置放大器的電噪聲，所用的場(chǎng)效應晶體管也必須放在液氮中，以提高檢測器分辨率。
　　Si（Li）半導體檢測器目前多數還不能用于分析超輕元素（O、N、C等）。其原因是檢測器分辨率還不夠高；另外由于半導體檢測器表面附有7.5-25μm厚度的鈹窗（用作防污染和可見(jiàn)光真空隔離等），對輸入的弱X射線(xiàn)吸收很?chē)乐?，是能譜分析輕元素的主要障礙。
 
　　五、能譜儀的優(yōu)點(diǎn)（相對于另一項常用的成分分析工具——波譜儀（WDS）而言）
　?。?）檢測效率
　　能譜儀中鋰漂移硅探測器對X射線(xiàn)發(fā)射源所張的立體角顯著(zhù)大于波譜儀，所以前者可以接收到更多的X射線(xiàn)信號；其次波譜儀因分光晶體衍射而造成部分X射線(xiàn)強度損失。因此能譜儀的檢測效率較高。
　?。?）空間分析能力
　　能譜儀因檢測效率高，可在較小的電子束流下工作，使束斑直徑減小，空間分析能力提高。目前，在分析電鏡中的微束操作方式下能譜儀分析的最小微區已經(jīng)達到納米數量級，而波譜儀的空間分辨率僅處于微米數量級。
　?。?）分辨本領(lǐng)
　　能譜儀的最佳能量分辨本領(lǐng)為149eV，波譜儀的波長(cháng)分辨本領(lǐng)表述為能量的形式后相當于5-10eV，可見(jiàn)波譜儀的分辨本領(lǐng)比能譜儀高一個(gè)數量級。
　?。?）分析速度
　　能譜儀可在同一時(shí)間內對分析點(diǎn)內的所有X射線(xiàn)光子的能量進(jìn)行檢測和計數，僅需幾分鐘時(shí)間可得到全譜定性分析結果；波譜儀只能逐個(gè)測定每一元素的特征波長(cháng)，一次全分析往往需要幾個(gè)小時(shí)。
　?。?）分析元素的范圍
　　波譜儀可以測量鈹(Be)-鈾(U)之間的所有元素，而能譜儀中Si(Li)檢測器的鈹窗口吸收超輕元素的X射線(xiàn)，只能分析鈉（Na）以后的元素。
　?。?）可靠性
　　能譜儀結構簡(jiǎn)單，沒(méi)有機械傳動(dòng)部分，數據的穩定性和重現性較好。波譜儀的定量分析誤差（1-5%）遠小于能譜儀的定量分析誤差（2-10%）。
　?。?）樣品要求
　　波譜儀在檢測時(shí)要求樣品表面平整。能譜儀對樣品表面沒(méi)有特殊要求，適合于粗糙表面的分析。
 
　　六、EDS在成分分析中的應用
　　1.點(diǎn)分析
　　用于測定樣品上某個(gè)指定點(diǎn)的化學(xué)成分。能譜儀中的多道分析器可使樣品中所有元素的特征X射線(xiàn)信號同時(shí)檢測和顯示。
 
　　例如：隕石的研究（2009年降落于山西渾源）

 

圖4：二次電子像


圖5：定點(diǎn)EDS分析


圖6：各點(diǎn)分析結果
 
 

　　2.線(xiàn)分析

　　用于測定某種元素沿給定直線(xiàn)分布的情況。方法是將X射線(xiàn)譜儀（波譜儀或能譜儀）固定在所要測量的某元素特征X射線(xiàn)信號（波長(cháng)或能量）的位置上，把電子束沿著(zhù)指定的方向做直線(xiàn)軌跡掃描，便可得到該元素沿直線(xiàn)特征X射線(xiàn)強度的變化，從而反映了該元素沿直線(xiàn)的濃度分布情況。改變譜儀的位置，便可得到另一元素的X射線(xiàn)強度分布。
 

圖7：Al-Zn-Mg-Cu鑄態(tài)組織電子探針線(xiàn)掃面分析：主要合金元素Mg、Cu、Zn沿枝晶間呈周期性分布

 
　　3.面分析
　　通過(guò)逐點(diǎn)測定1.740 keV的X射線(xiàn)信號，就可以得到在該區域內某元素的分布圖像。一般對X射線(xiàn)成分像，可按亮度的大小設置一定的區間，并賦予各區間一定的顏色，因此是一幅假的彩色圖像。
如：
 

圖8：某樣品特定區域內的元素分布
 

　　綜上所述，EDS需要與SEM、TEM、XRD（X射線(xiàn)衍射儀）等聯(lián)用，才能更好地完整地把握一個(gè)樣品的成分、結構、形貌等信息。