電子探針全稱電子探針X 射線顯微分析儀，又稱微區(qū)X射線光譜分析儀，是一種利用電子束作用樣品后產(chǎn)生的特征X射線進(jìn)行微區(qū)成分分析的儀器，英文簡(jiǎn)稱為EPMA。

可用來(lái)分析薄片中礦物微區(qū)的化學(xué)組成，分析對(duì)象是固體物質(zhì)表面細(xì)小顆粒或微小區(qū)域，最小范圍直徑為1μm。除H、He、Li、Be等幾個(gè)較輕元素外，還有U元素以后的元素以外都可進(jìn)行定性和定量分析。

其優(yōu)點(diǎn)在于能夠觀察樣品表面的形貌特征、進(jìn)行微區(qū)成分的相關(guān)分析等，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的定性、定量、線、面等分析。除此之外，電子探針還能夠?qū)悠繁砻娉尸F(xiàn)的二次電子像、X-ray 像、吸收電子像、背散射電子像等進(jìn)行觀察和分析。

電子探針在對(duì)物品進(jìn)行觀察和分析時(shí)，通常采用磨平或拋光等處理手段使樣品表面保持光滑平整，以此得到類納米級(jí)別的微觀相分布，便于分析領(lǐng)域的人員對(duì)微觀區(qū)域的準(zhǔn)確定位與分析。隨著分辨率的提高，電子探針?lè)治龇椒ㄒ言谝苯?、地質(zhì)偵探、半導(dǎo)體材料、化工化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域拓展，并發(fā)揮著重要的分析作用。

工作原理

當(dāng)匯聚的直徑較細(xì)的一束電子束對(duì)樣品表面進(jìn)行轟擊時(shí)，入射電子將與樣品的原子核乃至核外電子發(fā)生彈性或非彈性的散射作用，使樣品形貌特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、元素成分等信息被激發(fā)反射出來(lái)，具體如二次電子、特征X射線、背散射電子等。其配備的顯微鏡，能夠幫助分析工作者直接對(duì)樣品實(shí)施分析，使分析的試樣置于羅蘭圓或聚焦圓上，使材料定量分析的準(zhǔn)確性得到保證，后續(xù)還需利用波譜儀或能譜儀對(duì)樣品反射出的光波信號(hào)與不同成分的光波信號(hào)相比對(duì)和分析，從而確定出微小區(qū)域內(nèi)成分的種類及含量。

高能電子束入射到樣品表面激發(fā)產(chǎn)生的X射線具有確定的特征波長(zhǎng)和能量。由莫塞萊定律可知，ν1/2＝R(Z-σ)，式中ν 為X射線頻率，Z為原子序數(shù)，R和σ 為常數(shù)，且σ 約等于1。又λ=c/ν，ε=hν，式中c 為光速，h 為普朗克常數(shù)，λ 為特征X射線的波長(zhǎng)，ε 為特征X射線的能量。

可以看出，電子探針激發(fā)樣品表面產(chǎn)生的特征X射線波長(zhǎng)和能量取決于樣品元素的原子序數(shù)，只要知道樣品中激發(fā)出的特征X射線的波長(zhǎng)或能量就能確定試樣中的待測(cè)元素，測(cè)量特征X射線強(qiáng)度就可以確定相應(yīng)的元素含量，這就是電子探針的基本原理。

結(jié)構(gòu)組成

主要由電子光學(xué)系統(tǒng)、真空室、樣品室、X射線分光系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)等組成。

電子探針的電子光學(xué)系統(tǒng)，真空室和樣品室與掃描電子顯微鏡相同，樣品臺(tái)可以上下左右移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。高能電子束可照射到樣品上任意需要分析的區(qū)域，掃描線圈控制電子束在樣品上掃描，就可以得到與掃描電子顯微鏡(SEM)一樣的背散射電子圖像或二次電子圖像，只是圖像的分辨率不如掃描電子顯微鏡。

X射線分光系統(tǒng)分為兩種：一種是利用分光晶體(布拉格衍射定律)檢測(cè)特征X射線波長(zhǎng)的波譜儀(簡(jiǎn)稱WDS)，是電子探針主要的檢測(cè)方式；另一種是利用硅半導(dǎo)體檢測(cè)器直接檢測(cè)X射線能量的能譜儀(簡(jiǎn)稱EDS)。一般將EDS作為附件安裝在掃描電子顯微鏡上檢測(cè)元素，有時(shí)也用作電子探針的輔助檢驗(yàn)手段。

樣品制備

要求：

? 樣品大小要合適；

? 薄片和砂薄片不能加蓋玻璃；

? 樣品表面有良好的的導(dǎo)電和導(dǎo)熱；

? 樣品表面盡量磨得很平，表面干凈無(wú)污染；

? 明確分析區(qū)域位置；

? 確定分析內(nèi)容：分析位置、分析元素、分析方式。

制備：

? 粉末樣品

直接撒在樣品座的雙面碳導(dǎo)電膠上，用平的表面物體壓緊，再用洗耳球吹去粘結(jié)不牢固的顆粒，也可采用環(huán)氧樹(shù)脂等鑲嵌材料將樣品包埋后，進(jìn)行粗磨、細(xì)磨及拋光方法制備。

? 塊狀樣品

可用環(huán)氧樹(shù)脂等鑲嵌后，進(jìn)行研磨和拋光，較大的塊狀樣品也可直接研磨和拋光。

? 鍍膜

樣品加工后，蒸鍍金或者碳等導(dǎo)電膜，再分析。形貌觀察時(shí)，可蒸鍍金導(dǎo)電膜，成分定性，定量分析，必須蒸鍍碳導(dǎo)電膜。鍍膜要均勻，厚度控制在20nm左右。標(biāo)樣和樣品應(yīng)同時(shí)蒸鍍。

分析特點(diǎn)

微區(qū)分析電子探針?lè)治鰠^(qū)域可以是幾個(gè)立方微米，能將微區(qū)化學(xué)成分與顯微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來(lái)進(jìn)行點(diǎn)分析(用于選定點(diǎn)的全譜定性分析或其中所含元素的定量分析)，線分析(用于顯示元素沿選定直線方向上的含量變化)和面分析(用于觀察元素在選定微區(qū)內(nèi)含量分布)；

元素分析范圍廣配置了能譜儀的電子探針?lè)直媛矢?，峰背比高，定量分析?zhǔn)確，但樣品表面要平整光滑以方便聚焦；

不損壞試樣電子探針能同時(shí)利用掃描電子束得到二次電子或背散射電子的形貌圖像(但是形貌效果不如掃描電子顯微鏡)，可以獲得更低的元素檢出限，定量分析更準(zhǔn)確，特別是微區(qū)分析表現(xiàn)突出。

自電子探針問(wèn)世以來(lái)，其憑借定量更準(zhǔn)確，分析元素更廣等明顯優(yōu)勢(shì)活躍在多個(gè)領(lǐng)域，為各類學(xué)科提供技術(shù)加持和寶貴的學(xué)術(shù)依據(jù)。

在地質(zhì)學(xué)方面，電子探針主要用于分析鑒定巖礦，檢查細(xì)小的疑難礦物，揭示礦物內(nèi)部化學(xué)性質(zhì)的變化，推斷成巖成礦的地質(zhì)狀況，測(cè)定共存相或?qū)嶒?yàn)巖石學(xué)、實(shí)驗(yàn)礦物學(xué)的產(chǎn)物，確定礦床的物質(zhì)組成與元素的賦存狀態(tài)等。

在金屬學(xué)方面，電子探針主要用于測(cè)定合金、金屬間化合物、偏析、夾雜和脫溶物的組成，分析金屬界面的共存相和熱處理所形成的相變，確定平衡相的成分，考察金屬在氣相或液相介質(zhì)中的腐蝕和氧化機(jī)理，測(cè)定金屬滲層、鍍層并研究在邊界的擴(kuò)散，觀察金屬斷口的形態(tài)特征等。

在材料學(xué)方面，電子探針則被用于測(cè)定材料的成分，檢查元素的分布狀態(tài)和缺陷，為找尋材料的損壞原因提供關(guān)鍵證據(jù)。

在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方面，電子探針的應(yīng)用研究成果更多，包括牙齒與骨骼鈣化程度和元素分布狀態(tài)的研究；頭發(fā)生長(zhǎng)紋理同人的健康和精神狀態(tài)的關(guān)系；移植材料對(duì)周圍組織和軀體的化學(xué)影響；正常細(xì)胞與變態(tài)細(xì)胞的局部化學(xué)分析；毒理學(xué)研究，即跟蹤毒性元素在生物體中的聚集，研究化學(xué)元素對(duì)生物的毒性等。

電子探針提供大量的技術(shù)支持和的數(shù)據(jù)支撐，有力地推動(dòng)多個(gè)學(xué)科理論的發(fā)展，為理論、實(shí)踐的綜合利用作出重要貢獻(xiàn)。

分析應(yīng)用

1、合金中的相與夾雜物分析

使用電子探針來(lái)分析合金中的相及夾雜物的一大優(yōu)勢(shì)在于，能使材料成分信息和物質(zhì)形貌特征形成對(duì)照，且能夠?qū)A雜物中存在的每個(gè)相進(jìn)行識(shí)別，使材料分析的結(jié)果更為準(zhǔn)確。電子探針與波譜儀組合可形成能夠配合結(jié)構(gòu)分析的組合儀器?？茖W(xué)家曾用這種組合儀器對(duì)18-8 型不銹鋼進(jìn)行了晶界析出相分析。伴隨著圖像處理技術(shù)的升級(jí)，使得現(xiàn)在的材料分析可以按照夾雜物內(nèi)物質(zhì)的濃度差或元素的類型予以各樣式的分布統(tǒng)計(jì)及呈現(xiàn)定量相的分析結(jié)果。

2、擴(kuò)散反應(yīng)類分析

在擴(kuò)散研究中起到推動(dòng)作用的是放射性同位素的研發(fā)與應(yīng)用。而利用電子探針結(jié)合圖像處理儀形成的濃度- 深度曲線不僅比上述提到的放射性同位素法更為方便，而且準(zhǔn)確率也得到了提升，但由于電子探針?lè)治龇椒o(wú)法在自擴(kuò)散中發(fā)揮作用，因此不能全然代替放射同位素法。在擴(kuò)散研究中除了自擴(kuò)散還有反應(yīng)擴(kuò)散現(xiàn)象，該現(xiàn)象在金屬類材料的加工及各種反應(yīng)中廣泛出現(xiàn)，如熱處理、氧化、腐蝕等。利用電子探針可以清晰地觀察物質(zhì)反應(yīng)擴(kuò)散時(shí)元素的轉(zhuǎn)化及新物質(zhì)的生成。。除了熱處理，電子探針還能在如氧化腐蝕類的表面改性反應(yīng)中，探索到元素的遷移，為改進(jìn)工藝，合成新物質(zhì)提供有利助力。

3、軟X 射線光譜對(duì)元素分析

軟X 射線指波長(zhǎng)大于0.5nm，能量低于2000ev 的X 射線。在激發(fā)過(guò)程中，牽涉了較多參與反應(yīng)的電子，導(dǎo)致其激發(fā)的譜線形狀和能量同化合狀態(tài)的發(fā)生而出現(xiàn)變化。對(duì)這些變化進(jìn)行研究能夠得到元素存在狀態(tài)的相關(guān)信息。上述理論在國(guó)外不少國(guó)家的電子探針?lè)治鲅芯恐械玫搅蓑?yàn)證。

4、合金相圖分析

采用電子探針檢測(cè)合金相圖常見(jiàn)的有兩種方法：

一是稱擴(kuò)散偶法，利用了兩種金屬或合金產(chǎn)出擴(kuò)散偶，升溫一段時(shí)間后退火，測(cè)量不同物質(zhì)的濃度曲線，得到二元或者三元系的等溫截面，也可利用三種濃度較純的金屬制成“品”字形的擴(kuò)散偶測(cè)量其三元系相圖；

二是退火淬火法，將多種相位共存的樣品放在一起，升溫一段時(shí)間后退火，使合成物達(dá)到平衡后實(shí)施淬火，隨后利用電子探針測(cè)量混雜物各相的成分，并繪制該溫度下的等溫截面。

以上兩種方法的優(yōu)勢(shì)在于，不僅降低了樣品的數(shù)量，且可直接測(cè)量混合物的均勻性，若退火后混合物各相平衡，既可獲得各相的成分，也可獲得連接線；若退火后混合物各相未達(dá)到平衡，則可通過(guò)測(cè)定相界面兩邊的物質(zhì)成分計(jì)算出相界，以此獲得未平衡狀態(tài)下的低溫相圖。

5、顯微偏析

對(duì)合金元素的偏析會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生大影響。研究表明，許多金屬材料出現(xiàn)失效的現(xiàn)象與元素偏析存在一定的關(guān)聯(lián)性。隨著世界航空航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求也更為嚴(yán)格，科研人員研發(fā)出越來(lái)越多的金屬材料，現(xiàn)階段微量元素的分析以及對(duì)材料性能的影響已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，PPM 級(jí)別的微量雜質(zhì)可能會(huì)對(duì)制造出的合金性能影響大。

6、輕元素分析

輕元素指的是碳、硼、氧、氮等元素，該類元素的分析一直是材料分析從業(yè)人員的難題，現(xiàn)階段對(duì)于此類元素的定性定量分析還存在不少需要修正的問(wèn)題，具體為：

其一，輕元素信號(hào)強(qiáng)度較低，主要是由輕元素在X 射線產(chǎn)額方面存在能力不足和長(zhǎng)波輻射易被吸收這兩方面原因所導(dǎo)致的；

其二，化學(xué)鍵合的影響，在對(duì)輕元素的特征X 射線進(jìn)行激發(fā)時(shí)，可能內(nèi)含鍵合電子，使其強(qiáng)度及形成的譜線形狀存在不穩(wěn)定的情況，據(jù)研究表明，由鍵合電子引發(fā)的不穩(wěn)定現(xiàn)象會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)30% 左右的誤差；

其三，受譜線干擾，重元素會(huì)生成高次射線，使其譜線出現(xiàn)重疊或者背景升高等現(xiàn)象；

其四，與輕元素強(qiáng)度相關(guān)的分布函數(shù)暫無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，現(xiàn)存的與吸收系數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)缺乏說(shuō)服力等。

所以，電子探針對(duì)金屬材料中輕元素的分析還存在一定的問(wèn)題，需要科研人員繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)新的功能，使電子探針?lè)治龇òl(fā)揮更大的作用。