電子探針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，可以用來分析薄片中礦物微區(qū)的化學(xué)組成。除H、He、Li、Be等幾個較輕元素外，還有U元素以后的元素以外都可進(jìn)行定性和定量分析。電子探針的大批量是利用經(jīng)過加速和聚焦的極窄的電子束為探針，激發(fā)試樣中某一微小區(qū)域，使其發(fā)出特征X射線，測定該X射線的波長和強(qiáng)度，即可對該微區(qū)的元素作定性或定量分析。

電子探針顯微分析原理及其發(fā)展的初期是建立在X射線光譜分析和電子顯微鏡這兩種技術(shù)基礎(chǔ)上的，該儀器實質(zhì)上就是這兩種儀器的科學(xué)組合。電子探針是運用電子所形成的探測針(細(xì)電子束)作為X射線的激發(fā)源來進(jìn)行顯微X射線光譜分析的儀器。分析對象是固體物質(zhì)表面細(xì)小顆粒或微小區(qū)域，Z小范圍直徑為1μm。

電子探針可測量的化學(xué)成分的元素范圍一般從原子序數(shù)12(Mg)至92(U)，原子序數(shù)大于22的元素可在空氣通路的X射線光譜儀上進(jìn)行測量。電子探針的靈敏度低于X射線熒光光譜儀，原因是電子探針X射線的本底值高于后者，但電子探針的感量比其他儀器都高。此外，后期生產(chǎn)的儀器，可作X射線背散射照相、透視照相。能兼作透射電鏡、能進(jìn)行電子衍射、能作電子熒光觀察等。

diyi臺電子探針是法國制成的，是在1949年用電子顯微鏡和X射線光譜儀組合而成。1953年前蘇聯(lián)制成了X射線微區(qū)分析儀，以后英、美等國陸續(xù)生產(chǎn)。diyi臺掃描電子探針儀是美國于1960年制成，不僅能對試樣作點或微區(qū)分析，而且能對樣品表面微區(qū)進(jìn)行掃描。原子序數(shù)12至22的元素要在真空下進(jìn)行成分測定，原子序數(shù)12以內(nèi)的元素需要增添一些特殊設(shè)備才能分析。原子序數(shù)50以上的元素用L系X射線光譜進(jìn)行分析，原子序數(shù)50以下的元素也可以分析，如Sn(50)可用K系x射線光譜進(jìn)行分析。

電子探針的優(yōu)點

1、能進(jìn)行微區(qū)分析?？煞治鰯?shù)個μm3內(nèi)元素的成分。

2、能進(jìn)行現(xiàn)場分析。無需把分析對象從樣品中取出，可直接對大塊試樣中的微小區(qū)域進(jìn)行分析。把電子顯微鏡和電子探針結(jié)合，可把在顯微鏡下觀察到的顯微組織和元素成分聯(lián)系起來。

3、分析范圍廣。Z>4其中，波譜：Be—U，能譜：Na—U。

電子探針的功能及特色

電子探針可以對試樣中微小區(qū)域(微米級)的化學(xué)組成進(jìn)行定性或定量分析?？梢赃M(jìn)行點、線掃描(得到層成分分布信息)、面掃描分析(得到成分面分布圖像)。還能全自動進(jìn)行批量(預(yù)置9999測試點)定量分析。由于電子探針技術(shù)具有操作迅速簡便(相對復(fù)雜的化學(xué)分析方法而言)、實驗結(jié)果的解釋直截了當(dāng)、分析過程不損壞樣品、測量準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點，故在冶金、地質(zhì)、電子材料、生物、醫(yī)學(xué)、考古以及其它領(lǐng)域中得到日益廣泛地應(yīng)用，是礦物測試分析和樣品成分分析的重要工具。

電子探針的技術(shù)支持

電子光學(xué)系統(tǒng)

該系統(tǒng)為電子探針分析提供具有足夠高的入射能量，足夠大的束流和在樣品表面轟擊殿處束斑直徑近可能小的電子束，作為X射線的激發(fā)源。為此，一般也采用鎢絲熱和2-3個聚光鏡的結(jié)構(gòu)。 為了提高X射線的信號強(qiáng)度，電子探針必須采用較掃描電鏡更高的入射電子束流(在10-9-10-7A范圍)，常用的加速電壓為10-30 KV，束斑直徑約為0.5μm。

電子探針在鏡筒部分與掃描電鏡明顯不同之處是由光學(xué)顯微鏡。它的作用是選擇和確定分析點。其方法是，先利用能發(fā)出熒光的材料(如ZrO2)置于電子束轟擊下，這是就能觀察到電子束轟擊點的位置，通過樣品移動裝置把它調(diào)到光學(xué)顯微鏡目鏡十字線交叉點上，這樣就能保證電子束正好轟擊在分析點上，同時也保證了分析點處于X射線分光譜儀的正確位置上。在電子探針上大多使用的光學(xué)顯微鏡是同軸反射式物鏡，其優(yōu)點是光學(xué)觀察和X射線分析可同時進(jìn)行。放大倍數(shù)為100-500倍。

X射線譜儀

電子束轟擊樣品表面將產(chǎn)生特征X射線，不同的元素有不同的X射線特征波長和能量。通過鑒別其特征波長或特征能量就可以確定所分析的元素。利用特征波長來確定元素的儀器叫做波長色散譜儀(波譜儀)，利用特征能量的就稱為能量色散譜儀(能譜儀)。

電子探針的工作原理

電子探針(Electron Probe Microanalysis-EPMA)的主要功能是進(jìn)行微區(qū)成分分析。它是在電子光學(xué)和X射線光譜學(xué)原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高xiao率分析儀器。

其原理是：用細(xì)聚焦電子束入射樣品表面，激發(fā)出樣品元素的特征X射線，分析特征X射線的波長(或能量)可知元素種類；分析特征X射線的強(qiáng)度可知元素的含量。

其鏡筒部分構(gòu)造和SEM相同，檢測部分使用X射線譜儀，用來檢測X射線的特征波長(波譜儀)和特征能量(能譜儀)，以此對微區(qū)進(jìn)行化學(xué)成分分析。

X射線譜儀是電子探針的信號檢測系統(tǒng)，分為：

能量分散譜儀(EDS)，簡稱能譜儀，用來測定X射線特征能量。

波長分散譜儀(WDS)，簡稱波譜儀，用來測定特征X射線波長。

WDS組成：波譜儀主要由分光晶體和X射線檢測系統(tǒng)組成。

原理：根據(jù)布拉格定律，從試樣中發(fā)出的特征X射線，經(jīng)過一定晶面間距的晶體分光，波長不同的特征X射線將有不同的衍射角。通過連續(xù)地改變q，就可以在與X射線入射方向呈2q的位置上測到不同波長的特征X射線信號。根據(jù)莫塞萊定律可確定被測物質(zhì)所含有的元素。

為了提高接收X射線強(qiáng)度，分光晶體通常使用彎曲晶體。

WDS工作原理

已知電子束入射樣品表面產(chǎn)生的X射線是在樣品表面下一個um量級乃至納米量級的作用體積發(fā)出的，若該體積內(nèi)含有各種元素，則可激發(fā)出各個相應(yīng)元素的特征X線，沿各向發(fā)出，成為點光源。在樣品上方放置分光晶體，當(dāng)入射X波長、入射角、分光晶體面間距d之間滿足2dsinq = l時，該波長將發(fā)生衍射，若在其衍射方向安裝探測器，便可記錄下來。由此，可將樣品作用體積內(nèi)不同波長的X射線分散并展示出來。

上述平面分光晶體使譜儀的檢測效率非常低，表現(xiàn)在：固定波長下，特定方向入射才可衍射；處處衍射條件不同;要解決的問題是：分光晶體表面處處滿足同樣的衍射條件；實現(xiàn)衍射束聚焦 把分光晶體作適當(dāng)?shù)膹椥詮澢?，并使X射線源、彎曲晶體表面和檢測器窗口位于同一個圓周上，就可以達(dá)到把衍射束聚焦的目的。該圓稱為聚焦圓，半徑為R。此時，如果晶體的位置固定，整個分光晶體只收集一種波長的X射線，從而使這種單色X射線的衍射強(qiáng)度大大提高。

EDS工作原理

利用不同元素X射線光子特征能量不同特點進(jìn)行成分分析鋰漂移硅能譜儀Si(Li)框圖加在Si(Li)晶體兩端偏壓來收集電子空穴對→(前置放大器)轉(zhuǎn)換成電流脈沖→(主放大器)轉(zhuǎn)換成電壓脈沖→(后進(jìn)入)多通脈沖高度分析器，按高度把脈沖分類，并計數(shù)，從而描繪I-E圖譜。

當(dāng)特征能量ΔΕ的X射線光子由Si(Li)檢測器收集時，在Si(Li)晶體內(nèi)將激發(fā)出一定數(shù)目的電子—空穴對。

假定產(chǎn)生一個空穴對的Zdi平均能量為ε(固定的)，則由一個光子造成的空穴對數(shù)目為：

N — 一個X射線光子造成的空穴電子對的數(shù)目

ε — 產(chǎn)生一個空穴對的Zdi平均能量

ΔΕ — 特征能量

工作過程

加在Si(Li)晶體兩端偏壓來收集電子空穴對→ (前置放大器)轉(zhuǎn)換成電流脈沖→ (主放大器)轉(zhuǎn)換成電壓脈沖→ (后進(jìn)入)多通脈沖高度分析器，按高度把脈沖分類，并計數(shù)，從而描繪I-E圖譜。

能譜儀分析特點：

具有以下優(yōu)點(與波譜儀相比)

能譜儀探測X射線的效率高。

在同一時間對分析點內(nèi)所有元素X射線光子的能量進(jìn)行測定和計數(shù)，在幾分鐘內(nèi)可得到定性分析結(jié)果，而波譜儀只能逐個測量每種元素特征波長。

結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性和重現(xiàn)性都很好(因為無機(jī)械傳動)，不必聚焦，對樣品表面無特殊要求，適于粗糙表面分析。

具有以下缺點和不足：

分辨率低：Si(Li)檢測器分辨率約為160eV；波譜儀分辨率為5-10eV

能譜儀中因Si(Li)檢測器的鈹窗口限制了超輕元素的測量，因此它只能分析原子序數(shù)大于11的元素；而波譜儀可測定原子序數(shù)從4到92間的所有元素。

能譜儀的Si(Li)探頭必須保持在低溫態(tài)，因此必須時時用液氮冷卻。