Устройство рентгеновского микроанализатора и подготовка образцов
Определяющим фактором в анализе с электронным зондом является формирование удовлетворительного электронного пучка в заданной точке Электроны с энергией 5…50 кэВ, обычно используемые в электронных зондах, полностью поглощаются в слое воздуха толщиной в несколько сантиметров при атмосферном давлении, поэтому на пути пучка от электронной пушки до образца необходимо создавать вакуум порядка 10-4 мм рт.ст. (~10-2 Па).
Рис. 3.4.3. Схема одного из рентгеновских микроанализаторов: 1 - электронная пушка, 2 - конденсорная линза, 3 - источник света, 4 - отражательный объектив, 5 - окуляр, 6 - объективная электронная линза, 7 - изогнутый кристалл-анализатор, 8 - детектор рентгеновского излучения поверхности образца и контроль траектории перемещения образца под пучком.
Разработано несколько десятков конструкций микроанализаторов, отличающихся в деталях. Все применяемые в настоящее время рентгеновские микрозонды состоят из следующих основных частей (рис. 3.4.3):
1) электронно-оптической системы для получения фокусированного пучка быстрых электронов (в нее входят электронная пушка 1, две электронные линзы 2, 6 и анод);
2) одного (или больше) рентгеновского спектрометра для измерения длин волн и интенсивностей возбуждаемых рентгеновских лучей (входят кристалл-анализатор 7 и детектор 8);
3) светового микроскопа для выбора участка образца, предназначенного для исследования (включает источник света 3, отражательный объектив с отверстием для пропуска электронного пучка 4, окуляр 5 и систему зеркал);
4) системы регистрации информации (самописцы, цифровая и звуковая индикации импульсов - на рис. 3.4.3 не показаны).
Поскольку рентгеновский микроанализатор в современных приборах комбинированного действия часто рассматривается как приставка, в вакуумной колонне могут быть представлены еще и устройства для сканирования электронного луча, для анализа дисперсии по энергиям. Чаще всего рентгеновский микроанализатор является составной частью растровых электронных микроскопов (РЭМ), широко применяемых для фрактографического анализа (изучения поверхностей излома с увеличением до ~500 раз со значительной глубиной поля зрения). Совмещение в этом случае электронно-оптического изображения с возможностью поточечного химического анализа дает уникальные возможности при определении особенностей и причин разрушения материалов. В отечественной практике наибольшее распространение имеют импортные микроанализаторы JEM, JEOL, Cameca и отечественные МАР-2, РЭММА, ПРЭМ и др.
В некоторых современных устройствах предусмотрено использование камеры образца, позволяющей быстро заменить образец, не нарушая вакуума в электронно-оптической колонне прибора. Применение высокоэмиссионных пушек из гексаборида лантана требует повышения вакуума в районе катода еще на 2 порядка.
Электронный пучок, бомбардирующий образец, возбуждает поток рентгеновского излучения, тем более сложный по спектру, чем больше различных химических элементов содержится в анализируемой пробе. Для обеспечения возможности анализа на все элементы с атомными номерами Z от 4 до 92 нужно иметь возможность использовать широкую область длин волн от 0,5 до 100Å . Но даже если ограничиваться областью мягкого рентгена, то для этого необходимо применять по крайней мере 3 сменных кристалла-анализатора с различными межплоскостными расстояниями d, удовлетворяющими закону отражения Вульфа-Брегга.
Рентгеноспектральный микроанализ
Под рентгеноспектральным микроанализом понимают определение элементного состава
микрообъемов по возбуждаемому в них характеристическому рентгеновскому излучению.
По закону Мозли, для рентгеновских
линий внутри одной серии существует
прямая зависимость энергии излучения
от атомного номера химического
элемента:
E= p(Z-q)2
где E – энергия, Z – атомный номер
эмиттирующего атома ( p,q – константы)
Дифракционные методы исследования и, в первую очередь, рентгеновский
дифракционный анализ, являются основным источником сведений о структуре
вещества на атомном уровне.
Достоинства рентгеноструктурного метода (РСА)
В отношении требований, предъявляемых к образцу, лучше всего дело обстоит в
случае РСА:
Поток электронов полностью поглощается при прохождении через слой в несколько
микронов; рентгеновские лучи дают достаточную интенсивность рассеяния при
пересечении слоя в мм.
Поэтому для рентгеноструктурных исследований нет жестких требований к размерам
образца.
Недостатки рентгеноструктурного метода (РСА)
Необходим опыт оператора при расшифровке и интерпретации полученных данных.
Рентгеноспектральный микроанализ (микрорентгеноспектральный анализ, электронно-зондовый рентгеноспектральный анализ, электронно-зондовый микроанализ) — методика, позволяющая с помощью электронного микроскопа или специального электронно-зондового микроанализатора ("микрозонд") получить информацию о химическом составе образца в произвольно выбранном участке микроскопических размеров.
Суть методики заключается в том, что исследуемый образец помещается в вакуумную камеру растрового или просвечивающего электронного микроскопа и облучается сфокусированным направленным пучком электронов высокой энергии. Пучок электронов (электронный зонд) взаимодействует с приповерхностным участком образца глубиной обычно менее нескольких микрон. Объем зоны взаимодействия зависит как от ускоряющего напряжения, так и от плотности материала образца и для массивной мишени находится в диапазоне от первых десятых долей до десяти кубических микрон. Генерация рентгеновского излучения является результатом неупругого взаимодействия между электронами и образцом. Рентгеновское излучение появляется в результате двух главных процессов: эмиссии характеристического излучения и эмиссии фонового, или тормозного излучения (нем. –bremsstrahlung).
Локальный анализ.
Рентгеноспектральный анализ с помощью электронного зонда позволяет определить химический состав в очень малых объёмах образца, поперечные размеры которых на исследуемой поверхности имеют порядок микрона. Такой анализ проводят в специальных устройствах, получивших название микроанализаторов.
Микроанализатор является сложным прибором, в котором объеденены два устройства: 1) Для получения узкого пучка электронов, фокусирования его на определённую область объекта(диаметр 0,5-2 мк), выбора этой области; 2) Для наблюдения исследуемой области, разложения возбуждённого в объекте рентгеновского излучения в спектр и анализа его интенсивности.
