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能譜儀（Energy Dispersive Spectroscopy）簡稱能譜，用于樣品微區(qū)元素的成分和含量分析，常與掃描電鏡（SEM）或者透射電鏡（TEM）搭配使用。經(jīng)常使用掃描電鏡可以知道，我們只要在樣品表面選擇感興趣的區(qū)域，點(diǎn)擊開始便可以獲得樣品表面元素成分及含量信息，非常的簡單快捷。

那么能譜分析的基本原理是什么呢？接下來小編帶著大家深入探索。

原理

從電子槍中發(fā)射出高能電子束撞擊樣品表面，與原子的內(nèi)層電子發(fā)生非彈性散射作用時，使原子發(fā)生電離，從而使原子失去一個內(nèi)層電子而變成離子，并在該電子層對應(yīng)位置產(chǎn)生一個空穴，原子為了恢復(fù)到穩(wěn)定態(tài)，較外層的電子就會填補(bǔ)到這個空穴，在填補(bǔ)過程中同時會產(chǎn)生具有特征能量的 X 射線（圖1），探測器接收到這些特征 X 射線后，經(jīng)過分析處理轉(zhuǎn)換終得到譜圖和分析數(shù)據(jù)輸出。

圖1

當(dāng)高能入射電子將原子的 K 層電子撞擊出來時同時會形成一個空穴，原子為了恢復(fù)到穩(wěn)定態(tài)，較外層的電子便會填充到 K 層的空穴中。如果是 L 層的電子填充 K 層的空穴，在此過程中會發(fā)射出 Kα 的 X 射線；如果是 M 層的電子填充 K 層的空穴，在此過程中會發(fā)射出 Kβ 的 X 射線（圖2）；當(dāng)入射電子將原子的 L 層電子撞擊出來后，原子為了恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，這時位于 L 層以外的電子就會填補(bǔ)到 L 層上的空穴，若 M 層電子填補(bǔ)到 L 層，則會發(fā)射出 Lα  的 X 射線。

圖2

案例分析

在這里我們以 Al 原子為例，我們知道 Al 的各層電子電離能為 EK = 1.56 KeV，EL = 0.073 KeV，EM = 0.003 KeV。當(dāng) L 層電子填補(bǔ)到 K 層空穴，所釋放出的特征 X 射線 Kα 的能量為  EK – EL = 1.487 KeV；同理當(dāng) M 層電子填補(bǔ)到 K 層空穴，所釋放出的特征 X 射線 Kβ 的能量為 EK – EM = 1.557 KeV。采用飛納電鏡能譜對鋁樣品進(jìn)行實(shí)際測試結(jié)果如下圖 3，從能譜結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算得到的峰位置與實(shí)測值幾乎沒有差別。

圖3

加速電壓的選擇

對于同一個原子，特征 X 射線 Kα 的能量zui高，所以只要入射電子束的能量能夠激發(fā)出該元素的特征 X 射線 Kα，那么就一定能夠激發(fā)出 L 層或者 M 層射線，激發(fā)出原子某個 X 特征射線所需要的低能量稱為臨界電離能，通常我們選擇入射電子束的加速電壓 ≥1.5 倍臨界電離能。

以 Fe 原子為例，我們知道 Fe 的特征 X 射線 Kα 的能量為 6.405 KeV，特征 X 射線 Kβ 的能量為 7.059 KeV，所以其 K 層臨界電離能為 7.059 KeV。所以其低加速電壓為 1.5×7.059 = 10.589 kV。理想加速電壓一般 2 倍于該原子的臨界電離能。

圖4 特征 X 射線 —— 元素周期表

為什么能譜無法檢測 H、He、Li、Be

· 對于 H、He 這兩種元素，只有 K 層電子，當(dāng) K 層電子被激發(fā)，沒有外層電子回填，所以也不會產(chǎn)生特征 X 射線；
· Li 的特征 X 射線 Kα 的能量為 0.054 KeV，Be 的特征 X 射線 Kβ 的能量為 0.108 KeV，由于它們能量極低且信號弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于能譜分辨率，所以檢測比較困難。

參考資料：

1. 掃描電鏡和能譜儀的原理與實(shí)用分析技術(shù).施明哲
2. 能譜儀工具之元素周期表--特征X射線能量表