電子探針實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

李曉瑜

（東北大學(xué)材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110819）

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)金屬材料學(xué)的研究提供了新的方向，其中包括研究金屬材料的微細(xì)結(jié)構(gòu)及其微區(qū)化學(xué)成分、金屬表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征、物理性質(zhì)等。對(duì)金屬材料進(jìn)行微區(qū)分析尤為重要，微區(qū)分析可以［1-3］：①用作常規(guī)金屬鑒定，由于分析區(qū)域小，幾乎是對(duì)常規(guī)金屬鑒定的唯一手段，甚至可以發(fā)現(xiàn)新的金屬；②通過(guò)微區(qū)分析可以查明金屬或合金產(chǎn)品中有益元素和有害元素的賦存狀態(tài)，從而為金屬材料的綜合利用和技術(shù)加工提供基礎(chǔ)資料；③通過(guò)綜合研究金屬微區(qū)的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和其他物理化學(xué)性質(zhì)，可以極大地促進(jìn)金屬材料科學(xué)中一些基本問(wèn)題的研究和解決。因此，它為金屬分析提供了多方面新的研究方向。

肉眼和光學(xué)顯微鏡鑒定金屬材料的方法簡(jiǎn)單、方便、快捷，但不能微觀理解金屬成分及其結(jié)構(gòu)。近代物理學(xué)的發(fā)展使新的測(cè)試技術(shù)不斷涌現(xiàn)，成為金屬材料鑒定分析中重要的常規(guī)手段，如X 射線衍射分析（XRD ）［4-5］、透射電鏡（TEM ）［6-7］、掃描電鏡（SEM）［8-9］、電子探針（EPMA）［10-11］、俄歇電子能譜分析（AES）［12］及熱分析技術(shù)［13］等原理及方法。其中，用電子探針進(jìn)行金屬微區(qū)的分析是非常有效并且精度較高的一種方法。通過(guò)構(gòu)建基于電子探針的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生充分了解電子探針的檢測(cè)原理及操作方法，并在實(shí)驗(yàn)中掌握并實(shí)踐金屬微區(qū)分析的基本理論，真正做到理論與實(shí)際相結(jié)合。

1 電子探針的概況

電子探針以前也被稱(chēng)為X 射線微區(qū)分析儀（XMA），現(xiàn)在稱(chēng)為電子束微區(qū)分析儀（EPMA）。圖1所示為島津EPMA-1600 電子探針的實(shí)物圖，由圖中可見(jiàn)，電子探針主要由檢測(cè)設(shè)備和工作站構(gòu)成，其中檢測(cè)設(shè)備主要用于完成對(duì)材料的微區(qū)分析實(shí)驗(yàn)，而工作站則用來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察以及再分析。圖2 所示為檢測(cè)設(shè)備的平面展開(kāi)示意圖，由圖中可見(jiàn)，檢測(cè)設(shè)備主要由光學(xué)觀察設(shè)備、X 射線檢測(cè)器、背散射電子檢測(cè)器、二次電子檢測(cè)器、分光器、電子槍等主要元件構(gòu)成。

圖1 島津EPMA-1600電子探針的實(shí)物圖

圖2 EPMA檢測(cè)設(shè)備的平面示意圖

基于此，電子探針是以單一能量的聚焦電子束為激發(fā)源，在試樣的待測(cè)元素內(nèi)電子殼層產(chǎn)生空位，通過(guò)使用由分光晶體和檢測(cè)器組成的波譜儀，從而檢測(cè)原子退激發(fā)時(shí)發(fā)射的特征熒光X 射線，最終確定試樣的微米量級(jí)微區(qū)元素成分及含量的分析儀。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

為了完成對(duì)樣品的微區(qū)分析，設(shè)計(jì)了由電子探針和Report Assistant軟件構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該教學(xué)平臺(tái)結(jié)合了Linux 和Windows 兩大操作系統(tǒng)，主要通過(guò)在Linux操作系統(tǒng)下的電子探針設(shè)備完成對(duì)樣品的微區(qū)分析檢測(cè)，利用在Windows 操作系統(tǒng)下的Report Assistant軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析再處理，最終得到清晰明了并且適用于老師及學(xué)生做進(jìn)一步研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 所示為電子探針設(shè)備的檢測(cè)原理框圖。由圖中可見(jiàn)，電子探針的工作原理是使用聚焦電子束照射樣品表面上待測(cè)的微小區(qū)域，一方面樣品受到能量的注入，變成激發(fā)狀態(tài)，這時(shí)候會(huì)釋放出電子或離子、產(chǎn)生X 射線或光，以恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生的電子、離子、X射線等直接帶有樣品的信息，從而完成對(duì)樣品微區(qū)的分析，具體情況如圖4 所示。另一方面，電子束可以激發(fā)樣品中不同波長(zhǎng)（或能量）的特征X射線；基于特征X射線的波長(zhǎng)（或能量）進(jìn)行元素的定性分析，并且基于特征X射線的強(qiáng)度進(jìn)行元素的定量分析。

圖3 電子探針設(shè)備的檢測(cè)原理框圖

圖4 激發(fā)源與檢測(cè)信息情況說(shuō)明圖

Report Assistant是一個(gè)在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析軟件，通過(guò)該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析再處理以及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的批量保存。

電子探針實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的主要部分是在Linux 系統(tǒng)下完成的。Linux系統(tǒng)相對(duì)安全可靠，且可在服務(wù)器上長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，確保對(duì)樣品進(jìn)行精確微區(qū)分析時(shí)穩(wěn)定可靠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析處理則在Window 系統(tǒng)下進(jìn)行。處理數(shù)據(jù)時(shí)直觀簡(jiǎn)潔的界面及快速高效的算法可大幅提高實(shí)驗(yàn)的效率與質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的功能

設(shè)計(jì)的電子探針實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可讓學(xué)生充分了解電子探針檢測(cè)原理的同時(shí)，完成對(duì)樣品的精確微區(qū)分析。平臺(tái)主要功能有兩大部分：形貌觀察和元素分析。具體功能分布如圖5 所示。

圖5 電子探針實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的主要功能

電子探針設(shè)備對(duì)于樣品的形貌觀察主要是通過(guò)二次電子像（SE-Image）、背散射電子像（BSE-Image）和吸收電子像（AE-Image）3 部分實(shí)現(xiàn)的。其中，二次電子像是指由入射電子轟擊的樣品中原子軌道電子攜帶的樣品信息而成的像，其空間分辨率極高，基本可以與入射電子直徑相當(dāng)，適用于高倍樣品表面的精細(xì)構(gòu)造觀察；背散射電子像是由入射電子的一部分在樣品表面附近被反彈，彈性或非彈性地向反向散射，從而反映出樣品內(nèi)部信息所成的像，由于背散射電子的強(qiáng)度隨著樣品原子序數(shù)的增大而增強(qiáng)，因此，背散射電子像多用于反應(yīng)表面形態(tài)和平均原子序數(shù)的差異；吸收電子像是指在樣品內(nèi)部擴(kuò)散的入射電子，與樣品中的原子反復(fù)碰撞，產(chǎn)生了二次電子及各種能量的電磁波（X射線），運(yùn)動(dòng)能量消失，以電流的形式通過(guò)地線流出，從而反映出樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息所成的像，吸收電子的信號(hào)強(qiáng)度與背散射電子的信號(hào)強(qiáng)度相反，并且隨著樣品的原子數(shù)增加而減小，因此，吸收電子像也多用于反映樣品平均原子序數(shù)的差異。圖6 所示反映了不同信號(hào)下相同樣品的電子圖像。

另一方面，電子探針設(shè)備對(duì)于樣品的元素分析主要由定性分析、定量分析、線分析、面分析和狀態(tài)分析等功能構(gòu)成［14］。完成這些功能所需要的最重要的信號(hào)是特征X射線，其波長(zhǎng)與樣品原子序數(shù)之間存在一定關(guān)系，滿(mǎn)足Moseley定律［15］，通過(guò)定性分析可以知道構(gòu)成樣品的元素，也可通過(guò)測(cè)量其強(qiáng)度進(jìn)行定量分析；將分光器固定到某個(gè)元素的特征X 射線的波長(zhǎng)位置，并在一維、二維方向上掃描電子束或樣品本身，從而得到線分析及面分析圖；根據(jù)化學(xué)結(jié)合狀態(tài)的不同，在X射線峰的波長(zhǎng)、波形和強(qiáng)度上會(huì)有些許變化，通過(guò)這些變化可以知道元素間的結(jié)合狀態(tài)，從而完成對(duì)樣品的狀態(tài)分析。

圖6 不同信號(hào)下相同樣品的電子圖像

4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果依賴(lài)于充分的樣品處理以及最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定，樣品的前期處理以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的條件設(shè)定這兩點(diǎn)是相輔相成的，任何一步做得不到位都有可能造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，甚至造成實(shí)驗(yàn)失敗。

一個(gè)理想的樣品應(yīng)具備如下特點(diǎn)［16］：①分析表面新鮮并且缺陷明顯；②樣品可承受在真空中觀察以及分析；③樣品應(yīng)具備導(dǎo)電性、耐熱性和熱傳導(dǎo)性，如果樣品本身不具備導(dǎo)電性，則需要入射電子在被照射樣品表面層、或樣品表面附近具有導(dǎo)電性，這一過(guò)程可以通過(guò)噴鍍法實(shí)現(xiàn)；④在進(jìn)行分析時(shí)，要盡可能地保證觀察面的平滑及水平。

在獲得理想樣品后，待選擇的實(shí)驗(yàn)條件也根據(jù)分析目的而不同。因此，充分理解實(shí)驗(yàn)條件的改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是十分必要的。表1 列出了實(shí)驗(yàn)條件變化時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)，圖7 所示為在電子探針實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上，根據(jù)表1 所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)條件變化時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)

圖7 不同實(shí)驗(yàn)條件下的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果

必須指出，良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也依賴(lài)于豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。在充分理解相關(guān)實(shí)驗(yàn)的基本理論之后，只有不斷提高自身應(yīng)用能力，積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)，才能通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得最理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié) 語(yǔ)

以本校實(shí)驗(yàn)室的專(zhuān)業(yè)特色為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于電子探針的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)通過(guò)對(duì)金屬材料的微區(qū)進(jìn)行定性以及定量分析，幫助相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生深入了解材料的化學(xué)性質(zhì)及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)在該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)際操作，培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，使他們將來(lái)能夠更好地為材料學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份自己的力量！