Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия - Energy-dispersive X-ray spectroscopy

"EDXA" перенаправляется сюда. Для немецкого аэропорта см. Ахмерский аэродром.
Спектр EDS минеральной корки канадской креветки Rimicaris exoculata[1] Большинство этих пиков - это рентгеновские лучи, испускаемые при возвращении электронов к электронной оболочке K. (К-альфа и К-бета линий) Один пик - от L-оболочки железа.

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS, EDX, EDXS или XEDS), иногда называемый энергодисперсионный рентгеновский анализ (EDXA) или энергодисперсионный рентгеновский микроанализ (EDXMA), является аналитическим методом, используемым для элементный анализ или химическая характеристика образца. Он основан на взаимодействии некоторых источник из Рентгеновский возбуждение и образец. Его возможности определения характеристик в значительной степени обусловлены фундаментальным принципом, согласно которому каждый элемент имеет уникальный атомная структура позволяя уникальный набор пиков на его электромагнитном спектр излучения[2] (что является основным принципом спектроскопия ). Положения пиков предсказываются Закон Мозли с точностью намного лучше, чем экспериментальное разрешение типичного прибора EDX.

Чтобы стимулировать испускание характеристического рентгеновского излучения от образца, пучок рентгеновских лучей фокусируется в исследуемый образец. В состоянии покоя атом в образце содержит основное состояние (или невозбужденные) электроны на дискретных уровнях энергии или электронные оболочки связаны с ядром. Падающий луч может возбуждать электрон во внутренней оболочке, выбрасывая его из оболочки, создавая при этом электронная дыра где был электрон. Затем электрон из внешней оболочки с более высокой энергией заполняет дыру, и разница в энергии между оболочкой с более высокой энергией и оболочкой с более низкой энергией может высвобождаться в виде рентгеновского излучения. Количество и энергия рентгеновского излучения, испускаемого образцом, можно измерить с помощью энергодисперсионного спектрометра. Поскольку энергии рентгеновских лучей являются характеристикой разницы в энергии между двумя оболочками и атомной структуры излучающего элемента, EDS позволяет измерять элементный состав образца.[2]

Оборудование

Четыре основных компонента установки EDS:

  1. источник возбуждения (электронный луч или рентгеновский луч)
  2. то Детектор рентгеновского излучения
  3. импульсный процессор
  4. анализатор.[нужна цитата ]

Возбуждение электронным пучком используется в электронные микроскопы, растровые электронные микроскопы (SEM) и растровые просвечивающие электронные микроскопы (STEM). Возбуждение рентгеновским пучком используется в Рентгеновская флуоресценция (XRF) спектрометры. Детектор используется для преобразования энергии рентгеновского излучения в Напряжение сигналы; эта информация отправляется в импульсный процессор, который измеряет сигналы и передает их анализатору для отображения и анализа данных.[нужна цитата ] Самым распространенным детектором раньше был Si (Li) детектор охлаждаются до криогенных температур жидким азотом. Теперь новые системы часто оснащены кремниевые дрейфовые детекторы (SDD) с Охлаждение Пельтье системы.

Технологические варианты

Принцип EDS

Избыточная энергия электрона, который мигрирует во внутреннюю оболочку, чтобы заполнить вновь созданную дыру, может делать больше, чем просто излучать рентгеновские лучи.[3] Часто вместо рентгеновского излучения избыточная энергия передается третьему электрону от другой внешней оболочки, вызывая его выброс. Этот изгнанный вид называется Оже-электрон, а метод его анализа известен как Оже-электронная спектроскопия (AES).[3]

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) - еще один близкий родственник EDS, использующий выброшенные электроны аналогично AES. Информация о количестве и кинетическая энергия выброшенных электронов используется для определения энергия связи этих теперь освобожденных электронов, который зависит от элемента и позволяет химические характеристики образца.[нужна цитата ]

EDS часто противопоставляют его спектроскопическому аналогу WDS (рентгеновская спектроскопия с дисперсией по длинам волн ). WDS отличается от EDS тем, что использует дифракция рентгеновских лучей на специальных кристаллах для разделения необработанных данных на спектральные составляющие (длины волн). WDS имеет гораздо более высокое спектральное разрешение, чем EDS. WDS также позволяет избежать проблем, связанных с артефактами в EDS (ложные пики, шум от усилителей и т. Д.). микрофоника ).

Пучок заряженных частиц высокой энергии, таких как электроны или протоны может использоваться для возбуждения образца, а не рентгеновских лучей. Это называется Рентгеновское излучение, индуцированное частицами ) или PIXE.

Точность ЭЦП

EDS можно использовать для определения химических элементов, присутствующих в образце, и для оценки их относительного содержания. EDS также помогает измерять толщину многослойного покрытия металлических покрытий и анализировать различные сплавы. На точность этого количественного анализа состава пробы влияют различные факторы. Многие элементы будут иметь перекрывающиеся пики рентгеновского излучения (например, Ti Kβ и V Kα, Mn Kβ и Fe Kα). На точность измеренного состава также влияет природа образца. Рентгеновские лучи генерируются любым атомом в образце, который достаточно возбужден входящим лучом. Эти рентгеновские лучи излучаются во всех направлениях (изотропно), поэтому не все они могут выйти из образца. Вероятность того, что рентгеновское излучение выйдет из образца и, следовательно, будет доступно для обнаружения и измерения, зависит от энергии рентгеновского излучения, а также от состава, количества и плотности материала, который он должен пройти, чтобы достичь детектора. Из-за этого эффекта поглощения рентгеновских лучей и аналогичных эффектов точная оценка состава образца по измеренному спектру рентгеновского излучения требует применения процедур количественной коррекции, которые иногда называют матричной коррекцией.[2]

Новые технологии

Существует тенденция к созданию более нового детектора EDS, называемого кремниевый дрейфовый детектор (SDD). SDD состоит из кремниевого чипа с высоким сопротивлением, электроны которого направляются к небольшому собирающему аноду. Преимущество заключается в чрезвычайно низкой емкости этого анода, что позволяет сократить время обработки и обеспечить очень высокую производительность. Преимущества SDD включают:[нужна цитата ]

  1. Высокая скорость счета и обработки,
  2. Лучшее разрешение, чем у традиционных Si (Li) детекторов, при высокой скорости счета,
  3. Меньшее мертвое время (время, затрачиваемое на обработку рентгеновского события),
  4. Более быстрые аналитические возможности и более точные рентгеновские карты или данные о частицах, собираемые за секунды,
  5. Возможность хранения и эксплуатации при относительно высоких температурах, что устраняет необходимость в жидкий азот охлаждение.

Поскольку емкость микросхемы SDD не зависит от активной области детектора, можно использовать микросхемы SDD гораздо большего размера (40 мм2 или больше). Это позволяет собирать еще более высокую скорость счета. Дополнительные преимущества микросхем большой площади включают:[нужна цитата ]

  1. Сведение к минимуму тока луча SEM, позволяющее оптимизировать визуализацию в аналитических условиях,
  2. Уменьшено повреждение образца и
  3. Меньшее взаимодействие луча и улучшенное пространственное разрешение для высокоскоростных карт.

Там, где интересующая энергия рентгеновского излучения превышает ~ 30 кэВ, традиционные кремниевые технологии страдают от низкой квантовой эффективности из-за уменьшения размера детектора. останавливающая сила. Детекторы, изготовленные из полупроводников высокой плотности, таких как теллурид кадмия (CdTe) и теллурид кадмия и цинка (CdZnTe) имеют повышенную эффективность при более высоких энергиях рентгеновского излучения и могут работать при комнатной температуре. Одноэлементные системы и, в последнее время, пиксельные детекторы изображений, такие как HEXITEC системы, способны достигать энергетического разрешения порядка 1% при 100 кэВ.

В последние годы появился новый тип детектора EDS, основанный на сверхпроводящем микрокалориметр, также стал коммерчески доступным. Эта новая технология сочетает в себе возможности одновременного обнаружения EDS с высоким спектральным разрешением WDS. Микрокалориметр EDS состоит из двух компонентов: поглотителя и сверхпроводящего датчик края перехода (TES) термометр. Первый поглощает рентгеновские лучи, испускаемые образцом, и преобразует эту энергию в тепло; последний измеряет последующее изменение температуры из-за притока тепла. Микрокалориметр EDS исторически страдал от ряда недостатков, включая низкую скорость счета и малую площадь детектора. Скорость счета затруднена из-за того, что она полагается на постоянная времени электрической цепи калориметра. Площадь детектора должна быть небольшой, чтобы теплоемкость небольшая и максимальная тепловая чувствительность (разрешающая способность ). Однако скорость счета и площадь детектора были улучшены за счет реализации массивов из сотен сверхпроводящих микрокалориметров EDS, и важность этой технологии растет.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Корбари, L; и другие. (2008). «Отложения оксида железа, связанные с эктосимбиотическими бактериями в гидротермальных жерлах креветок Rimicaris exoculata» (PDF). Биогеонауки. 5 (5): 1295–1310. Дои:10.5194 / bg-5-1295-2008.
  2. ^ а б c Джозеф Гольдштейн (2003). Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. Springer. ISBN  978-0-306-47292-3. Получено 26 мая 2012.
  3. ^ а б Jenkins, R.A .; Де Фриз, Дж. Л. (1982). Практическая рентгеновская спектрометрия. Springer. ISBN  978-1-468-46282-1.

внешние ссылки

  • МИКРОАНАЛИСТ.NET - Информационный портал с материалами рентгеновского микроанализа и EDX
  • [1] -EDS на SEM: Учебник, обсуждающий принципы, возможности и ограничения EDS с SEM
  • Узнайте, как делать EDS в SEM - интерактивная обучающая среда, предоставляемая Microscopy Australia