學術干貨|談談能量色散X射線譜儀（EDS）的那些事兒

大家對能夠進行樣品的微區結構與形貌分析的掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）都不陌生，而與之相關的利用特征X射線具有特征能量這一原理設計的用于成分分析的能量色散X射線譜儀（EDS），因為不常用，所以可能就沒那么熟悉了。而今天，小編就給大家講講，EDS的那些事兒！

一、EDS所用信號：

高速運動的電子束轟擊樣品表面，電子與元素的原子核及外層電子發生單次或多次彈性與非彈性碰撞，有一些電子被反射出樣品的表面，其余的滲入樣品中，逐漸失去其動能，最后被阻止，并被樣品吸收。在此過程中有99％以上的入射電子能量轉變成熱能，只有約1％的入射電子能量從樣品中激發出各種信號。其中，特征X射線是高能電子激發原子的內層電子，使原子處于不穩定態，從而外層電子填補內層空位使原子趨于穩定的狀態，在躍遷的過程中，直接釋放出具有特征能量和波長的一種電磁輻射，即特征X射線。

圖1：高能電子轟擊樣品表面所能產生的各種信號

二、能量色散X射線譜儀（EDS）的結構與工作原理

不同元素發射出來的特征X射線能量是不相同的，利用特征X射線能量不同而進行的元素分析稱為能量色散法。所用譜儀稱為能量色散X射線譜儀（EDS），簡稱能譜儀。

圖2：能譜儀結構及工作原理

X射線能譜儀的主要構成單元是Si(Li)半導體檢測器，即鋰漂移硅半導體檢測器和多道脈沖分析器。能量為數千電子伏特的入射電子束照射到樣品上，激發出特征X射線，通過Be窗直接照射到Si(Li)半導體檢測器上，使Si原子電離并產生大量電子-空穴對，其數量與X射線能量成正比。

這是因為：

• 產生一個空穴對的最低平均能量為ε
• 則由一個X射線光子造成的電子空穴對的數目為:N=ΔE/ε
• 入射X射線光子的能量越高，N就越大。
• 不同元素發射不同能量的X射線，不同能量的X射線將產生不同的電子空穴對數。

例如：Fe的Kα輻射可產生1685個電子空穴對，而Cu為2110個。

通過對Si(Li)檢測器加偏壓（一般為-500~-1000 V)，可分離收集電子空穴對，并用場效應管前置放大器將其轉換成電流脈沖。再由主放大器轉換成電壓脈沖，然后送到多道脈沖分析器。例如對Fe的Kα來說，V=0.27 mV，對Cu的Kα，V=0.34 mV。即不同元素產生的脈沖高度不一樣。

多道脈沖高度分析器中的數模轉換器首先把脈沖信號轉換成數字信號，建立起電壓脈沖幅值與道址的對應關系（道址號與X光子能量間存在對應關系）。電壓脈沖高度越高，道址號越高。

三、EDS能譜曲線

常用的X射線能量范圍在0.2-20.48 keV。如果總道址數為1024，那么每個道址對應的能量范圍是20 eV。X光子（射線）能量低的對應道址號小，能量高的對應道址號大。根據不同道址上記錄的X射線的數目，就可以確定各種元素的X射線強度。然后，在X-Y記錄儀或陰極射線管上把脈沖數與脈沖高度曲線顯示出來，這就是X射線的能譜曲線。

圖3：Al、Si、Ca的X射線能譜圖

四、注意事項

Si（Li）半導體檢測器和場效應晶體管皆應在液氮溫度條件下使用和保存。因為鋰在室溫下很容易擴散，造成假輸出；同時為了減小前置放大器的電噪聲，所用的場效應晶體管也必須放在液氮中，以提高檢測器分辨率。

Si（Li）半導體檢測器目前多數還不能用于分析超輕元素（O、N、C等）。其原因是檢測器分辨率還不夠高；另外由于半導體檢測器表面附有7.5-25μm厚度的鈹窗（用作防污染和可見光真空隔離等），對輸入的弱X射線吸收很嚴重，是能譜分析輕元素的主要障礙。

五、能譜儀的優點（相對于另一項常用的成分分析工具——波譜儀（WDS）而言）

①檢測效率

能譜儀中鋰漂移硅探測器對X射線發射源所張的立體角顯著大于波譜儀，所以前者可以接收到更多的X射線信號；其次波譜儀因分光晶體衍射而造成部分X射線強度損失。因此能譜儀的檢測效率較高。

②空間分析能力

能譜儀因檢測效率高，可在較小的電子束流下工作，使束斑直徑減小，空間分析能力提高。目前，在分析電鏡中的微束操作方式下能譜儀分析的最小微區已經達到納米數量級，而波譜儀的空間分辨率僅處于微米數量級。

③分辨本領

能譜儀的最佳能量分辨本領為149eV，波譜儀的波長分辨本領表述為能量的形式后相當于5-10eV，可見波譜儀的分辨本領比能譜儀高一個數量級。

④分析速度

能譜儀可在同一時間內對分析點內的所有X射線光子的能量進行檢測和計數，僅需幾分鐘時間可得到全譜定性分析結果；波譜儀只能逐個測定每一元素的特征波長，一次全分析往往需要幾個小時。

⑤分析元素的范圍

波譜儀可以測量鈹(Be)-鈾(U)之間的所有元素，而能譜儀中Si(Li)檢測器的鈹窗口吸收超輕元素的X射線，只能分析鈉（Na）以后的元素。

⑥可靠性

能譜儀結構簡單，沒有機械傳動部分，數據的穩定性和重現性較好。波譜儀的定量分析誤差（1-5%）遠小于能譜儀的定量分析誤差（2-10%）。

⑦樣品要求

波譜儀在檢測時要求樣品表面平整。能譜儀對樣品表面沒有特殊要求，適合于粗糙表面的分析。

六、EDS在成分分析中的應用

1.點分析

用于測定樣品上某個指定點的化學成分。能譜儀中的多道分析器可使樣品中所有元素的特征X射線信號同時檢測和顯示。

例如：隕石的研究（2009年降落于山西渾源）

圖4：二次電子像

圖5：定點EDS分析

圖6：各點分析結果

2.線分析

用于測定某種元素沿給定直線分布的情況。方法是將X射線譜儀（波譜儀或能譜儀）固定在所要測量的某元素特征X射線信號（波長或能量）的位置上，把電子束沿著指定的方向做直線軌跡掃描，便可得到該元素沿直線特征X射線強度的變化，從而反映了該元素沿直線的濃度分布情況。改變譜儀的位置，便可得到另一元素的X射線強度分布。

圖7：Al-Zn-Mg-Cu鑄態組織電子探針線掃面分析：主要合金元素Mg、Cu、Zn沿枝晶間呈周期性分布

3.面分析

通過逐點測定1.740 keV的X射線信號，就可以得到在該區域內某元素的分布圖像。一般對X射線成分像，可按亮度的大小設置一定的區間，并賦予各區間一定的顏色，因此是一幅假的彩色圖像。

如：

圖8：某樣品特定區域內的元素分布

綜上所述，EDS需要與SEM、TEM、XRD（X射線衍射儀）等聯用，才能更好地完整地把握一個樣品的成分、結構、形貌等信息。

此次關于EDS的介紹，由于能力所致，還不夠系統深入，也可能存在一定的紕漏，萬望讀者能夠諒解，同時提出寶貴意見，小編這里先謝謝大家！

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