10.4. Электронный микроанализ

Регистрация и измерение характеристического рентгеновского излучения материалов, возбуждаемого быстрыми электронами, лежат в основе электронного микроанализа. Главной чертой электронного микроанализа (рис. 10.3) является локализация возбуждения в малой области поверхности образца с помощью остро сфокусированного электронного пучка. Возбуждаемый электронами объем образца имеет размер порядка микрометра, поэтому данная методика анализа часто называется электронным

Рис. 10.3. Взаимодействие электронного пучка с твердым телом. Падающие электроны создают вакансии на внутренних оболочках на глубинах в несколько микрометров. 1 — электронный пучок; 2 — обратно рассеянные и вторичные электроны; 3 — рентгеновское излучение сплошного и характеристического спектров; 4 — исследуемый образец.

микроанализом ЕМА (от англ. Electron Microprobe Analysis). Электронный пучок можно сканировать по поверхности, получая изображение горизонтального распределения составляющих материала.

В материаловедении важны всего несколько линий, это главным образом , а также -серия и -линии). Энергии К- и -серий приведены в приложениях. Энергии наиболее важных характеристических линий представлены на рис. 10.4. В зависимости от типа используемого детектора анализ рентгеновских спектров принито проводить в виде распределения либо по энергии, либо по длинам волн. Наиболее удобной формой анализа является режим спектроскопии с дисперсией по энергии EDS

Рис. 10.4. Зависимость энергии Е рентгеновских линий атомов химических элементов от атомного номера Z.

(от англ. Energy Dispersive Spectroscopy) с использованием кремний-литиевого детектора, принцип работы которого подобен твердотельному детектору заряженных частиц, описанному в гл. 3. Падающее рентгеновское излучение создает фотоэлектроны, которые в конечном итоге отдают свою энергию на образование электронно-дырочных пар. Число пар пропорционально энергии налетающего фотона. Приложенное электрическое напряжение формирует импульс тока с амплитудой, пропорциональной числу пар или энергии рентгеновского кванта. Такие детекторы дают прямой путь измерения рентгеновского спектра в широком диапазоне энергий с энергетическим разрешением около 150 эВ. Спектр рентгеновского излучения , полученный с помощью детектора на показан на рис. 10.5. Линии ясно разрешимы. Полная ширина на половине максимума линии определяется разрешением детектора. Разрешение в свою очередь определяется статистическими вариациями, связанными с процессом создания электронно-дырочных пар. Более высокое разрешение достигается с помощью методики дисперсии по длинам волн, однако ценой снижения эффективности.

Спектроскопия с дисперсией по длине волны WDS (от англ. Wavelength Dispersive Spectroscopy) основана на дифракции рентгеновского излучения на кристаллическом анализаторе; только то рентгеновское излучение, которое удовлетворяет брэгговскому условию , отражается благодаря усиливающей интерференции и попадает на детектор. На детектор могут попадать благодаря дифракции также и отражения более высокого пстядка для данной длины волны. Отраженные длины волн

Рис. 10.5. Рентгеновские спектры маргавца, измеренные с помощью твердотельного детектора с дисперсией по энергии. Линия соответствует энергии 5,89 кэВ, а линия — энергии 6,49 кэВ. Разрешение детектора, полная ширина на половине максимума, равно 148 эВ.

Рис. 10.6. Рентгеновские спектры никелевого сплава, полученные на установках с дисперсией по энергии (а) и дисперсией по длинам волн (б). Первый спектр (а) получен с помощью твердотельного детектора , второй спектр (б) — с помощью дифракции на кристалле .

соответствуют рефлексам первого, второго и третьего порядков. На рис. 10.6 показаны спектры анализа состава никелевого сплава на установках с дисперсией по энергии и дисперсией по длине волны. Установка с дисперсией по длине волны имеет энергетическое разрешение , достаточное для разрешения близко расположенных линий.

На установке с дисперсией по энергии возможно перекрытие откликов от различных элементов, если энергии рентгеновского излучения близки. Линия элемента Z располагается близко к линии элемента или , например для Как видно из рис. 10.6, б, переход L для таллия располагается близко к переходу К никеля; однако установка с дисперсией по длинам волн позволяет легко выявлять компоненту в материале. Перекрытия линий могут осложнить анализ многоэлементных образцов.

Регистрация химических сдвигов энергии связи, обнаруживаемых при фотоэмиссии (XPS), в рентгеновском анализе затруднена, так как рентгеновское излучение обусловлено переходом между двумя уровнями, которые смещаются в одном и том же направлении вследствие химических связей. Смещения длин волн в сторону как более длинных, так и более коротких наблюдаются в рентгеновских спектрах с очень высоким разрешением для различных элементов в химических соединениях.

В рентгеновской спектроскопии, как и для большинства атомных переходов, энергетическая ширина (ширина линии) связана с временем жизии дырки в электронной оболочке. Это и есть фундаментальная ширина, определяемая происходящими атомными процессами и являющаяся той минимальной энергетической шириной, которая могла бы наблюдаться детектором с высоким разрешением. Из принципа неопределенности следует, что

(10.3)

Для атомных уровней энергии можно положить , где равно среднему времени жизни возбужденного состояния. Среднее время жизни определяется излучательными или оже-переходами. Таким образом,

Уширение, определяемое временем жизни, может достигать величины 10 эВ для -оболочек и более 100 эВ для А-оболочек элементов с большим Z. Эти ширины являются следствием заполнения вакансий на внутренних электронных оболочках внешними электронами на временах порядка .