Кіріспе

Қатты заттардың микрохимиялық талдауына арналған құрал. Электрондық микрозонд (EMP), сондай-ақ электрондық зондты микроанализаторы (EPMA) немесе электрондық микрозондты анализаторы (EMPA) деп аталатын бұл құрал, қатты материалдардың кішкентай көлемдерінің химиялық құрамын бұзбай анықтау үшін қолданылатын талдау құралы болып табылады. Ол сканерлі электрондық микроскоп сияқты жұмыс істейді: үлгіге электрондық сәуле түсіріледі, нәтижесінде талданатын элементтерге тән толқын ұзындығындағы рентген сәулелері шығарылады. Бұл, әдетте 10-30 текше микрометр немесе одан да аз көлемдегі шағын үлгілердегі элементтердің мөлшерін 15-20 кВ үдеу кернеуін қолданғанда анықтауға мүмкіндік береді. Материалға байланысты, литийден плутонийға дейінгі элементтердің концентрациясы 100 миллионнан бір бөлік (ppm) деңгейінде өлшенуі мүмкін, бірақ сақтықпен, 10 ppm-нен төмен деңгейлерге де қол жеткізуге болады. Литийді EPMA арқылы мөлшерлеу мүмкіндігі 2008 жылы іске асырылды.

Тарих

Электрондық микрозонд (электрондық зонд микроанализаторы) екі технологияның дамуынан пайда болды: электрондық микроскопия – мақсатты материалға жоғары энергиялы электрондық сәулені бағыттап әсер ету, және рентгендік спектроскопия – электрондық сәуле әсерінен шашыраған фотондарды анықтау, фотондардың энергиясы/толқын ұзындығы қозған атомдарға тән. Эрнст Руска мен Макс Кнолл 1931 жылы электрондық микроскоптың прототипімен байланысты. Генри Мозли рентген сәулелерінің толқын ұзындығы мен оның пайда болған атомының сәйкестігі арасындағы тікелей байланысты ашуға қатысты. Электрондық сәуле микроанализіне қатысты бірнеше тарихи бағыттар болды. Олардың бірін RCA компаниясында Джеймс Хиллер мен Ричард Бейкер жасады. 1940 жылдардың басында олар электрондық микроскоп пен энергия жоғалту спектрометрін біріктіріп, электрондық микрозонд құрды. 1944 жылы патент алуға өтініш берілді. Электрондардың энергиясын жоғалту спектроскопиясы жеңіл элементтерді талдау үшін өте қолайлы, және олар C Kα, N Kα және O Kα сәулелену спектрлерін алды. 1947 жылы Хиллер аналитикалық рентген сәулелерін тудыру үшін электрондық сәулені пайдалану тұжырымына патент алды, бірақ жұмыс істейтін үлгіні жасаған жоқ. Оның жобасында белгілі бір рентген сәулесінің толқын ұзындығын іріктеу үшін жалпақ кристалдан Брэгг дифракциясын және детектор ретінде фототабақты пайдалану ұсынылды. Алайда, RCA бұл өнертабысты коммерцияландыруға қызығушылық танытпады. Екінші бағыт 1940 жылдардың соңында Францияда қалыптасты. 1948–1950 жылдары Андре Гвиние басшылығымен Раймонд Кастайнг ONERA институтында алғашқы электрондық микрозонды (электрондық микросонда) құрды. Бұл микрозонд ~10 наноампер (nA) сәуле тогымен 1–3 мкм диаметрлі электрондық сәуле шығарды және үлгіден шығарылған рентген сәулелерін анықтау үшін Гайгер санағышын қолданды. Бірақ Гайгер санағышы нақты элементтерден шыққан рентген сәулелерін ажырата алмады, сондықтан 1950 жылы Кастайнг толқын ұзындығы бойынша ажыратуға мүмкіндік беру үшін үлгі мен детектор арасына кварц кристаллын қосты. Ол сонымен қатар сәуле соққан жерді көру үшін оптикалық микроскопты да қосты. Нәтижесіндегі микрозонд Кастайнгтің 1951 жылғы докторлық диссертациясында сипатталған, ол Пол Дювез және Дэвид Витри аударған, онда ол электрондық микрозондты сандық талдау теориясы мен қолданысының негізін қалады, сіңіру және флуоресценция эффектілерінің матрицалық түзетулері үшін теориялық базаны құрды. Кастайнг (1921–1999) электрондық микрозондты талдаудың әкесі саналады. 1950 жылдар электрондық сәулелі рентген микроталдауына үлкен қызығушылық танытқан онжылдық болды, Кастайнгтің 1949 жылы Делфтте өткен Бірінші Еуропалық микроскопия конференциясындағы және 1951 жылы Вашингтондағы Ұлттық Стандарттар Бюросының Электрондық физика конференциясындағы, сондай-ақ 1950 жылдардың басы мен ортасындағы басқа конференциялардағы баяндамаларынан кейін. Көптеген зерттеушілер, негізінен материалтанушылар, өздерінің тәжірибелік электрондық микрозондарын жасады, кейде бастапқыдан, бірақ көбінесе қолданыстан қалған электрондық микроскоптарды пайдаланды. 1949 жылы Делфтте өткен Электрондық микроскопия конференциясын ұйымдастырушылардың бірі Кембридж университетіндегі Кавендиш зертханасының Вернон Эллис Косслетт болды, ол электрондық микроскопияны зерттеу орталығы, сондай-ақ Чарльз Оатлимен электрондық микроскопияны сканерлеу және Билл Никсонмен рентгендік микроскопия орталығы еді. Питер Данкамб үш технологияны біріктіріп, өзінің докторлық диссертациясы үшін сканерлік электрондық рентген микроанализаторын жасады (1957), ол Кембридж Микросканы ретінде коммерцияланды. Нацистерден қашып, Калифорния технология институтына қоныстанған және Джесси Дюмондпен бірлесіп жұмыс істеген бельгиялық материалтанушы Пол Дювез 1952 жылы Еуропада пойызбен келе жатып Андре Гвиниемен кездесті, онда ол Кастайнгтің жаңа құрылғысы және Калтехте ұқсас құрылғы салу туралы ұсыныс туралы білді. Дэвид Витри осындай құрылғыны жасау үшін жалданып, 1957 жылы докторлық диссертациясын аяқтады. Ол ARL EMX электрондық микрозондының прототипіне айналды. 1950 жылдардың соңы мен 1960 жылдардың басында Солтүстік Америкада, Ұлыбританияда, Еуропада, Жапонияда және КСРО-да электрондық сәулелі рентген микроанализаторларын жасаған оннан астам зертхана болды. Бірінші коммерциялық электрондық микрозонд, "MS85" CAMECA (Франция) компаниясы 1956 жылы шығарды. Одан кейін 1960 жылдардың ортасында басқа компаниялардың микрозондтары да пайда болды, бірақ CAMECA, JEOL және Shimadzu Corporation компанияларынан басқа барлық компаниялар банкротқа ұшырады. Сонымен қатар, көптеген зерттеушілер өз зертханаларында электрондық микрозондтар құрды. Микрозондтарға енгізілген маңызды келесі жақсартулар мен өзгерістерге рентген карталарын жасау үшін электрондық сәулені сканерлеу (1960), қатты күйдегі EDS детекторларын қосу (1968) және жеңіл элементтерді талдау үшін синтетикалық көп қабатты дифракциялық кристалдарды әзірлеу (1984) кірді. Кейінірек CAMECA ядролық қолданыстар үшін қоршалған электрондық микрозондты жасауды бастады. Соңғы онжылдықтарда CAMECA құралдарындағы бірнеше жетістіктер металлургия, электроника, геология, минералогия, ядролық станциялар, іздік элементтер және стоматология салаларында қолданылу аясын кеңейтті.

Операция

Үлгіге электрондық сәуле бағытталады. Сәуле үлгідегі әрбір элементтің өзіне тән жиілікте рентген сәулелерін шығаруына себеп болады; осы рентген сәулелерін электрондық микрозон арқылы анықтауға болады. Электрондық сәуленің мөлшері мен ток тығыздығы ажыратымдылық пен сканерлеу және/немесе талдау уақыты арасындағы қатынасты анықтайды.

Толық сипаттамасы

Төмен энергиялы электрондар вольфрам жіпшесінен, лантан гексаборид кристалдық катодынан немесе өрістік эмиссиялық электрон көзінен туындайды және оң зарядталған анод пластинасымен 3-30 мың электрон вольтқа (keV) дейін үдетіледі. Анод пластинасының орталық апертурасы бар, және осы апертурадан өтетін электрондар магниттік линзалар мен апертуралардың тізбегімен коллимделіп, фокусқа келтіріледі. Соның нәтижесінде пайда болатын электронды сәуле (шамамен 5 нм-ден 10 мкм-ге дейінгі диаметр) сынама бетін сканирлеуге немесе сынамадағы әртүрлі құбылыстарды тудыру үшін нүктелік режимде қолданылуы мүмкін. Бұл құбылыстардың қатарында: фонондық қозу (жылу), катодлюминесценция (көрінетін жарық флуоресценциясы), үздіксіз рентген сәулесі (bremsstrahlung), ерекше рентген сәулесі, екіншілік электрондар (плазмондардың туындауы), кері шашыраған электрондардың туындауы және Аугер электрондарының туындауы бар. Электронды сәуле (және сынамадан шашыраған электрондар) сынамадағы әртүрлі элементтердің атомдарының ең ішкі электрондық қабықшаларындағы байланысқан электрондармен өзара әрекеттескенде, олар байланысқан электрондарды электрондық қабықшадан шашыратып, сол қабықшада бос орын қалдырады (атомның иондануы). Бұл бос орын тұрақсыз және оны атомдағы жоғары энергиялы байланысқан қабықшаның электронымен толтыру қажет (осыдан басқа, одан да жоғары энергиялы байланысқан қабықшалардың электрондарымен толтырылатын тағы бір бос орын пайда болады) немесе төмен энергиялы байланыссыз электрондармен толтыру қажет. Бос орын пайда болған электрондық қабықша мен электронды толтыруға келген қабықша арасындағы байланыс энергиясының айырмасы фотон түрінде шығарылады. Фотонның энергиясы электромагниттік спектрдің рентгендік аймағында болады. Әр элементтің электрондық құрылымы ерекше болғандықтан, ең ішкі қабықшалардағы бос орындардан туындайтын рентгендік сәулелердің желілік энергиялары сол элементке тән, бірақ әртүрлі элементтердің желілері біртегіс болуы мүмкін. Ең ішкі қабықшалар қатысқандықтан, рентгендік сәулелердің желілік энергияларына қосылыстардағы элементтер арасындағы байланыстардан туындайтын химиялық әсерлер көбінесе әсер етпейді, бірақ төмен атомдық (Z) элементтерде (Kальфа үшін B, C, N, O және F, ал Kбета үшін Al-дан Cl-ға дейін) желілік энергиялар химиялық байланыста бос орындарды толтыруға қатысатын электрондық қабықшаның қатысуы нәтижесінде өзгертілуі мүмкін. Ерекше рентген сәулелері химиялық талдау үшін қолданылады. Нақты рентгендік толқын ұзындығы немесе энергиясы таңдалып, толқын ұзындығын дисперсиялық рентген спектроскопиясы (WDS) немесе энергияны дисперсиялық рентген спектроскопиясы (EDS) арқылы саналады. WDS кристалдардан Брэгг дифракциясын пайдаланып, қызығушылық тудыратын рентгендік толқын ұзындығын таңдайды және оны газ ағынына немесе герметикалық пропорционалдық детекторларға бағыттайды. Ал EDS сынамадан туындаған барлық толқын ұзындығындағы рентген сәулелерін жинақтау үшін қатты жартылай өткізгіш детекторды қолданады. EDS көбірек ақпарат береді және әдетте қысқарақ есептеу уақытын қажет етеді, бірақ WDS әдетте жоғары шешімі мен жоғары сигнал/шу қатынасының арқасында дәлірек және анықтау шегі төмен. Химиялық құрамы үлгідегі ерекше рентген сәулелерінің интенсивтілігін белгілі құрамы бар стандарттардың интенсивтілігімен салыстыру арқылы анықталады. Үлгіден алынған сандар сандық химиялық құрамды алу үшін матрицалық әсерлерге (рентген сәулелерін тудыру тереңдігі, сіңіру және екіншілік флуоресценция) сәйкес түзетілуі тиіс. Нәтижеде алынған химиялық деректер текстуралық контексте жиналады. Материалдың (мысалы, минералдық дән немесе металл) химиялық құрамындағы өзгерістер (аймақтық бөлу) оңай анықталады. Химиялық ақпарат жиналатын көлем (рентген сәулелерінің туындаған көлемі) 0,3 – 3 текше микрометрді құрайды.

Шектеулер

WDS 3-тен төмен нөмірлі элементтерді (литийді) анықтай алмайды. Бұл H, Li және Be сияқты геологиялық маңызы бар элементтерді талдағанда WDS-тің мүмкіндіктерін шектейді. Элементтік шыңдардың спектрлік ажыратымдылығы жақсарғанына қарамастан, кейбір шыңдар маңызды жапқыштарды көрсетеді, бұл талдау кезінде қиындықтар тудырады (мысалы, VKα және TiKβ). WDS талдаулары элементтердің валенттік күйлерін (мысалы, Fe2+ пен Fe3+) ажырата алмайды, оларды Мессбауэр спектроскопиясы немесе электрондық энергия жоғалту спектроскопиясы сияқты басқа әдістермен анықтау қажет. Бұл әдіс жеке бөлшектердің немесе түйіршіктердің құрамын және бірнеше микрометрден миллиметрге дейінгі өлшемдегі химиялық өзгерістерді бағалау үшін өте тиімді. Электрондық микрозонд зерттеулерде, сапаны бақылауда және ақауларды талдауда кеңінен қолданылады.

Минералогия және петрология

Бұл әдісті көбінесе минералогтар мен петрологтар қолданады. Көптеген тау жыныстары ұсақ минералдық түйіршіктердің жиынтығынан тұрады. Бұл түйіршіктер олардың қалыптасуы және кейіннен болатын өзгерістер кезінде жинаған химиялық ақпаратты сақтай алады. Бұл ақпарат кристалдану, литификация, вулканизм, метаморфизм, тау жасалу оқиғалары (орогенез) және плиталық тектоника сияқты геологиялық процестерді түсінуге көмектеседі. Бұл әдіс сонымен қатар ғарыштан келген тау жыныстарын (метеориттерді) зерттеу үшін де қолданылады және планеталардың, астероидтердің және кометалардың эволюциясын түсіну үшін қажетті химиялық деректерді ұсынады. Минералдың ортасынан (ядросынан) шетіне (жиегіне) дейінгі элементтік құрамының өзгеруі кристаллдың қалыптасу тарихы туралы, оның ішінде айналадағы ортаның температурасы, қысымы және химиялық құрамы туралы мәліметтер бере алады. Мысалы, кварц кристалдары температура, қысым және олардың қоршаған ортасындағы титан мөлшеріне байланысты өте аз, бірақ өлшенетін титан мөлшерін өз құрылысына қосады. Кристалл өскенде титан бұл параметрлердің өзгеруін тіркеп алады.

Метеоритті талдау

Метеориттердің химиялық құрамын ЭПМА көмегімен өте дәл талдауға болады. Бұл ерте Күн жүйесінде болған жағдайлар туралы көп мәлімет беруге мүмкіндік береді.