Введение
Электронный микрозонд (EMP), также известный как электронный микроанализатор (EPMA) или электронный микрозондный анализатор (EMPA), – это аналитический инструмент, используемый для неразрушающего определения химического состава малых объемов твердых материалов. Он работает по принципу, аналогичному сканирующему электронному микроскопу: образец бомбардируется электронным пучком, что приводит к испусканию рентгеновских лучей с длинами волн, характерными для анализируемых элементов. Это позволяет определять концентрацию элементов в небольших объемах образца (обычно 10–30 кубических микрометров или меньше) при использовании стандартного ускоряющего напряжения 15–20 кВ. Концентрации элементов от лития до плутония могут быть измерены до уровня 100 частей на миллион (ppm), в зависимости от материала, однако при соблюдении мер предосторожности возможны измерения и ниже 10 ppm. Возможность количественного определения лития методом EPMA стала реальностью в 2008 году.
An electron microprobe (EMP), also known as an electron probe microanalyzer (EPMA) or electron micro probe analyzer (EMPA), is an analytical tool used to non destructively determine the chemical composition of small volumes of solid materials. It works similarly to a scanning electron microscope: the sample is bombarded with an electron beam, emitting x rays at wavelengths characteristic to the elements being analyzed. This enables the abundances of elements present within small sample volumes (typically 10 30 cubic micrometers or less) to be determined, when a conventional accelerating voltage of 15 20 kV is used. The concentrations of elements from lithium to plutonium may be measured at levels as low as 100 parts per million (ppm), material dependent, although with care, levels below 10 ppm are possible. The ability to quantify lithium by EPMA became a reality in 2008.
История
Электронный микрозонд (электронный микроанализатор) был разработан на основе двух технологий: электронной микроскопии, использующей сфокусированный пучок электронов высокой энергии для облучения исследуемого материала, и рентгеновской спектроскопии, позволяющей идентифицировать фотоны, рассеянные при взаимодействии электронного пучка с веществом, при этом энергия/длина волны фотонов является характеристикой атомов, возбужденных падающими электронами. Эрнст Руска и Макс Нолл создали прототип электронного микроскопа в 1931 году. Генри Мозли установил прямую зависимость между длиной волны рентгеновского излучения и элементом, из которого оно исходит. В развитии микроанализа электронным пучком можно выделить несколько направлений. Одно из них было разработано Джеймсом Хиллиером и Ричардом Бейкером в RCA. В начале 1940-х годов они построили электронный микрозонд, объединив электронный микроскоп и спектрометр потерь энергии. В 1944 году была подана заявка на патент. Спектроскопия потерь энергии электронов особенно эффективна для анализа легких элементов, и им удалось получить спектры излучения C Kα, N Kα и O Kα. В 1947 году Хиллер запатентовал идею использования электронного пучка для генерации аналитических рентгеновских лучей, но так и не создал рабочий образец. Его конструкция предусматривала использование дифракции Брэгга на плоском кристалле для выделения определенных длин волн рентгеновского излучения и фотопластинку в качестве детектора. Однако компания RCA не проявила интереса к коммерциализации этого изобретения. Второе направление развивалось во Франции в конце 1940-х годов. В 1948–1950 годах Раймонд Кастайн под руководством Андре Гинье построил первый электронный микрозонд (“microsonde électronique”) в ONERA. Этот микрозонд формировал электронный луч диаметром 1–3 мкм с током около 10 наноампер (nA) и использовал счетчик Гейгера для регистрации рентгеновского излучения, возникающего в образце. Однако счетчик Гейгера не мог различать рентгеновское излучение, характерное для разных элементов, и в 1950 году Кастайн добавил кварцевый кристалл между образцом и детектором для обеспечения дискриминации по длине волны. Он также установил оптический микроскоп для наблюдения за точкой попадания пучка. Результаты были описаны в докторской диссертации Кастена 1951 года, переведенной на английский язык Полем Дювезом и Дэвидом Витри, в которой он заложил основы теории и применения количественного анализа с помощью электронного микрозонда, сформулировав теоретическую базу для поправок на поглощение и флуоресценцию в матрице. Кастайн (1921–1999) считается отцом анализа с помощью электронного микрозонда. 1950-е годы ознаменовались повышенным интересом к микроанализу рентгеновского излучения электронным пучком, после докладов Кастена на Первой Европейской конференции по микроскопии в Делфте в 1949 году и на конференции Национального бюро стандартов по физике электронов в Вашингтоне, округ Колумбия, в 1951 году, а также на других конференциях в начале и середине 1950-х годов. Многие исследователи, в основном материаловеды, разрабатывали собственные экспериментальные электронные микрозонды, иногда начиная с нуля, но часто используя списанные электронные микроскопы. Одним из организаторов конференции по электронной микроскопии в Делфте 1949 года был Вернон Эллис Косслетт из Лаборатории Кавендиша Кембриджского университета, центра исследований в области электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии (вместе с Чарльзом Оатли) и рентгеновской микроскопии (вместе с Биллом Никсоном). Питер Данкамб объединил все три технологии и разработал сканирующий электронный рентгеновский микроанализатор для своей докторской диссертации (1957), который был коммерциализирован под названием Cambridge MicroScan. Поль Дювез, бельгийский материаловед, бежавший от нацистов и поселившийся в Калифорнийском технологическом институте, где сотрудничал с Джесси Дюмондом, встретил Андре Гинье в поезде в Европе в 1952 году и узнал о новом приборе Кастена и предложении Калифорнийскому технологическому институту построить аналогичный прибор. Дэвид Витри был нанят для создания такого прибора в качестве темы своей диссертации, которую он завершил в 1957 году. Он стал прототипом электронного микрозонда ARL EMX. В конце 1950-х и начале 1960-х годов более десятка лабораторий в Северной Америке, Великобритании, Европе, Японии и СССР разрабатывали микроанализаторы рентгеновского излучения электронным пучком. Первый коммерческий электронный микрозонд "MS85" был выпущен компанией CAMECA (Франция) в 1956 году. Вскоре, в начале и середине 1960-х годов, появились микрозонды от других компаний; однако все компании, кроме CAMECA, JEOL и Shimadzu Corporation, прекратили свое существование. Кроме того, многие исследователи строили электронные микрозонды в своих лабораториях. Значительные последующие улучшения и модификации микрозондов включали сканирование электронного пучка для создания карт распределения рентгеновского излучения (1960), добавление твердотельных детекторов EDS (1968) и разработку синтетических многослойных дифракционных кристаллов для анализа легких элементов (1984). Позже CAMECA стала пионером в производстве экранированных электронных микрозондов для ядерных применений. Несколько усовершенствований приборов CAMECA в последние десятилетия расширили область применения в металлургии, электронике, геологии, минералогии, ядерной энергетике, анализе микроэлементов и стоматологии.
Операция
Луч электронов направляется на образец. Этот луч вызывает излучение рентгеновских лучей с характерной частотой каждым элементом в образце, которые затем могут быть зарегистрированы электронным микрозондом. Размер и плотность тока электронного пучка определяют соотношение между разрешением и временем сканирования и/или временем анализа.
Подробное описание
Электроны низкой энергии генерируются из вольфрамовой нити, кристаллического катода из гексаборида лантана или источника электронов полевого излучения и ускоряются положительно смещенным анодом до 3–30 тысяч электронвольт (кэВ). Анод имеет центральное отверстие, и электроны, проходящие через него, коллимируются и фокусируются серией магнитных линз и диафрагм. Полученный электронный луч (диаметром приблизительно от 5 нм до 10 мкм) может быть сканирован по образцу или использован в точечном режиме для возбуждения различных эффектов в образце. К этим эффектам относятся: возбуждение фононов (тепло), катодолюминесценция (видимая флуоресценция), непрерывное рентгеновское излучение (тормозное излучение), характеристическое рентгеновское излучение, вторичные электроны (генерация плазмонов), электроны обратного рассеяния и электроны Оже. Когда электроны пучка (и рассеянные электроны от образца) взаимодействуют со связанными электронами во внутренних электронных оболочках атомов различных элементов в образце, они могут выбивать связанные электроны из этих оболочек, создавая в них вакансии (ионизация атома). Эти вакансии нестабильны и должны быть заполнены электроном из оболочки с более высокой энергией (создавая новую вакансию, которая, в свою очередь, заполняется электронами из еще более высоких энергетических оболочек) или несвязанным электроном с низкой энергией. Разность в энергии связи между оболочкой, в которой образовалась вакансия, и оболочкой, из которой приходит электрон для ее заполнения, излучается в виде фотона. Энергия фотона лежит в рентгеновской области электромагнитного спектра. Поскольку электронная структура каждого элемента уникальна, энергии характеристических рентгеновских линий, возникающих при образовании вакансий во внутренних оболочках, являются характерными для этого элемента, хотя линии от разных элементов могут перекрываться. Поскольку задействованы самые внутренние оболочки, на энергии рентгеновских линий, как правило, не влияют химические эффекты, вызванные связью между элементами в соединениях, за исключением элементов с низким атомным номером (Z) (B, C, N, O и F для Kα и Al – Cl для Kβ), где энергии линий могут смещаться из-за участия электронной оболочки, из которой заполняются вакансии, в химической связи. Характеристическое рентгеновское излучение используется для химического анализа. Определенные длины волн или энергии рентгеновских лучей выбираются и подсчитываются с помощью волнодисперсионной рентгеновской спектроскопии (WDS) или энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS). WDS использует дифракцию Брэгга на кристаллах для выбора интересующих длин волн рентгеновского излучения и направляет их на газовый поток или герметичные пропорциональные детекторы. В отличие от этого, EDS использует полупроводниковый детектор на твердой основе для накопления рентгеновских лучей всех длин волн, генерируемых образцом. Хотя EDS обеспечивает больше информации и обычно требует значительно меньшего времени подсчета, WDS обычно более точен и имеет более низкие пределы обнаружения благодаря превосходному разрешению рентгеновских пиков и большему отношению сигнал/шум. Химический состав определяется путем сравнения интенсивностей характеристических рентгеновских линий от образца с интенсивностями от стандартов известного состава. Результаты подсчета от образца должны быть скорректированы на матричные эффекты (глубина генерации рентгеновских лучей, поглощение и вторичная флуоресценция) для получения количественных химических составов. Полученные химические данные собираются в контексте текстуры. Изменения химического состава внутри материала (зонирование), например, в минеральном зерне или металле, могут быть легко определены. Объем, из которого собирается химическая информация (объем генерируемого рентгеновского излучения), составляет 0,3–3 кубических микрометра.
Ограничения
WDS не может определять элементы с атомным номером меньше 3 (литий). Это ограничивает возможности WDS при анализе геологически важных элементов, таких как H, Li и Be. Несмотря на улучшенное спектральное разрешение элементарных пиков, у некоторых из них наблюдается значительное перекрытие, что создает аналитические трудности (например, VKα и TiKβ). Анализ с помощью WDS не позволяет различать валентные состояния элементов (например, Fe2+ и Fe3+), для определения которых необходимо использовать другие методы, такие как спектроскопия Мёссбауэра или спектроскопия потерь энергии электронов. Метод особенно полезен для оценки состава отдельных частиц или зерен, а также для изучения химических изменений в диапазоне от нескольких микрометров до миллиметров. Электронный микрозонд широко применяется в научных исследованиях, контроле качества и анализе отказов.
Минералогия и петрология
Этот метод наиболее часто используется минералогами и петрологами. Большинство горных пород являются агрегатами мелких минеральных зерен. Эти зерна могут сохранять химическую информацию, приобретенную в процессе их образования и последующей перекристаллизации. Эта информация может пролить свет на геологические процессы, такие как кристаллизация, литификация, вулканизм, метаморфизм, орогенические события (образование гор) и тектоника плит. Этот метод также применяется для изучения внеземных пород (метеоритов) и предоставляет химические данные, имеющие решающее значение для понимания эволюции планет, астероидов и комет. Изменение элементного состава от центра (также известного как ядро) к краю (или ободку) минерала может дать информацию об истории формирования кристалла, включая температуру, давление и химию окружающей среды. Кварцевые кристаллы, например, включают в свою структуру небольшое, но измеримое количество титана в зависимости от температуры, давления и количества титана, доступного в окружающей среде. Изменения этих параметров фиксируются титаном по мере роста кристалла.
Анализ метеоритов
Химический состав метеоритов можно анализировать с высокой точностью с помощью EPMA. Это позволяет узнать многое об условиях, существовавших на ранних этапах формирования Солнечной системы.