Артефакты процесса детектирования
Отклонение процесса детектирования от идеального приводят к появлению артефактов, главным образом, уширению пиков, искажению пиков, появлению пиков потерь рентгеновского фотона в кремнии, краев поглощения Si и Au и пика внутренней флуоресценции. Кроме того, присутствуют артефакты, связанные с окружающей детектор средой: микрофонный эффект, наводки заземления, накопление льда–масла, рассеянное излучение, попадание ОЭ в детектор.
Уширение пиков. Собственная полуширина рентгеновской линии составляет 2эВ. Полуширина линии Mn K, полученная в Si (Li) детекторе, увеличивается обычно до 150 эВ (рисунок). Такое увеличение ширины линии является следствием, во–первых, статистического разброса числа носителей заряда, создаваемых захваченными моноэнергетическими фотонами из–за дискретной природы процесса, во–вторых, неопределенностью, вводимой термическими шумами в процессе усиления.
Рисунок 35 – Увеличение ширины линии Mn K
Распределение числа носителей заряда для моноэнергетического фотона хорошо описывается гауссовой кривой (рисунок 36).
Прямым следствием расширения пика является понижение его высоты (количества импульсов на интервал энергии) по сравнению с собственным пиком и сопутствующее уменьшение отношения пик/фон. На рисунке собственный пик шириной 2,3 эВ Mn K высотой в макисмуме , соответствующей 1000 импульсам расширяется в пик шириной в 150эВ, а количество импульсов в максимуме снижается до 15. Поскольку энергетическое разрешение является функцией энергии для фиксированного числа импульсов по мере уширения пика с увеличением энергии амплитуда должна уменьшаться.
Значение полуширины удобно использовать при оценке степени перекрытия пиков, имеющих близкие энергии. Оценка степени перекрытия пиков очень важна при рассмотрении взаимного влияния пиков при качественном анализе, когда может быть трудно идентифицировать малоинтенсивные пики около пиков с большой интенсивностью, при количественном анализе, где устранение взаимного влияния пиков необходимо для точного определения состава.
Искажение пиков. К искажению (отклонению) формы низкоэнергетической стороны пика от гауссовой (рисунок 37) приводят 2 различных артефакта.
Во–первых, сбор носителей заряда, созданных в некоторых областях детектора вблизи поверхности и боковых сторон, происходит не полностью из–за захвата на ловушки и рекомбинации электрон – дырочных пар, что приводит к уменьшению величины их количества.
Во–вторых, пьедестал фона – явление, при котором присутствие пика увеличивает фон для всех энергий ниже энергии пика. Добавочное сверх ожидаемого фона количество импульсов получается как в результате неполного сбора заряда, что простирается в сторону низких энергий, так и из–за того, что часть непрерывного рентгеновского излучения, генерируемого фотоэлектронами при неупругом рассеянии в Si,выходят из детектора. Любая потеря излучения из детектора приводит к переходу импульсов с пика на всю область энергии вплоть до «0». Обычно относительная интенсивность пьедестала фона на половине энергии пика составляет примерно 0,1% от основного пика. Общее количество теряемых импульсов составляет примерно 1%.
Рисунок 36 – Распределение числа носителей заряда для моноэнергетического фотона
Рисунок 37 – Спектр Mn K с отклонением низкоэнергетической части пика от гауссовой кривой
Пики потерь рентгеновского излучения. После генерации фотоэлектрона атом Si остается в возбужденном состоянии. Если фотоэлектрон эмитируется из К – оболочки, то в атоме может последовать электронный переход для заполнения вакансии в К–оболочке с эмиссией рентгеновского К–излучения Si или Оже – электрона.
Глубина выхода Оже – электрона составляет лишь доли микрометров, и следовательно, имеется очень большая вероятность того, что этот электрон вновь поглотится в детекторе. В этом случае энергия электрона пойдет на образование носителей заряда общее число которых будет соответствовать точному значению энергии, поглощенной детектором.
Для рентгеновского К–излучения Si , с другой стороны, имеется конечная вероятность выхода из детектора (после прохождения расстояния в 30мкм в кремнии остается 10% от начальной интенсивности Si К–излучения). Если происходит такой выход р.и. из детектора, теряется каскад носителей, соответствующий энергии, уносимой р.и. 1,740кэВ и 1,832 для Si К. таким образом, при энергии, равной разности энергии основной линии и р.и. кремния, появляется ложный пик или «пик потерь» (рисунок 38).
Края поглощения. Обычный Si(Li) спектрометр имеет защитное окно из Be, электрод из золота и неактивный слой Si. Р.и., прежде чем оно достигнет активной области Si и будет обнаружено , должно пройти через каждый из этих слоев. При прохождении р.и. сквозь эти слои происходит его поглощение.
Рисунок 38 – Спектр титана с пиками потерь р.и. кремния
Как только энергия превысит значение, соответствующее краю поглощения, массовый коэффициент поглощения резко возрастает ,что приводит к уменьшению измеряемой интенсивности непрерывного р.и. (рисунок 39). Высота результирующей ступеньки является мерой толщины слоя.
Рисунок 39 – Края поглощения Si и Au
Пик внутренней флуоресценции. Фотоэлектрическое поглощение р.и. мертвым слоем кремния приводит к эмиссии Si K – р.и. этого слоя в активный объем детектора. Это р.и. кремния, которое не идет от образца, появляется в спектре в виде небольшого пика кремния, так называемого пика внутренней флуоресценции.
Артефакты, связанные с окружающей детектор средой
Микрофонный эффект. Si (Li) – спектрометр состоит из детектора и исключительно чувствительной электронной схемы, которая может реагировать на излучение с энергией, отличающейся от энергии р.и. В частности, на регистрируемый рентгеновский спектр может оказывать влияние рассеянное электромагнитное или звуковое излучение. Спектр , полученный в отсутствие микрофонного эффекта содержит характеристические пики и непрерывный спектр типичной формы с порогом при низких энергиях из–за поглощения в Be–окне. Тот же спектр, зарегистрированный в присутствии нескольких механических и акустических вибрации вблизи детектора (разговор, работа мотора). В результате детектор дает исключительно высокий сигнал фона в области энергии от 0 до 2кэВ. Для уменьшения этого эффекта детектор изолируют от таких воздействий, удаляют от трансформаторов и т.д.
Наводки заземления. Одним из наиболее коварных артефактов, связанных с установкой детектора, является появление одной или более наводок заземления. Обычно металлические детали системы спектрометр–микроскоп находятся под потенциалом земли и ток между ними отсутствует.
На самом деле между деталями могут иметься небольшие различия в потенциале. Такие различия могут приводить к появлению токов. Эти избыточные токи называются наводками заземления или токами заземления. Они могут модулировать слабые сигналы. Влияние наводок – снижение разрешения по энергиям спектрометра, искажение формы пика и фона, в неправильной форме работы коррекции мертвого времени и т.д. Решение – хорошее заземление.
Накопление льда – масла. Накопление загрязнений в детекторе спектрометра с дисперсией по энергии в процессе продолжительной работы может приводить к ухудшению работы. Лед – конденсация влаги в виде мелких кусочков, которые могут вибрировать и передавать эти вибрации детектору. Масло – пары диффузионного масла, попадающие из камеры образцов микроскопа. Накапливаясь, масло снижает поверхностное сопротивление, что приводит к появлению резисторных шумов и снижению энергетического разрешения.
Рассеянное и паразитное излучения. Элементы камеры образца, держатель образца, внешняя область образца формируют вторичное (рассеянное ) излучение. Оно может попадать в детектор и формировать характеристические линии от материалов стенки камеры или частей образца, не находящихся в месте падения пучка. Решение – поддержание элементов в чистоте, покрытие угольным слоем.
