Лекция 3. Методы измерения рентгеновского излучения в РЭМ: спектроскопия с дисперсией по энергии (ЭДС) и спектроскопия с дисперсией по длинам волн (ВДС)

Структура лекции


Введение в спектроскопию с дисперсией по энергии (ЭДС, EDS, EDX)

Химический анализ в РЭМ проводится путем измерения энергии и интенсивности р.и., генерируемого при бомбардировке образца сфокусированным ионным пучком.

В 1968 году Фитцджеральдом с соавторами впервые описано использование твердотельного детектора р.и. в РЭМ. Их система едва могла разрешать соседние элементы , но при этом она показала саму возможность проведения микрозондового исследования в РЭМ. На сегодняшний день эта методика широко распространена в РЭМ и ПЭМ, спектральное разрешение улучшилось с 500эВ до 125эВ.

Методику ЭДС (энергодисперсионную методику анализа) часто используют в комбинации со спектрометрией по длинам волн для повышения точности анализа.


Принцип работы спектрометра с дисперсией по энергии и процесс детектирования

Для понимания принципа работы детектора с дисперсией (рисунок 19) по энергии необходимо вспомнить базовые принципы полупроводимости.

Рисунок 19 – Спектрометр с дисперсией по энергии

Кристалл Si обладает зонной структурой (рисунок 20). В таких материалах валентная зона заполнена, то есть все возможные электронные состояния в ней заняты, а зона проводимости является пустой. Валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной шириной Eg. В собственном полупроводнике отсутствуют избыточные электроны для переноса заряда в зоне проводимости, как и отсутствуют «дырки» в валентной зоне. Такие полупроводники не проводят ток при приложении электрического поля. При захвате высокоэнергичного фотона р.и. электроны из валентной зоны перебрасываются в зону проводимости, оставляя «дырки» в валентной. При наличии напряжения смещения электроны и «дырки» разделяются и собираются электродами, расположенными на поверхности кристалла.

Рисунок 20 – Зонная структура кристалла Si

Захват фотонов происходит путем фотоэлектрического поглощения. Падающий фотон р. и. вначале поглощается атомом Si, испуская высокоэнергичный электрон. Затем этот фотоэлектрон по мере того, как он движется в Si детекторе и испытывает неупругое рассеяние, генерирует электрон – «дырочные» пары (рисунок 21).

Рисунок 21 – Процесс детектирования

Атом Si остается в состоянии с высокой энергией, поскольку на испускание фотоэлектрона потребовалась не вся энергия рентгеновского кванта. Эта энергия впоследствии выделяется в виде Оже – электрона, либо в виде кванта рентгеновского характеристического излучения Si и т.д.( Оже – электрон испытывает неупругое рассеяние и формирует электрон–«дырочную» пары, кванты р.и. Si повторно могут поглощаться, инициируя процесс снова или неупруго рассеиваться). Таким образом, вся энергия первичного фотона остается в детекторе.

В идеальном случае количество носителей заряда, созданное падающей частицей с энергией n=E/E0, E0=3,8 эВ для образования пары в Si. Например, для фотона с энергией 5кэВ формируется 1300 электронов, что соответствует заряду 2*Кулон. Это очень маленький заряд, который необходимо усилить в раз.

Электрон – «дырочные» пары разделяются приложенным полем и формируют импульс заряда, который затем в предусилителе, чувствительном к заряду, преобразуется в импульс напряжения. Затем сигнал усиливается в главном усилителе и, наконец, поступает в многоканальный анализатор, где происходит разделение импульсов по энергиям.

В конструкции спектрометра предусмотрено охлаждение, необходимое как для уменьшения шумов в системе, так и для ограничения подвижности ионов Li, которым легируют Si для компенсации наличия примесей.


Конструктивные особенности детектора с дисперсией по энергии

Устройство детектора в деталях приведено на рисунке 22. Детектор включает в себя следующие элементы: коллиматор, ловушка ОЭ, входное окно, кристалл–анализатор, преобразователь , усилитель, многоканальный анализатор, охлаждающая система.

Коллиматор

представляет собой диафрагму с круглым или подковообразным входным отверстием. Подковообразное отверстие обеспечивает бОльшую гибкость в выборе диапазона расстояний до образца. Область образца, видимая детектором (область сбора р.и.), зависит от формы коллиматора, расстояния от детектора до образца. Коллиматор (рисунок 23) – устройство, ограничивающее попадание непрямолинейных лучей в детектор, а также ОЭ, паразитного р.и. не из мест анализа.

Рисунок 22 – Устройство детектора ЭДС

Рисунок 23 – Коллиматоры

Наличие коллиматора особенно важно для анализа легких элементов. Так на графике (рисунок 24) показано соотношение амплитуд пиков элементов для анализа с коллиматором и без коллиматора.

Рисунок 24 – Соотношение амплитуд пиков элементом с и без коллиматора

Электронная ловушка представляет собой ловушку высокоэнергетичных отраженных электронов. Ими оснащены, как правило, оконные детекторы, в которых присутствует на входе тонкое окно (рисунок 25). Назначение данного устройства – предотвращение попадания высокоэнергетичных отраженных электронов в кристалл–анализатор, которые формируют фоновый или ложный рентгеновский спектры (происходит из–за взаимодействия материала окна с ОЭ). Традиционные Be окна, которые были ранее широко распространены, эффективно поглощали электроны с энергией вплоть до 20кэВ, поэтому ловушки не требовались.

Рисунок 25 – Ловушка высокоэнергетичных отраженных электронов

Электронная ловушка состоит из двух малых магнитов, расположенных между коллиматором и передней стенкой входного окна. Магниты формируют сильное электромагнитное поле, которое отклоняет попадающие электроны к края ловушки. Таким образом, ОЭ не попадают в детектор.

Если ловушка отсутствует, то попадание ОЭ в детектор приводит к появлению высокого «горба» в высокоэнергетической части спектра, а также к увеличению времени обработки сигнала (рисунок 26).

а)

б)

Рисунок 26 – Влияние электронной ловушки на форму спектра: а) без ловушки, б) с ловушкой

Входное окно (рисунок 27) расположено в передней части детекторного блока, после электронной ловушки. Через окно рентгеновские лучи проходят в кристалл–анализатор. Главная роль материала окна – обеспечить вакуумное уплотнение между камерой микроскопа и кристалл–анализатором. Окно также должно обеспечивать хорошее пропускание рентгеновских лучей, особенно низких энергий, которые легко поглощаются.

Рисунок 27 – Окно

Исторически наиболее широкое использование получили Be (толщина 10 мм) окна благодаря прочности и низкому атомному числу. Так эти окна выдерживали давление в 1 атм. На площади до 30 мм2, но интенсивно поглощали фотоны с энергией менее 1 кэВ, что не позволяло обнаруживать элементы с атомным номером меньшим чем у натрия. Это ограничение могло быть преодолено путем удаления окна при условии, что в камере поддерживался высокий вакуум. Чуть позже были разработаны сменные окна, позволяющие оператору извлекать Be окно по достижению необходимого вакуума в колонне.

В безоконных системах охлажденный кристалл мог конденсировать на себе остаточные газы из колонны, формируя слой загрязнения на поверхности кристалла, или слой льда и углеводородов. Слой действовал в качестве барьера для фотонов с низкой энергией. Разработаны патенты на контроль толщины этого слоя, а также методику его удаления в процессе работы (например, жидким азотом).

В дальнейшем были разработаны атмосферные тонкопленочные окна для регистрации легких элементов от Be до Na (4<Z<11, 0,11кэВ<E<1,04кэВ). Эти окна выдерживают атмосферное давление. Строение – состоят из опорной решетки (Si или металл) и тонкой пленки для вакуумного уплотнения. Фотон р.и. проходит через ячейку с пленкой. Пленки бывают разные, например, BN, SiN, полимер.

Еще одно требование к окнам – минимизация света от некоторых образцов (ZnS, алмаз) вследствие их катодолюминесценции. Это приводит к уширению, сдвигу, искажению пиков на спектре. Для предотвращения этого окна покрывают Al.

ЭДС кристаллы. В кристалл – анализаторе (рисунок 28) происходит преобразование энергии квантов р.и. в заряд. Наиболее широко используемый материал Si(Li) – очищенный кристалл Si (имеющий остаточные примеси, наличие которых компенсируется ионами Li) в форме диска. Толщина диска – 2 – 5 мм.

Рисунок 28 –Внешний вид кристалл – анализатора

Кристалл вакуумирован для предотвращения загрязнений и для снижения шумов находится при пониженной температуре. Li вводится для нейтрализации центров рекомбинации электрон–«дырок» – примесей.

Напряжение смещения 500В–1кВ формируется между золотыми контактами на рабочих поверхностях Si. Толщина контактов – 20–200нм. Разность потенциалов формирует однородное поле. Квант р.и., который попадает на кристалл, теряет свою энергия и создает пропорциональное количество n–p пар, разделяющихся по типу заряда. Величина заряда пропорциональна энергии попадающих квантов р.и. С целью уменьшения тока утечки кристалл (рисунок 29) охлаждают.

Рисунок 29 – Схема кристалл анализатора Si(Li)

Разрешение по энергии и скорость счета. Разрешение по энергии является главной характеристикой детектора. ЭДС детекторы проверяются на тест – объекте – Mn. Улучшенное разрешение, улучшенный предел обнаружения определяются более узким и высоким относительно фона пиком. Хороший пик позволяет быстро и надежно проводить идентификацию, разделять перекрывающиеся пики, тем самым повышать точность количественного анализа.

Качество спектра определяется не только характеристикой кристалл– анализатора, но и всей цепочкой накопления и обработки данных. Достижение высокой скорости накопления, сбора данных осуществляется за счет уменьшения времени накопления и измерения события, но при этом принципиально ухудшаются отношение сигнал/шум и разрешение по энергии. Однако высокая скорость счета означает быстрый анализ и увеличение производительности работы прибора. Скорость накопления связана со скоростью счета на входе детектора, мертвым временем и временем обработки.

Si (Li) детекторы работают с охлаждением жидким азотом.

Детектор Si–дрейфовый (SDD). В современном микроанализе широко распространен именной такой тип детекторов (рисунок 30). Обладает высоким разрешением по энергии и скоростью счета, так как в качестве кристалла используется высокочистый Si с низким током утечки (нет необходимости легировать Li), работы осуществляется при комнатных температурах или умеренном охлаждении с помощью элемента Пельтье (рисунок 31).

Рисунок 30 – Внешний вид SDD детектора X–Max Oxford Instruments

Рисунок 31 – Схема охлаждения SDD детектора

Существует 2 основных типа SDD – детекторов:

  • на основе концентрических колец, детектор обладает большой площадью и хорошим разрешением;
  • на основе капельных колец.

SDD (рисунок 32) представляет собой n–тип Si пластины в виде концентрических колец с малым шагом, с анодом p–типа в центре. Между первым и внешним кольцами есть разность потенциалов, благодаря которой фотон р.и., попадающий на поверхность детектора, формируя n–p–пару, электрон из пары притягивается к аноду в центре. Этот заряд регистрируется предусилителем – полевым транзистором – на противоположной стороне от входа квантов р.и. в детектор.

Рисунок 32 – Схема кристалл – анализатора SDD

Преимущества SDD:

  • Малая емкость анода, что приводит к ускорению счета
  • Возможность детектирования больших по амплитуде импульсов
  • Работа при комнатной температуре (170эВ полуширина линии для Mn K, при охлаждении до – 30С – 125– 130 эВ)
  • Удобство при картировании

Таблица 2 – Сравнение Si(Li) и SDD кристаллов

Тип

Si(Li)

SDD

Главные

преимущества

Большая чувствительность фотонов с высокой энергией

Очень высокая скорость счета (сотни тысяч импульсов в сек). Хорошее разрешение по энергии, высокая стабильность пиков

Недостатки

Суммарный спектр содержит пик Si K

Суммарный спектр содержит пик Si K, плохая чувствительность высокоэнергетичных квантов

Ширина пика на полувысоте (эВ)

128 – 150: ухудшается с ростом скорости счета из–за инерционности геометрии

125 – 155: медленно ухудшается с увеличением скорости счета в связи с быстрым откликом радиальной геометрии, при понижении температуры пространственное разрешение по энергии улучшается

Типичная скорость счета (Kcps)

Средняя: 5 – 20

1000 до >100 kcps на канал

Чувствительность

Хорошая от ~70 эВ (Be–K) до ~20 кэВ; ухудшается вплоть до 50 кэВ

Хорошая вплоть до 10кэВ; ухудшается до 20 кэВ

Типичное время накопления спектра

~ 1 минута

0.25 мкс ~ несколько секунд

Рабочая температура

Экстремальное охлаждение необходимо для снижения шумов (77~130 K): LN2, термоэлектрически, Пельтье

230~250 K: Пельтье, вентилятор

Рабочая площадь кристалла (мм2)

4 до >50

≥ 50 до 120

Телесный угол накопления (sr)

0.03 – 0.3

0.3

Угол выхода (°)

0, 20, 72

20

Толщина кристалла

В среднем 3 мм

0.5 мм

Схема поля

Аксиальное

Радиальное

Размер контакта

малый

Шумы

средний

малый

Емкость

Высокая

Низкая

Предусилитель. В предусилителе (рисунок 33) осуществляется преобразование заряда в напряжение с помощью полевого транзистора (FET).


Главный усилитель. Главный усилитель отвечает за обработку импульса после предусилителя. В главном усилителе наличие импульса определяется установкой положения дискриминатора сигнала: ниже уровня ограничения относится к шумам, выше – к сигналу от элемента. Именно поэтому затруднительно отделять низкоэнергетическое излучение от шума.

Для достижения максимально возможного энергетического разрешения для системы с дисперсией по энергии необходимо, чтобы главный усилитель имел достаточное время обработки каждого импульса с тем, чтобы получить максимальное отношение сигнал/шум.

Однако использование больших постоянных времени увеличивает вероятность того, что второй импульс пройдет в главный усилитель прежде, чем обработается первый. Исключением таких случаев осуществляется в электронике системы при помощи схемы подавления наложения импульсов.

Рисунок 33 – Схема предусилителя

Многоканальный анализатор. В многоканальном анализаторе происходит разделение импульса по амплитуде. Устройство включает в себя аналого–цифровой преобразователь (АЦП) и запоминающее устройство (ЗУ). АЦП преобразует импульс напряжения главного усилителя в цифровой сигнал. Выходной сигнал с АЦП служит затем адресом канала в ЗУ, где выполняется операция прибавления единицы (рисунок 34).

В действительности, ЗУ работает как система независимых счетчиков, подсчитывающих количество импульсов в заданном интервале амплитуд.

Рисунок 34 – Многоканальный анализатор


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.


Введение в спектроскопию с дисперсией по длинам волн (WDS, ВДС)

До 1968 года рентгеноспектральные измерения проводились с помощью спектрометра с дисперсией по длинам волн, основные элементы которого приведены на рисунке 40.

ВДС–спектрометр (рисунок 41) устанавливается в соответствующий порт камеры образцов РЭМ горизонтально, вертикально или под углом 35 градусов. В зависимости от способа установки достигается та или иная свобода передвижения образца в камере.

Небольшая часть р.и., генерируемого образцом, выходит из электронно–оптической камеры, падает на поверхность кристалл – анализатора, дифрагирует в соответствии с законом Брэгга:

nλ= 2d sinΘ,

где n– целое число, λ – длина волн р.и., d – межплоскостное расстояние в кристалле, Θ – угол падения р.и. в кристалл (рисунок 42) и регистрируется пропорциональным счетчиком.

Рисунок 40 – Схема системы с кристалл – дифракционным спектрометром c компонентами: кристалл, пропорциональный счетчик, предусилитель, усилитель, анализатор, ЭВМ

Сигнал с детектора усиливается, преобразуется в импульс, измеряется в одноканальном анализаторе. Энергия фото может быть вычислена исходя из длины волны по уравнению

E = 12.396 / λ

где E энергия в кэВ, λ– длина волны в Ангстремах (1Å = 10–10 m).

Рисунок 41 – Модель волнового спектрометра

Рисунок 42 – Схема дифракции р.и. по закону Брэгга


Компоненты ВДС– спектрометра

ВДС – спектрометр состоит из двух главных компонентов: кристалла–анализатора (разлагающего р.л. в спектр) и пропорционального рентгеновского счетчика. Если вторичный источник рентгеновских лучей, кристалл – анализатор и счетчик расположить определенным образом относительно друг друга на круге фокусировки (круг Роуланда) постоянного радиуса (рисунок 43), то будет выполняться соотношение Вульфа– Брэгга. При этом кристалл будет фокусировать рентгеновские лучи. Изменяя угол Θ, получаем возможность отражения от кристалла различных длин волн, т.е. разлагаем излучение в спектр.

Для получения высокого разрешения линий и большой интенсивности анализируемого сигнала кристалл–анализатор изгибают обычно по некоторой окружности (для того, чтобы выходящие из кристалла р. лучи фокусировались в одной точке).

Рисунок 43 – Схема фокусировки р.л. изогнутым кристаллом

Кристаллы–анализаторы излучения. Механические ограничения не позволяют использовать для анализа всех элементом один и тот же кристалл. Кристаллы смонтированы на моторизованной башне, то есть кристалл может быть заменен в любой момент анализа.

В качестве кристалл – анализаторов (таблица 3) для коротких длин волн (1 – 3 А) применяют монокристаллы кварца, фтористого лития, для анализа элементов, которые лежат в длинноволновом диапазоне (10 – 50 А) используют органические материалы с большим межплоскостным расстоянием, например, стеараты бария и свинца; в ультрадлинноволновой рентгеновской области (Li, Be) применяются дифракционные решетки.

Таблица 3 – Кристаллы– анализаторы ВДС

Линия

Длина волны

Стандартный элемент

кэВ

Разрешение
эВ

Интенс. пика

cps/mA

P/B

Чувствит.
PPM

BeKa

11.4

Be

10,FPC

8

2.4x104

40

335

B Ka

6.76

B

10,FPC

15

9.0x105

30

63

B Ka

6.76

B

10,FPC

9

5.7x104

60

18

C Ka

4.47

Стекловидный

C

10,FPC

14

4.7x105

50

68

N Ka

3.16

BN

10,FPC

16

9.5x103

3

1950

O Ka

2.36

SiO2

10,FPC

17

1.1x105

50

140

N Ka

3.16

BN

10,FPC

16

3.4x104

14

476

C Ka

4.47

Стекловидный

C

10,FPC

14

1.6x105

60

220

C Ka

4.47

Стекловидный

C

10,FPC

12

3.2x104

70

220

N Ka

3.16

BN

10,FPC

13

5.0x103

10

1500

O Ka

2.36

SiO2

10,FPC

15

1.0x105

65

130

Рисунок 44 – Газовый пропорциональный счетчик

Регистрация излучения. Регистрация р.и. осуществляется газовыми пропорциональными счетчиками (рисунок 44) типа Гейгера. В них рентгеновский квант ионизирует молекулы газа, наполняющие счетчик, в результате между электродами счетчика возникает разряд, что приводит к появлению в цепи счетчика импульса тока.

Для регистрации жесткого р.и. используют сцинтилляционные счетчики. Такой счетчик представляет собой кристалл например, NaJ, который при поглощении р. кванта испускает видимый свет, и, фотоумножитель, превращающий импульс света в электрический импульс, который затем направляется на счетное регистрирующее устройство.


Сравнение эффективности ЭДС и ВДС спектрометров: геометрическая эффективность, количественная эффективность, разрешение, скорость счета, величина тока зонда, скорость анализа.

Характеристика

WDS

EDS

Геометрическая эффективность сбора

Низкая, типичный угол приема 0.001 стерадиан

Высокая – типичный угол 0.005–0.1 стерадиан, детектор может быть подведен вплотную к образцу

Ток зонда

Высокий, минимум 10–8A, низкая квантовая эффективность

Низкий, менее 10–10A

Разрешение по энергии

Хорошее, зависит от кристалла , примерно 5–10 эВ

Зависит от энергии <133эВ на Mn Ka(5.9 кэВ)

Ограничения по концентрации

<0.01%. В зависимости от матрицы

Типичное 0.1– 0.5%

Скорость анализа

Низкая – только один элемент в момент времени одним кристаллом, серийная съемка

Быстрая, все элементы анализируются одновременно, параллельная съемка

Сложность количественного анализа

Простое измерение как разница пиков и фона

Сложное, необходимо устранение наложения пиков и аппроксимации и вычитания фона