Энергетическая дисперсионная рентгеновская спектроскопия

Энергетическая дисперсионная рентгеновская спектроскопия ( EDS , EDX , EDXS или XEDS ), иногда называемый энергетическим дисперсионным рентгеновским анализом ( EDXA или EDAX ) или энергетического дисперсионного микроанализа ( EDXMA ), является аналитическим методом, используемым для элементарного анализа. или химическая образца характеристика . Он опирается на взаимодействие некоторого источника рентгеновского возбуждения и образца. Его возможности характеристики в значительной степени связаны с фундаментальным принципом, что каждый элемент имеет уникальную атомную структуру, уникально позволяющую ^{[ 2 ]} (который является основным принципом спектроскопии ). Пиковые позиции предсказываются законом Мозли с точностью гораздо лучше, чем экспериментальное разрешение типичного инструмента EDX.

Чтобы стимулировать излучение характерных рентгеновских лучей из образца, пучка электронов или рентгеновского излучения сфокусирован в изучаемом образце. В состоянии покоя атом в образце содержит основное состояние (или неожиданное) электроны на дискретных уровнях энергии или электронные оболочки , связанные с ядром. Падающий луч может возбуждать электрон во внутренней оболочке, выбросив его из оболочки, создавая электронное отверстие , где находился электрон. Электрон от внешней, более высокой энергии раковины затем заполняет отверстие, и разница в энергии между оболочкой с более высокой энергией и более низкой энергией оболочкой может быть высвобождена в форме рентгеновского излучения. Количество и энергия рентгеновских лучей, испускаемых из образца, могут быть измерены с помощью энергетического спектрометра. Поскольку энергии рентгеновских лучей характерны для разницы в энергии между двумя оболочками и атомной структурой излучающего элемента, EDS позволяет измерять элементарную состав образца. ^{[ 2 ]}

Оборудование

Четыре основных компонента установки EDS

источник возбуждения (электронный луч или рентгеновский луч)
рентгеновский детектор
пульс процессор
Анализатор. ^{[ Цитация необходима ]}

Электронный пучок возбуждения используется в электронных микроскопах , сканирующих электронных микроскопах (SEM) и сканирующих просвечивающих электронных микроскопах (STEM). Возбуждение рентгеновского луча используется в спектрометрах рентгеновской флуоресценции (XRF). Детектор используется для преобразования рентгеновской энергии в напряжения сигналы ; Эта информация отправляется в процессор импульса, который измеряет сигналы и передает их анализатору для отображения и анализа данных. ^{[ Цитация необходима ]} Наиболее распространенным детектором был детектор Si (LI), охлажденный до криогенных температур с жидким азотом . Теперь новые системы часто оснащены кремниевыми детекторами дрейфа (SDD) с охлаждения пельтье системами .

Опасности и безопасность

Высокое напряжение: SEM-EDX работает при высоких напряжениях (обычно несколько киловолт), что может представлять риск удара.
Рентгеновское излучение: хотя SEM-EDX не используется настолько высоким напряжением, как некоторые методы рентгеновского излучения, он по-прежнему производит рентгеновские лучи, которые могут быть вредными при длительном воздействии. Правильные меры по защите и безопасности необходимы.
Приготовление образца: обработка и приготовление образцов могут включать опасные химические вещества или материалы. Должно использоваться надлежащее личное защитное оборудование (СИЗ).
Вакуумная система: вакуумная система, используемая в SEM-EDX, может взорваться, если не поддержана должным образом, что приводит к потенциальной опасности.
Криогенные опасности: некоторые образцы могут потребовать криогенных методов для анализа, которые могут представлять риск холодных ожогов или удушения, если не обработаны надлежащим образом.
Механические опасности: при неправильном использовании движущиеся части в SEM могут вызвать травмы.
Риск пожаров и взрыва: некоторые образцы, особенно те, которые включают огнеоплачивать материалы, могут представлять риск пожара или взрыва в вакуумных условиях.
Эргономические риски. Длительное использование SEM-EDX может привести к эргономическим опасностям, если рабочая станция неправильно настроена для комфорта и безопасности пользователя.

Технологические варианты

Избыточная энергия электрона, которая мигрирует на внутреннюю оболочку для заполнения недавно созданного отверстия, может сделать больше, чем излучать рентген. ^{[ 3 ]} Часто, вместо рентгеновского излучения, избыточная энергия переносится в третий электрон из дальнейшей внешней оболочки, что вызвало его выброс. Этот изгнанный вид называется электроном шнека , и метод его анализа известен как электронная спектроскопия шнека (AES). ^{[ 3 ]}

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) является еще одним близким относительноми ЭД, используя выброшенные электроны способом, аналогичным AES. Информация о количестве и кинетической энергии выброшенных электронов используется для определения энергии связывания этих нынешних электронов, что является специфичным для элемента и обеспечивает химическую характеристику образца. ^{[ Цитация необходима ]}

EDS часто контрастирует с ее спектроскопической дисперсионной рентгеновской спектроскопией длиной волны (WDS). WDS отличается от EDS тем, что использует дифракцию рентгеновских лучей на специальных кристаллах, чтобы разделить свои необработанные данные на спектральные компоненты (длина волн). WDS имеет гораздо более тонкое спектральное разрешение, чем Eds. WDS также избегает проблем, связанных с артефактами в EDS (ложные пики, шум от усилителей и микрофоника ).

Высокоэнергетический луч заряженных частиц, таких как электроны или протоны, может использоваться для возбуждения образца, а не рентгеновских лучей. Это называется рентгеновским излучением или пиксом, вызванным частицами.

Точность

EDS может быть использовано для определения того, какие химические элементы присутствуют в образце, и могут использоваться для оценки их относительной численности. EDS также помогает измерить толщину многослойного покрытия металлических покрытий и анализ различных сплавов. Точность этого количественного анализа состава выборки влияет на различные факторы. Многие элементы будут иметь перекрывающиеся пики рентгеновского излучения (например, Ti K _β и VK _α , Mn K _β и Fe K _α ). Точность измеренной композиции также влияет природа образца. Рентген генерируется любым атом в образце, который достаточно возбуждается входящим пучком. Эти рентгеновские снимки испускаются во всех направлениях (изотропически), и поэтому они не могут избежать образца. Вероятность ухода рентгеновского излучения и, таким образом, доступна для обнаружения и измерения, зависит от энергии рентгеновского излучения и состава, количества и плотности материала, которую он должен пройти, чтобы достичь детектора. Из-за этого эффекта рентгеновского поглощения и аналогичных эффектов точная оценка состава выборки из измеренного спектра рентгеновского излучения требует применения количественных процедур коррекции, которые иногда называются поправками матрицы. ^{[ 2 ]}

Новая технология

Существует тенденция к более новому детектору EDS, называемый детектором дрифта кремния (SDD). SDD состоит из кремниевого чипа с высоким резистентом, где электроны приводят к небольшому сборочному аноду. Преимущество заключается в чрезвычайно низкой емкость этого анода, тем самым используя более короткое время обработки и обеспечивая очень высокую пропускную способность. Преимущества SDD включают: ^{[ Цитация необходима ]}

Высокие показатели и обработка,
Лучшее разрешение, чем традиционные детекторы SI (LI) с высокими показателями,
Более низкое время мертвых (время, потраченное на обработку рентгеновского события),
Более быстрые аналитические возможности и более точные рентгеновские карты или данные частиц, собранные за считанные секунды,
Способность храниться и эксплуатировать при относительно высоких температурах, устраняя необходимость в азота жидкости . охлаждении

Поскольку емкость чипа SDD не зависит от активной области детектора, можно использовать гораздо большие чипы SDD (40 мм ² или больше). Это обеспечивает еще более высокий сбор скорости. Дополнительные преимущества больших чипов площади включают: ^{[ Цитация необходима ]}

Минимизация тока луча SEM, позволяя оптимизировать визуализацию в аналитических условиях,
Уменьшенное повреждение выборки ^{[ 4 ]} и
Меньшее взаимодействие луча и улучшение пространственного разрешения для высокоскоростных карт.

В тех случаях, когда интересующие энергии рентгеновских лучей превышают ~ 30 кэВ, традиционные технологии на основе кремния страдают от плохой квантовой эффективности из-за снижения мощности остановки детектора . Детекторы, полученные из полупроводников высокой плотности, таких как теллурид кадмия (CDTE) и теллурид кадмия (CDZNTE), имеют повышенную эффективность при более высоких энергиях рентгеновского излучения и способны работать в комнатной температуре. Одиночные системы и в последнее время пикселированные детекторы визуализации, такие как система рентгеновских визуализации с высокой энергией (Hexitec), способны достичь энергорезодных разрешений порядка 1% при 100 кэВ.

В последние годы другой тип детектора EDS, основанный на сверхпроводящем микрокалориметре также стал коммерчески доступным . Эта новая технология сочетает в себе возможности одновременного обнаружения EDS с высоким спектральным разрешением WDS. Микрокалориметр EDS состоит из двух компонентов: поглотителя и сверхпроводящего датчика перехода (TES) термометра . Первый поглощает рентгеновские снимки, излучаемые из образца, и преобразует эту энергию в тепло; Последнее измеряет последующее изменение температуры из -за притока тепла. Микрокалориметр EDS исторически страдал от ряда недостатков, включая низкие показатели счета и небольшие зоны детектора. Скорость подсчета мешает его зависимости от постоянной времени электрической цепи калориметра. Площадь детектора должна быть небольшой, чтобы сохранить теплоемкость малой и максимизировать тепловую чувствительность ( разрешение ). Тем не менее, скорость подсчета и область детектора были улучшены за счет внедрения массивов из сотен сверхпроводящих микрокалориметров EDS, и важность этой технологии растет.

Смотрите также

Ссылки

^ Corbari, L; и др. (2008). «Отложения оксида железа, связанные с эктосимбиотическими бактериями в гидротермальных вентиляционных креветках Rimicaris exoculata» . Биогеонов . 5 (5): 1295–1310. Bibcode : 2008bgeo .... 5.1295c . doi : 10.5194/bg-5-1295-2008 .
^ Подпрыгнуть до: ^а ^{беременный} ^в Джозеф Гольдштейн (2003). Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ . Спрингер. ISBN 978-0-306-47292-3 Полем Получено 26 мая 2012 года .
^ Подпрыгнуть до: ^а ^{беременный} Дженкинс, Ра; De Vries, JL (1982). Практическая рентгеновская спектрометрия . Спрингер. ISBN 978-1-468-46282-1 .
^ Косасих, Феликс Утама; Какович, Стефания; Divitini, Giorgio; Дукати, Катерина (17 ноября 2020 г.). «Нанометрический химический анализ чувствительных к луче материалов: тематическое исследование STEM-EDX на солнечных батареях перовскита» . Небольшие методы . 5 (2): 2000835. DOI : 10.1002/smtd.202000835 . PMID 34927887 .

Внешние ссылки

Microanalyst.net -информационный портал с рентгеновским микроанализом и содержимым EDX
Узнайте, как делать EDS в SEM - интерактивная учебная среда, предоставленная Microscopy Australia

[1] Corbari, L; и др. (2008). «Отложения оксида железа, связанные с эктосимбиотическими бактериями в гидротермальных вентиляционных креветках Rimicaris exoculata» . Биогеонов . 5 (5): 1295–1310. Bibcode : 2008bgeo .... 5.1295c . doi : 10.5194/bg-5-1295-2008 .

[Goldstein-2] Подпрыгнуть до: ^а ^{беременный} ^в Джозеф Гольдштейн (2003). Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ . Спрингер. ISBN 978-0-306-47292-3 Полем Получено 26 мая 2012 года .

[Jenkins-3] Подпрыгнуть до: ^а ^{беременный} Дженкинс, Ра; De Vries, JL (1982). Практическая рентгеновская спектрометрия . Спрингер. ISBN 978-1-468-46282-1 .

[4] Косасих, Феликс Утама; Какович, Стефания; Divitini, Giorgio; Дукати, Катерина (17 ноября 2020 г.). «Нанометрический химический анализ чувствительных к луче материалов: тематическое исследование STEM-EDX на солнечных батареях перовскита» . Небольшие методы . 5 (2): 2000835. DOI : 10.1002/smtd.202000835 . PMID 34927887 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]