电子探针显微分析仪 (EPMA) 要点概述
️1、什么是电子探针显微分析仪（EPMA）？
电子探针X射线显微分析仪（EPMA）是基于电子光学和X射线光谱学的原理而开发的一种高效分析仪器，集微观分析和成分分析于一体，通常作为波长色散谱仪（WDS）和能量色散谱仪（EDS）附加在扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）的镜筒上。
EPMA采用0.5~1 μm的高能电子束激发样品，电子束与样品相互作用产生特征X射线、二次电子、吸收电子、背散射电子及阴极发光等，用于分析样品微区域（μm级）的成分、形貌及化学键合状态。
️2、电子探针基本原理
当高能电子从原子中射出内壳层电子（低能级）时，就会产生X射线。高能电子取代被射出的电子，它们跃迁到较低能级时的能量损失以特征X射线的形式发射出来。
特征X射线谱线的波长与样品材料的原子序数（Z）具有唯一的关系，通过将细电子束聚焦到样品表面激发出样品元素的特征X射线，通过测量特征X射线的波长（或特征能量），就可以确定相应元素的原子序数，从而对样品中存在的元素进行定性分析。
由于特定元素的特征 X 射线的强度与样品中该元素的浓度成正比，因此通过测量特征 X 射线的强度可以计算出该元素的相对含量（定量分析）。
️3、电子探针设备
EPMA 仪器由三个主要部分组成：电子柱、样品室和信号检测系统。电子柱和样品室部分与 SEM 类似。
信号检测系统为X射线能谱仪，针对样品中产生的特征X射线，有两种谱线分光方法：
- 波长色散X射线光谱法（WDS）：光谱仪测量特征X射线的特定波长。
- 能量色散X射线光谱法（EDS）：光谱仪测量X射线的特征能量。
通常，SEM 和 EPMA 结合在一起，提供形态和成分分析功能。
电子探针微分析仪（EPMA）设备示意图
️4、EPMA应用场景
点分析
点分析涉及对样品表面选定的微区域进行全光谱扫描以进行定性或半定量分析，并确定存在元素的质量分数以进行定量分析。
EPMA 点分析结果
线扫描分析
线扫描分析涉及沿样品表面选定的线性轨迹定性或半定量分析元素的质量分数。
EPMA线扫描分析结果
区域扫描分析
区域扫描分析是利用电子束对样品表面进行光栅扫描，利用特定元素的X射线信号强度来调制阴极射线管屏幕的亮度，从而得到该元素质量分数分布的扫描图像。样品表面元素的分布可以以屏幕上的亮度（或颜色）显示，区域越亮表示元素含量越高。这种方法通常用于研究材料中杂质、相和元素偏析的分布，通常与微观形态分析结合使用。
EPMA区域扫描分析结果
️5、EPMA分析实例
基体相晶粒的定量分析
由于超轻元素与不同元素组合时特征峰的峰位和峰形会发生变化，应分别设置标准品和未知品样品的特征峰和背景峰，延长测试时间以提高灵敏度。对于稀土元素，可能存在不同元素特征峰和背景峰的干扰影响，需要对每个元素进行确认，避免重叠干扰。
通过添加Tb、Dy等稀土元素进行合金化是提高Nd-Fe-B磁体磁性能的有效方法，主要通过晶界掺杂和晶界扩散实现。EPMA元素面积分析结果表明，掺杂元素主要分布在晶界处。
图6.晶界改性Nd-Fe-B磁体元素分布特征：(a)背散射图像；(b)元素B分布图像；(c)元素O分布图像；(d)元素Tb分布图像；(e)元素Co分布图像；(f)元素Cu分布图像；(g)元素Ga分布图像；(h)元素Pr分布图像；(i)元素Nd分布图像。
️6、EPMA样品要求及制备方法
样品要求
- 样品尺寸：应为块状或颗粒状，最大尺寸由不同仪器的样品架尺寸决定。定量分析需要均质样品，通常厚度大于5μm。
- 良好的电导性能：金属材料一般具有良好的导热/导电性能，而硅酸盐等非金属材料导电性能一般较差，通常在这些材料表面包覆一层20~400Å的均匀碳或铝膜，以提高表面导电性能。
- 光滑平整的表面：样品表面必须抛光，以确保清洁和平整。不平整的表面可能导致发射的X射线吸收不均匀。
制备方法
- 粉末样品：可将粉末直接放在样品架上的双面导电碳胶带上，用平坦物体（玻璃板）压住，用吹风机吹掉松散的颗粒。
- 块状样品：小块样品可嵌入环氧树脂中进行研磨和抛光。较大的样品可直接研磨和抛光。多孔或松散的样品（例如烧结材料）需要真空嵌入。非导电样品在加工后需要立即镀上金或碳等导电膜以提高导电性。
