電子探針作為顯微形態觀察及微區成分分析有效的測試手段之一，在材料分析和地質地礦領域有著非常廣泛的應用。但超輕元素的電子探針微區定量測試存在一系列難點，成為限制深入研究的桎梏，也是傳統儀器廠商不敢輕易涉足的“雷區”。

島津電子探針（EPMA-1720 和 EPMA-8050G）

針對超輕元素種種特性，島津電子探針通過在硬件方面配置兼具高靈敏度和高分辨率的*型全聚焦分光晶體、采用*的52. 5°高位特征X射線取出角以及人工合成的各類超輕元素分光晶體等多方位優化設計，使得島津在超輕元素的測試上表現格外優異。

  超輕元素分析的難點  

電子探針作為微區分析儀器，是利用從試樣內部微米級別體積范圍內被高能聚焦的入射電子束激發出的特征X射線信號來進行元素的定性及定量分析。超輕元素的特征X射線具有波長長、能量低、易被試樣基體吸收等特點，用電子探針精確分析時有如下難點：

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超輕元素的特征X射線質量吸收系數大，譬如在同樣的基體中，超輕元素Be的質量吸收系數是Fe元素的幾百甚或上千倍，這意味著樣品中被激發出的超輕元素特征X射線在從試樣內部出射的過程中更容易被基體吸收、衰減程度更大。

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超輕元素的特征X射線波長較長，容易受到其它元素的高次線重疊干擾。如圖1所示，C的Ka明顯易受到Mn、Ni等元素高次線的干擾。

圖1 C元素附近的干擾線

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超輕元素原子核外只有兩個電子層，其特征X射線由外層電子向內層空位躍遷后產生。當超輕元素與其他元素結合時，外層電子會受到影響，這就造成了不同結合狀態下，超輕元素的特征X射線峰位會有所偏移。圖2為單質硼與氮化硼樣品中B元素特征X射線峰位偏移情況。

圖2   B和BN的峰形峰位偏移

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超輕元素的特征X射線波長較長，根據布拉格衍射公式：2dsinθ=nλ，需要晶面間距d更大的分光晶體，而天然礦物中已很難找到可對超輕元素分光的合適晶體。

  島津應對之道  

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針對超輕元素特征X射線易被基體吸收的問題，島津電子探針采用52.5°高位特征X射線取出角設計。

假設特征X 射線產品的深度為單位1 μm 時，取出角為40°的儀器相對于島津52. 5°取出角，兩者的出射路程差可達ΔL = b -a = 1 /sin 40° - 1 /sin52. 5° = 1. 556 - 1. 261 =0. 295 μm。可見，高取出角能夠顯著的縮短出射路程，極大的減輕超輕元素被基體吸收的程度; 另外高取出角還能帶來更好的空間分辨率、更少的二次熒光等優勢。

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針對超輕元素特征X射線測試靈敏度的問題，島津配置了兼具靈敏度和分辨率的全聚焦分光晶體。

羅蘭圓的半徑越大，對特征X 射線的分辨率越好，羅蘭圓的半徑越小，靈敏度會越好。如果使用半聚焦型的分光晶體，靈敏度和分辨率不能很好地兼顧，如果需要高靈敏度時，只能選擇羅蘭圓半徑較小的分光晶體，同時把特征X 射線檢測器前端的狹縫調大，但難免會造成分辨率的變差; 而需要高分辨率時，則需要選擇羅蘭圓半徑較大的分光晶體，同時把檢測器狹縫縮窄，但會造成靈敏度的下降。而島津電子探針采用統一4 英寸的全聚焦晶體，無需額外選擇和設置，即可獲得更好的靈敏度和分辨率。

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針對高次線的影響，島津對每個分光譜儀使用256個通道的PHA（脈沖高度分析器，Pulse Height Analyzer）可以有效地過濾高次線的干擾。

圖3 利用PHA過濾高次線對Be峰的干擾

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針對超輕元素波長較長的特點，島津開發了超輕元素測試的大晶面間距的分光晶體（不同2d值）可供選擇，如表1所示。

表1 島津開發的超輕元素分光晶體

  總 結  

島津電子探針完美地解決了微區中超輕元素的測試難題，可為材料分析中的微觀機理研究提供有力數據支撐；在地學領域，對于研究礦床成因解釋、礦產資源評價和新礦物的發現等具有重要意義。

撰稿人：趙同新、崔會杰