TheIntroductionofEDSX射線的產(chǎn)生及與物質(zhì)的相互作用EDS：檢測特征X射線能量，稱為能量色散譜儀（EnergyDispersiveSpectroscopy，簡稱能譜儀DES）

注：能譜儀同時檢測樣品出射的全部X射線。“色散”來源于英文“dispersive”，該詞愿意“分開”，物理意義為“分光”或“色散”。根據(jù)能譜儀的工作原理，把“dispersive”理解為“展譜”更確切。X射線的產(chǎn)生當(dāng)高能電子進入樣本后，受到樣品原子的非彈性散射，將其能量傳遞給原子而使其中某個內(nèi)殼層的電子被電離，并脫離該原子，內(nèi)殼層上出現(xiàn)一個空位，原子處于不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)。在激發(fā)后的瞬間(10-12s內(nèi))，原子便恢復(fù)到最低能量的基態(tài)。在這個過程中，一系列外層電子向空位躍遷，釋放出多余的能量，產(chǎn)生特征X射線和俄歇(Auger)電子。概念介紹臨界激發(fā)能在原子結(jié)構(gòu)中，核外電子分布在不同的殼層。原子核與殼層電子間的結(jié)合能是個確定值，所以要將電子從各自殼層激發(fā)電離出來的最小能量也是個確定值，這個最小能量稱為臨界激發(fā)能。

注：1)臨界激發(fā)能隨著原子序數(shù)的增大而增大；同一元素近殼層比遠殼層臨界激發(fā)能大。

2)對于X射線微區(qū)分析，通常要求入射電子束能量要超過被分析元素的2-3倍，使原子被充分激發(fā)，以便獲得足夠的特征X射線。特征X射線假定原子K殼層電子被激發(fā)電離出現(xiàn)一個空位，附近L殼層的一個電子躍遷到這個空位，使原子能態(tài)降低，這個過程產(chǎn)生Ka輻射；如果M殼層的電子填充K殼層的空位，就會產(chǎn)生K?輻射。這些X射線輻射以光子形式釋放出來，它們的能量等于躍遷過程中相關(guān)殼層的臨界激發(fā)能之差。這種X射線反映不同元素原子內(nèi)部殼層結(jié)構(gòu)的特征，因此稱為特征X射線。電子殼層核外電子分布在K、L、M、N殼層上。但即使在同一殼層上的電子，其結(jié)合能都略有差異。特征X射線的命名及譜線系特征X射線的命名一般根據(jù)產(chǎn)生特征譜線的的原子原始態(tài)和終態(tài)來定義。例如：K層出現(xiàn)空位，即K為始態(tài)，決定譜線為K系譜線，如果L殼層電子躍遷填補空位，產(chǎn)生的譜線為Ka，即L殼層為終態(tài)；若終態(tài)為M殼層，則譜線為K?。

注：1）在能譜分析中，由于譜峰較寬，能量分辨率相對較低，因此能量接近的X射線不能區(qū)分開來。例如：CuKa1=8.048Kev，CuKa2=8.028Kev，只能用CuKa表示，其能量為8.04Kev，顯示為1條譜峰。

2）隨著原子序數(shù)增加，原子殼層越復(fù)雜，被激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線有K系向L和M系過渡。譜線權(quán)重雖然不同的外殼層電子都可能躍遷填充內(nèi)殼層出現(xiàn)的空穴，從而產(chǎn)生不同能量的特征X射線，但每種躍遷的幾率不同，故用“權(quán)重”表示形成某線系內(nèi)每條譜線的相對幾率，簡稱“線權(quán)”。

注：電子躍遷遵循“近者優(yōu)先”規(guī)律。連續(xù)X射線當(dāng)入射電子在樣品原子形成的庫倫電場的作用下減速，其減少的能量以X射線的形式發(fā)射出來。由于電子受庫倫電場的作用是隨機的，所以這類X射線的能量從零延伸到入射電子能量，故稱連續(xù)X射線輻射。其能量與樣本信息無關(guān)，構(gòu)成能譜的背底。能譜儀結(jié)構(gòu)--Si(Li)探測器能譜儀結(jié)構(gòu)

X射線能譜儀主要由：探測器、前置放大器、脈沖處理器、顯示系統(tǒng)和計算機構(gòu)成能譜儀工作流程從樣品出射的X射線進入探測器，轉(zhuǎn)變成電脈沖，經(jīng)過前置和主放大器放大，由脈沖處理器分類和累計計數(shù)，通過顯示器展現(xiàn)X射線能譜圖，利用計算機配備的專用軟件對能譜進行定性和定量分析。EDS工作原理—Si(Li)探測器Si(Li)探測器EDS按：探測器、前置放大器、脈沖處理器3部分闡述EDS工作原理Si(Li)探測器

鋰漂移硅探測器(Lithium-driftedsilicondetector，簡稱Si(Li)探測器)，或稱硅鋰探測器，是能譜儀的關(guān)鍵部件。由超薄窗口、鋰漂移硅晶體、場效應(yīng)管、液氮罐構(gòu)成。Si(Li)晶體

Si(Li)為Li離子通過Si晶格與全部雜質(zhì)B結(jié)合形成中性化合物(Si的高純度本征區(qū))：X射線能量耗散區(qū)，在此將X射線光子電離Si的K層，使X射線能量全部吸收，轉(zhuǎn)化為電子-空穴對。轉(zhuǎn)化為電子-空穴對平均能量：ε=3.8ev。這樣，能量為E的X射線產(chǎn)生的電子-空穴對n=E/ε。電子-空穴對壽命極短，在晶體兩端的鍍金電極作用下迅速拉開到晶體兩端，收集到的總電荷量：

Q=n*e=e*E/ε。例如：探測器收集到1個FeKa光子，能量為6.4ev，產(chǎn)生1684個電子-空穴對，相當(dāng)于2.7*10-16C電荷，送入前置放大器。前置放大器與主放大器作用：輸入電荷通過電容C形成電壓：V=Q/C，進一步形成電脈沖并放大。保證輸出電壓脈沖幅度與電子-空穴對的數(shù)目成正比，即輸出脈沖的幅度正比于入射X射線的能量值。為了獲得高信噪比，一般選用低噪聲場效應(yīng)管(FET)作為前級，緊靠晶體防止。前置放大器將形成的脈沖信號輸入脈沖處理器。Si(Li)晶體與場效應(yīng)管保持低溫方法：通過熱導(dǎo)率極高的金屬，放置于液氮中；原因：1.防止鋰離子反向漂移或沉積；

2.保持場效應(yīng)管的低噪音(熱擾動)脈沖處理器脈沖處理器把電壓脈沖經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)化為脈沖計數(shù)后送入計算機內(nèi)存。通常選用1024個通道儲存脈沖計數(shù)，每個通道用道址編號，道址按X射線能量值從小到大編排，通常每道選定20kev，則可覆蓋0-20kev的能量范圍。不同能量的脈沖計數(shù)按自身的能量值分別存在相應(yīng)的通道中。每收集1個X射線光子，它的特征能量對應(yīng)的脈沖計數(shù)將在相應(yīng)的通道中“+1”操作，即在該通道中累計1個計數(shù)，使樣品各元素產(chǎn)生的特征X射線按其能量值展開。

該過程在設(shè)定的菜譜時間結(jié)束，把脈沖存儲器的內(nèi)容用顯示器展現(xiàn)出來，就是樣品元素成分的能譜圖。橫坐標為X射線能量，縱坐標為X射線計數(shù)，即強度值，與元素含量有關(guān)。EDS關(guān)鍵參數(shù)計數(shù)率(Acquisitionrate)

表示系統(tǒng)每秒可處理的X射線光子數(shù)，單位cps(countspersecond)。通常是指脈沖處理器的輸出計數(shù)率。為了進行定量和定性分析，必須采集數(shù)萬個計數(shù)，如果計數(shù)率太低，就需要較長的采譜時間。如果計數(shù)率太高，會出現(xiàn)“和峰”(sunpeak)：當(dāng)進入探測器的光子太多時，增加了兩個或幾個光子同時到達的幾率，處理器無法區(qū)分它們，就計入在幾個光子能量之和的通道，形成和峰，出現(xiàn)在主峰右側(cè)，其能量為主峰的數(shù)倍，這是一種假象，樣品中并不存在與這個和峰能量對應(yīng)的元素，定性分析時要把它去除。推薦Si(Li)探測器的計數(shù)率約2000cps?？梢愿淖冸婄R束流、選用不同束斑尺寸、或者調(diào)解探測器與樣品之間的距離來控制計數(shù)率在這個范圍之內(nèi)采譜時間(Acquisitiontime)為了定量分析，從統(tǒng)計意義考慮，必須采集足夠的計數(shù)?？傆嫈?shù)=計數(shù)率*采譜時間。微量成分在1%，總計數(shù)超過20W個是必要的。采譜時間長，可改善峰背比，微量元素的譜峰也可顯現(xiàn)EDS采譜關(guān)鍵參數(shù)死時間與活時間(DeadtimeandLivetime)

通常探測器接受大量X射線光子，但系統(tǒng)脈沖處理器在某一時間區(qū)段內(nèi)只能處理一個先期到達的計數(shù)脈沖，通道處于關(guān)閉狀態(tài)，拒絕下一個的計數(shù)脈沖進入，并將其排斥掉，反而造成計數(shù)率下降。

這個占用時間稱為“死時間”，簡稱DT

與DT對應(yīng)，系統(tǒng)存在“活時間”，簡稱LT：系統(tǒng)等待接受和處理信號的時間區(qū)段。采譜設(shè)定的時間通常為LT。例如：設(shè)計LT=100s，計數(shù)率=2000cps，譜儀顯示DT=15%，譜儀將自動進行DT校正，在LT上延長15%的采集時間，把損失的脈沖計數(shù)補償回來。所以采譜的真實時間=LT+DT，一般DT<20%處理時間(Processtime)

系統(tǒng)的脈沖處理時間也稱為時間常數(shù)。時間常數(shù)越短，意味計數(shù)脈沖處理過程越快，允許更多的X射線光子進入處理器，輸出計數(shù)率上升，DT變短，但譜峰變寬，即譜峰分辨率下降。EDS展望：硅漂移探測器Si(Li)探測器不足

鋰漂移硅探測器Si(Li)自問世以來，多年來成為能譜儀的基本配置。但存在以下不足：Si(Li)探測器的X射線能量耗散區(qū)，也稱本征區(qū)，是在制備過程中形成的，為此Si晶體必須長期保存在液氮低溫下才能正常工作，給使用造成不便；節(jié)間電容大，探測器死時間長，限制了探測器計數(shù)率的提高。硅漂移探測器發(fā)展

硅漂移探測器(Silicondriftdetector，簡稱SDD)，它是上世紀八十年代后期產(chǎn)生的技術(shù)，經(jīng)歷了近20年的技術(shù)改進，2006年商品化的第4代SDD探測器技術(shù)趨于完善，在SEM-EDS領(lǐng)域也已經(jīng)成為各大X射線能譜儀廠商大力推介的探測器。硅漂移探測器優(yōu)勢高的可操作計數(shù)率(>100,000cps)；接近室溫的操作溫度(~-20攝氏度)；無需液氮冷卻；快速冷卻(電制冷)；接近能譜理論分辨率；輕元素可探測到Be(4)；沒有顫噪效應(yīng)(液氮制冷，水凝結(jié)的冰晶在杜瓦瓶中的振動)耐光子輻射

SDD晶體結(jié)構(gòu)

SDD探測器核心是高純n型Si，在Si片頂面中心區(qū)制備有前級放大器的場效應(yīng)管(FET)，外部圍繞環(huán)形陽極，由于陽極尺寸小，也稱點狀陽極。在陽極周圍可由許多p型材料組成的同心淺環(huán)，構(gòu)成漂移電極。在Si片的底面，即X射線的入射面制備了大面積的均勻pn結(jié)。SDD工作原理

SDD工作時，頂面和底面加上反向電壓，對電子形成一個偏置勢壘；在漂移電極上從內(nèi)環(huán)向外環(huán)同時施加一個電位差。兩者結(jié)合形成橫向梯度電場。當(dāng)X射線入射到晶體內(nèi)形成電子-空穴對后，梯度電場迫使信號電子向陽極漂移，在陽極形成電荷信號，直接饋送到FET，實現(xiàn)電荷脈沖的首次放大，并輸出電壓脈沖信號，送入后續(xù)放大器處理，完成X射線的采集?？昭▌t漂向底面或p型材料環(huán)消失。SDD較Si(Li)探測器優(yōu)越原因高計數(shù)率

SDD的場效應(yīng)管直接做在陽極中央，節(jié)間電容小，噪音和漏電率低，入射Si片的X射線完全釋放能量只需150ns，而Si(Li)探測器需要6us。因此SDD探測器具有非常低的DT，可以在很高的cps下工作，而且分辨率不下降?？焖傥^(qū)分析

SDD探測器每秒鐘可以采集和處理數(shù)萬個X射線計數(shù)，配置高效優(yōu)質(zhì)脈沖處理器，大大提高了元素面分布的采集速度和明顯改善其圖像質(zhì)量。能譜儀配SDD探測器可以對材料進行快速X射線微區(qū)分析。接近室溫工作

SDD硅片沒有Li離子，不會出現(xiàn)Li離子在室溫下反向漂移致使X射線能量耗散區(qū)被破壞的情況。因此SDD探測器在室溫下可以正常工作，不需要液氮或其他相關(guān)的制冷設(shè)備。為了提高峰背比，SDD探測器利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，使其在-35～-25℃，效果更好，開機后30s就可以進行定量分析。半導(dǎo)體制冷技術(shù)(半導(dǎo)體制冷器)結(jié)構(gòu)：由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸?，而NP之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好，看起來像三明治。工作過程：通上電源之後，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)