学术干货|谈谈能量色散X射线谱仪（EDS）的那些事儿

大家对能够进行样品的微区结构与形貌分析的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）都不陌生，而与之相关的利用特征X射线具有特征能量这一原理设计的用于成分分析的能量色散X射线谱仪（EDS），因为不常用，所以可能就没那么熟悉了。而今天，小编就给大家讲讲，EDS的那些事儿！

一、EDS所用信号：

高速运动的电子束轰击样品表面，电子与元素的原子核及外层电子发生单次或多次弹性与非弹性碰撞，有一些电子被反射出样品的表面，其余的渗入样品中，逐渐失去其动能，最后被阻止，并被样品吸收。在此过程中有99％以上的入射电子能量转变成热能，只有约1％的入射电子能量从样品中激发出各种信号。其中，特征X射线是高能电子激发原子的内层电子，使原子处于不稳定态，从而外层电子填补内层空位使原子趋于稳定的状态，在跃迁的过程中，直接释放出具有特征能量和波长的一种电磁辐射，即特征X射线。

图1：高能电子轰击样品表面所能产生的各种信号

二、能量色散X射线谱仪（EDS）的结构与工作原理

不同元素发射出来的特征X射线能量是不相同的，利用特征X射线能量不同而进行的元素分析称为能量色散法。所用谱仪称为能量色散X射线谱仪（EDS），简称能谱仪。

图2：能谱仪结构及工作原理

X射线能谱仪的主要构成单元是Si(Li)半导体检测器，即锂漂移硅半导体检测器和多道脉冲分析器。能量为数千电子伏特的入射电子束照射到样品上，激发出特征X射线，通过Be窗直接照射到Si(Li)半导体检测器上，使Si原子电离并产生大量电子-空穴对，其数量与X射线能量成正比。

这是因为：

• 产生一个空穴对的最低平均能量为ε
• 则由一个X射线光子造成的电子空穴对的数目为:N=ΔE/ε
• 入射X射线光子的能量越高，N就越大。
• 不同元素发射不同能量的X射线，不同能量的X射线将产生不同的电子空穴对数。

例如：Fe的Kα辐射可产生1685个电子空穴对，而Cu为2110个。

通过对Si(Li)检测器加偏压（一般为-500~-1000 V)，可分离收集电子空穴对，并用场效应管前置放大器将其转换成电流脉冲。再由主放大器转换成电压脉冲，然后送到多道脉冲分析器。例如对Fe的Kα来说，V=0.27 mV，对Cu的Kα，V=0.34 mV。即不同元素产生的脉冲高度不一样。

多道脉冲高度分析器中的数模转换器首先把脉冲信号转换成数字信号，建立起电压脉冲幅值与道址的对应关系（道址号与X光子能量间存在对应关系）。电压脉冲高度越高，道址号越高。

三、EDS能谱曲线

常用的X射线能量范围在0.2-20.48 keV。如果总道址数为1024，那么每个道址对应的能量范围是20 eV。X光子（射线）能量低的对应道址号小，能量高的对应道址号大。根据不同道址上记录的X射线的数目，就可以确定各种元素的X射线强度。然后，在X-Y记录仪或阴极射线管上把脉冲数与脉冲高度曲线显示出来，这就是X射线的能谱曲线。

图3：Al、Si、Ca的X射线能谱图

四、注意事项

Si（Li）半导体检测器和场效应晶体管皆应在液氮温度条件下使用和保存。因为锂在室温下很容易扩散，造成假输出；同时为了减小前置放大器的电噪声，所用的场效应晶体管也必须放在液氮中，以提高检测器分辨率。

Si（Li）半导体检测器目前多数还不能用于分析超轻元素（O、N、C等）。其原因是检测器分辨率还不够高；另外由于半导体检测器表面附有7.5-25μm厚度的铍窗（用作防污染和可见光真空隔离等），对输入的弱X射线吸收很严重，是能谱分析轻元素的主要障碍。

五、能谱仪的优点（相对于另一项常用的成分分析工具——波谱仪（WDS）而言）

①检测效率

能谱仪中锂漂移硅探测器对X射线发射源所张的立体角显著大于波谱仪，所以前者可以接收到更多的X射线信号；其次波谱仪因分光晶体衍射而造成部分X射线强度损失。因此能谱仪的检测效率较高。

②空间分析能力

能谱仪因检测效率高，可在较小的电子束流下工作，使束斑直径减小，空间分析能力提高。目前，在分析电镜中的微束操作方式下能谱仪分析的最小微区已经达到纳米数量级，而波谱仪的空间分辨率仅处于微米数量级。

③分辨本领

能谱仪的最佳能量分辨本领为149eV，波谱仪的波长分辨本领表述为能量的形式后相当于5-10eV，可见波谱仪的分辨本领比能谱仪高一个数量级。

④分析速度

能谱仪可在同一时间内对分析点内的所有X射线光子的能量进行检测和计数，仅需几分钟时间可得到全谱定性分析结果；波谱仪只能逐个测定每一元素的特征波长，一次全分析往往需要几个小时。

⑤分析元素的范围

波谱仪可以测量铍(Be)-铀(U)之间的所有元素，而能谱仪中Si(Li)检测器的铍窗口吸收超轻元素的X射线，只能分析钠（Na）以后的元素。

⑥可靠性

能谱仪结构简单，没有机械传动部分，数据的稳定性和重现性较好。波谱仪的定量分析误差（1-5%）远小于能谱仪的定量分析误差（2-10%）。

⑦样品要求

波谱仪在检测时要求样品表面平整。能谱仪对样品表面没有特殊要求，适合于粗糙表面的分析。

六、EDS在成分分析中的应用

1.点分析

用于测定样品上某个指定点的化学成分。能谱仪中的多道分析器可使样品中所有元素的特征X射线信号同时检测和显示。

例如：陨石的研究（2009年降落于山西浑源）

图4：二次电子像

图5：定点EDS分析

图6：各点分析结果

2.线分析

用于测定某种元素沿给定直线分布的情况。方法是将X射线谱仪（波谱仪或能谱仪）固定在所要测量的某元素特征X射线信号（波长或能量）的位置上，把电子束沿着指定的方向做直线轨迹扫描，便可得到该元素沿直线特征X射线强度的变化，从而反映了该元素沿直线的浓度分布情况。改变谱仪的位置，便可得到另一元素的X射线强度分布。

图7：Al-Zn-Mg-Cu铸态组织电子探针线扫面分析：主要合金元素Mg、Cu、Zn沿枝晶间呈周期性分布

3.面分析

通过逐点测定1.740 keV的X射线信号，就可以得到在该区域内某元素的分布图像。一般对X射线成分像，可按亮度的大小设置一定的区间，并赋予各区间一定的颜色，因此是一幅假的彩色图像。

如：

图8：某样品特定区域内的元素分布

综上所述，EDS需要与SEM、TEM、XRD（X射线衍射仪）等联用，才能更好地完整地把握一个样品的成分、结构、形貌等信息。

此次关于EDS的介绍，由于能力所致，还不够系统深入，也可能存在一定的纰漏，万望读者能够谅解，同时提出宝贵意见，小编这里先谢谢大家！

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