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【能谱篇】什么是能谱?影响能谱定量的重要因素(下)

 发布时间:2022-05-30 点击量:332

定量分析

1. 全定量分析以获得最高准确度


能谱中的峰高与样品中元素的含量相关。以氟化锶 (SrF2) 为例。根据化学计量比,预估氟峰应该是锶峰的两倍,而实际上,锶峰是氟峰的两倍。因此,为了提供更准确的定量结果,软件必须考虑以下几个因素进行修正,这个过程被称为算法修正。
 

能谱-1的副本.png


图1 氟化锶的点分析测量结果表明两种元素的实际峰强与化学计量比并不相同,但依然可以获得非常准确的定量分析结果。
 
2. 关于原子序数、X 射线吸收、荧光效应的修正 (ZAF 修正)

入射电子进入试样后,要受到试样原子的散射;电子束激发样品产生的原生 X 射线离开试样过程中,会受到试样的吸收;原生 X 射线也会再次激发样品,产生二次 X 射线激发,这个过程称为二次荧光。这一系列过程都随样品的元素组成的变化而变化,因此需要进行一系列修正:

1. 原子序数(Z)效应修正,即 Z 修正。样品的平均原子序数不同,电子穿透进入样品的深度就不同,激发信号强度自然就不同。

2. 吸收效应(Absorb)的修正。电子束激发样品产生的原生 X 射线离开试样过程中,会受到试样的吸收,样品元素组成和含量不同,对 X 射线的吸收程度也不同,须进行修正。

3. 荧光效应(Fluorescence)的修正。特征 X 射线离开样品时,高能量的 X 射线会引起低能量 X 射线元素的二次激发,再次释放 X 射线,这一过程称为荧光。定量修正算法需要扣除荧光效应产生的 X 射线强度。

取三种修正的首字母,总称为 ZAF 修正。

Φ(ρz) (Phi-Rho-Z) 函数是 ZAF 修正的进一步延伸,它把 X 射线穿过相互作用区时的吸收、荧光效应描述为原子序数和基体的函数。飞纳电镜的算法使用拓展的 Pouchou 和 Pichour 算法,通常缩写为 XPP。

3. 元素面扫 Mapping

对于大范围的扫描分析,每个像素的分析时间可能需要长达一秒钟,因此对大范围内所有像素进行分析非常耗时。所以在面扫模式下,通常会在准确性和速度之间寻求平衡。飞纳电镜的软件可以确保重叠的信号被正确地解卷积计算。

这意味着所有重叠的信号将在元素面扫图中显示为不同颜色。这种方法的主要优点是可以非常准确地测量扫描区域的元素组成与分布,并且不会影响检测速度。因此,可以在保证最高的能谱分辨率的同时,对每一个像素进行高效分析。以检测硅钨为例,法医领域会研究灯泡钨丝上的熔融玻璃,飞纳电镜的能谱面扫可以立即将钨丝与二氧化硅区分开来(见图 2)。
 

能谱-2.png

图2 法医应用中使用能谱面扫,可以快速清楚地区分钨丝上的熔融玻璃(二氧化硅)。

专家部分

典型的硅漂移探测器具有耗尽区的高电阻硅、一个前接触区和一个收集阳极。入射到前接触区域的 X 射线在硅基体中被吸收并产生电子 - 空穴对。产生的载流子的数量取决于入射 X 射线的能量。接触区和阳极之间预设电场导致这些电子和空穴沿电场线漂移,即向阳极漂移。然后在阳极积累的电荷通过前置放大器转换为电压。入射 X 射线的能量可以通过监测每个脉冲之后,即在每次入射 X 射线被吸收后的电压阶跃幅度来确定。

测量这个电压阶跃的精确度是有限的。这种不精确度正是某给定能量被处理成高斯峰而不是离散峰的原因之一。然而,高斯峰形成的主要原因是入射 X 射线在探测器中产生的电子空穴对的统计学分布。这意味着这些高斯峰的宽度取决于探测器和 X 射线能量。尽管有很多参数可以定义一款检测器的整体性能,但*认可的参数是这些高斯峰的半高峰宽度 (FWHM),这通常被称为探测器的能量分辨率。实际上,能谱探测器制造商通常使用锰的 Kα 峰半高峰宽值作为标准。对于飞纳能谱探测器,锰 Kα 半高峰宽值 ≤123 eV。

除能量分辨率,在评估能谱系统性能时还应考虑其它几个参数。元素范围是指的是在整个元素周期表中可检测到的所有元素。由于 X 射线接收量与传感器面积大小成线性关系,因此更大面积的探测器具有更高的接收量。在描述接收量时,不得不提到计数率这一概念,它用来描述离开检测器后进行处理的 X 射线。尽管依赖于这个计数率,但实际上不到一半的输入计数被用于识别元素和定量分析。离开数字脉冲处理器 (DPP) 的计数率称为输出计数率,是更相关的参数,因为它反映了真正有用的计数量。飞纳能谱使用 30 mm2(可选 70 mm2)的探测器,元素检测范围为硼 (5) 到锎 (98)。

1. 不完全电荷收集

在探测器表面附近的 X 射线最终会进入探测器的非活性层,它们所产生的电荷无法被完全收集和测量。因此,它们的能量测量值比实际低一点。这种效应称为不完全电荷收集 (ICC)。低能量的 X 射线由于没有足够能量深入检测器,尤其受到此效应的影响。所以,能量小于 750eV 的 X 射线谱线在能谱中明显向左偏移。

使用实验模型,其中通过进行碳校准将能谱的低能量部分进行线性化,以使峰可以移动到本应所在的位置。但是,ICC 并不是一个简单的转变,具体如图 3 所示。
 

能谱-3.png

图3 相关低能量 Kα 峰示例,从左到右:碳 Kα (279eV)、氟 Kα (675eV))、镁 Kα (1252eV)、硅 Kα (1739eV)、氯 Kα (2623eV) 和钙 Kα (3693eV) 。黑色曲线是针对所有峰在相同计数下模拟的高斯曲线;因为 FWHM 随着能量的增加而增加,所以在更高的能量下峰值会更矮,以保持面积恒定。红色曲线是 ICC 效应下得到的相同的峰 。

可以注意到;在低能量下,产生的峰看起来或多或少呈高斯形状,但会展宽并向左偏移;碳 Kα 的偏移多达 ~25eV。从峰形可以看出将碳添加到正向模型是减少误识别的重要环节。如果从红色峰中减去黑色高斯峰值,会有一个明显的差值,这很可能被误识别为另一个元素。此外,随着研究越来越关注轻元素的灵敏识别,ICC 修正变得更重要。

从 Phenom 1.7 系统开始,内部自带 ICC 修正,并且默认开启。这也意味着无需再进行额外的碳校准,彰显了飞纳能谱工作流程的优势。

2. 其它与电子相关的效应

在 X 射线检测过程中可能会出现另外两种相关的副作用:和峰和逃逸峰。有时候会有两个 X 射线,同时到达脉冲处理器的信号,从而出现一个假峰,能量是两个 X 射线的能量之和。无法区分此种信号的效应一般被称为脉冲堆叠效应,信号被重复计数的情况则被称为和峰。和峰既可以来自同一元素,也可以来自不同元素的。逃逸峰则是任何类型的硅探测器都有的。当入射 X 射线从硅中激发出 X 射线时,就会发生这种情况。通常,会使原始光子能量降低约 1.74keV,这正好对应于硅的 Kα 峰。在进行自动信号分析时,能谱拟合功能会将和峰和逃逸峰考虑在内。

3. 漂移矫正

由于热效应或导电性较差,暴露于高能电子束下的样品会发生漂移。这种影响通常比较小,但是当对样品的较大区域进行较长时间的成像时(能谱面扫时也会发生这种情况),这种偏移可能会达到几个像素,并可能导致电镜图像和能谱面扫结果出现明显的不匹配。

在能谱面扫过程中,算法中的漂移矫正功能是通过测量图像偏移以及动态调整电子束位置对这种漂移进行补偿修正,以得到正确的结果。

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