電子探針作為顯微形態(tài)觀察及微區(qū)成分分析有效的測試手段之一，在材料分析和地質(zhì)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(qū)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(tǒng)儀器廠商不敢輕易涉足的“雷區(qū)”。

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(yōu)化設計，使得島津在超輕元素的測試上表現(xiàn)格外優(yōu)異。

  超輕元素分析的難點  

電子探針作為微區(qū)分析儀器，是利用從試樣內(nèi)部微米級別體積范圍內(nèi)被高能聚焦的入射電子束激發(fā)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(zhì)量吸收系數(shù)大，譬如在同樣的基體中，超輕元素Be的質(zhì)量吸收系數(shù)是Fe元素的幾百甚或上千倍，這意味著樣品中被激發(fā)出的超輕元素特征X射線在從試樣內(nèi)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(nèi)層空位躍遷后產(chǎn)生。當超輕元素與其他元素結(jié)合時，外層電子會受到影響，這就造成了不同結(jié)合狀態(tài)下，超輕元素的特征X射線峰位會有所偏移。圖2為單質(zhì)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(jù)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(chǎn)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(yōu)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(diào)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(tǒng)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?qū)γ總€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(fā)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(fā)的超輕元素分光晶體

  總 結(jié)  

島津電子探針完美地解決了微區(qū)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(shù)據(jù)支撐；在地學領域，對于研究礦床成因解釋、礦產(chǎn)資源評價和新礦物的發(fā)現(xiàn)等具有重要意義。

撰稿人：趙同新、崔會杰