Spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii - Energy-dispersive X-ray spectroscopy

Widmo EDS skorupy mineralnej krewetki wentylacyjnej Rimicaris exoculata Większość z tych pików to promienie X emitowane, gdy elektrony powracają do powłoki elektronowej K. ( linie K-alfa i K-beta ) Jeden pik pochodzi z powłoki L żelaza .

Spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii ( EDS , EDX , EDXS lub XEDS ), czasami nazywana analizą rentgenowską z dyspersją energii ( EDXA lub EDAX ) lub mikroanalizą rentgenowską z dyspersją energii ( EDXMA ), jest techniką analityczną stosowaną do analizy pierwiastkowej lub charakterystyka chemiczna próbki. Opiera się na interakcji z jakiegoś źródła z X-ray wzbudzenia i próbki. Jego możliwości charakteryzacyjne wynikają w dużej mierze z fundamentalnej zasady, że każdy pierwiastek ma unikalną strukturę atomową umożliwiającą unikalny zestaw pików w jego widmie emisji elektromagnetycznej (co jest główną zasadą spektroskopii ). Pozycje pików są przewidywane przez prawo Moseleya z dokładnością znacznie lepszą niż rozdzielczość eksperymentalna typowego instrumentu EDX.

Aby stymulować emisję charakterystycznych promieni rentgenowskich z próbki, wiązka elektronów jest skupiana w badanej próbce. W spoczynku atom w próbce zawiera elektrony stanu podstawowego (lub niewzbudzone) na dyskretnych poziomach energii lub powłoki elektronowe związane z jądrem. Padająca wiązka może wzbudzić elektron w powłoce wewnętrznej, wyrzucając go z powłoki, tworząc jednocześnie dziurę elektronową w miejscu, w którym znajdował się elektron. Elektron z zewnętrznej powłoki o wyższej energii wypełnia następnie dziurę, a różnica energii między powłoką o wyższej energii a powłoką o niższej energii może zostać uwolniona w postaci promieniowania rentgenowskiego. Liczbę i energię promieni rentgenowskich emitowanych z próbki można zmierzyć za pomocą spektrometru dyspersyjnego. Ponieważ energie promieni rentgenowskich są charakterystyczne dla różnicy energii między dwiema powłokami i struktury atomowej pierwiastka emitującego, EDS umożliwia pomiar składu pierwiastkowego próbki.

Ekwipunek

Cztery główne elementy konfiguracji EDS to

  1. źródło wzbudzenia (wiązka elektronów lub wiązka promieniowania rentgenowskiego)
  2. detektor promieniowania rentgenowskiego
  3. procesor impulsowy
  4. analizator.

Wzbudzanie wiązką elektronów jest stosowane w mikroskopach elektronowych , skaningowych mikroskopach elektronowych (SEM) i skaningowych transmisyjnych mikroskopach elektronowych (STEM). Wzbudzenie wiązki promieniowania rentgenowskiego jest stosowane w spektrometrach fluorescencji rentgenowskiej (XRF). Detektor służy do konwersji energii promieniowania rentgenowskiego na sygnały napięciowe ; informacje te są przesyłane do procesora impulsowego, który mierzy sygnały i przekazuje je do analizatora w celu wyświetlenia i analizy danych. Najczęściej stosowanym detektorem był detektor Si(Li) chłodzony do temperatur kriogenicznych ciekłym azotem. Obecnie nowsze systemy są często wyposażone w detektory dryfu krzemu (SDD) z układami chłodzenia Peltiera .

Warianty technologiczne

Zasada EDS

Nadmiar energii elektronu, który migruje do wewnętrznej powłoki, aby wypełnić nowo utworzoną dziurę, może zdziałać więcej niż emitowanie promieni rentgenowskich. Często zamiast emisji promieniowania rentgenowskiego nadmiar energii jest przenoszony na trzeci elektron z dalszej powłoki zewnętrznej, co powoduje jego wyrzucenie. Ten wyrzucony gatunek nazywany jest elektronem Augera , a metoda jego analizy znana jest jako spektroskopia elektronów Augera (AES).

Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (XPS) to kolejny bliski krewny EDS, wykorzystujący wyrzucane elektrony w sposób podobny do AES. Informacje o ilości i energii kinetycznej wyrzuconych elektronów są wykorzystywane do określenia energii wiązania tych uwolnionych elektronów, która jest specyficzna dla danego pierwiastka i umożliwia chemiczną charakterystykę próbki.

EDS jest często przeciwstawiany jej spektroskopowemu odpowiednikowi, spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją długości fali (WDS). WDS różni się od EDS tym, że wykorzystuje dyfrakcję promieni rentgenowskich na specjalnych kryształach do rozdzielenia surowych danych na składowe widmowe (długości fal). WDS ma znacznie lepszą rozdzielczość widmową niż EDS. WDS pozwala również uniknąć problemów związanych z artefaktami w EDS (fałszywe szczyty, szum ze wzmacniaczy i mikrofonowanie ).

Do wzbudzenia próbki można użyć wysokoenergetycznej wiązki naładowanych cząstek, takich jak elektrony lub protony, a nie promieni rentgenowskich. Nazywa się to emisją promieniowania rentgenowskiego indukowanego cząstkami lub PIXE.

Dokładność EDS

EDS można wykorzystać do określenia, które pierwiastki chemiczne są obecne w próbce i mogą być wykorzystane do oszacowania ich względnej obfitości. EDS pomaga również w pomiarach grubości wielowarstwowych powłok metalicznych oraz analizie różnych stopów. Na dokładność tej ilościowej analizy składu próbki mają wpływ różne czynniki. Wiele pierwiastków będzie mieć nakładające się piki emisji promieniowania rentgenowskiego (np. Ti K β i VK α , Mn K β i Fe K α ). Na dokładność zmierzonego składu ma również wpływ charakter próbki. Promieniowanie rentgenowskie jest generowane przez dowolny atom w próbce, który jest wystarczająco wzbudzony przez nadchodzącą wiązkę. Te promienie rentgenowskie są emitowane we wszystkich kierunkach (izotropowo), więc nie wszystkie mogą uciec z próbki. Prawdopodobieństwo, że promieniowanie rentgenowskie ucieknie z próbki, a tym samym będzie dostępne do wykrycia i pomiaru, zależy od energii promieniowania rentgenowskiego oraz składu, ilości i gęstości materiału, przez który musi przejść, aby dotrzeć do detektora. Ze względu na ten efekt absorpcji promieniowania rentgenowskiego i podobne efekty, dokładne oszacowanie składu próbki ze zmierzonego widma emisji promieniowania rentgenowskiego wymaga zastosowania procedur korekcji ilościowej, które czasami określa się mianem korekcji matrycy.

Nowa technologia

Istnieje trend w kierunku nowszego detektora EDS, zwanego detektorem dryfu krzemu (SDD). SDD składa się z chipa krzemowego o wysokiej rezystancji, w którym elektrony są kierowane do małej anody zbiorczej. Zaleta polega na wyjątkowo niskiej pojemności tej anody, dzięki czemu wykorzystuje się krótsze czasy przetwarzania i umożliwia bardzo wysoką przepustowość. Korzyści z SDD obejmują:

  1. Wysokie wskaźniki zliczania i przetwarzania,
  2. Lepsza rozdzielczość niż tradycyjne detektory Si(Li) przy dużych szybkościach zliczania,
  3. Niższy czas martwy (czas poświęcony na przetwarzanie zdarzenia rentgenowskiego),
  4. Szybsze możliwości analityczne i dokładniejsze mapy rentgenowskie lub dane cząsteczkowe zbierane w kilka sekund,
  5. Możliwość przechowywania i pracy w stosunkowo wysokich temperaturach, eliminując potrzebę chłodzenia ciekłym azotem .

Ponieważ pojemność chipa SDD jest niezależny od aktywnej powierzchni czujnika znacznie większe wióry SDD, można stosować 40 mm ( dwa lub więcej). Pozwala to na zbieranie jeszcze większej liczby zliczeń. Dalsze zalety chipów o dużej powierzchni to:

  1. Minimalizacja prądu wiązki SEM pozwalająca na optymalizację obrazowania w warunkach analitycznych,
  2. Zmniejszone uszkodzenia próbki i
  3. Mniejsza interakcja wiązki i poprawiona rozdzielczość przestrzenna dla szybkich map.

Tam, gdzie energie promieniowania rentgenowskiego będące przedmiotem zainteresowania przekraczają ~ 30 keV, tradycyjne technologie oparte na krzemie cierpią na słabą wydajność kwantową z powodu zmniejszenia mocy hamowania detektora . Detektory wyprodukowane z półprzewodników o wysokiej gęstości, takich jak tellurku kadmu (CdTe) i tellurku kadmu i cynku (CdZnTe) mają zwiększoną wydajność przy wyższych energiach promieniowania rentgenowskiego i mogą pracować w temperaturze pokojowej. Systemy jednoelementowe, a ostatnio pikselowane detektory obrazowania, takie jak system wysokoenergetycznej technologii obrazowania rentgenowskiego (HEXITEC), są w stanie osiągnąć rozdzielczości energii rzędu 1% przy 100 keV.

W ostatnich latach na rynku pojawił się również inny typ detektora EDS, oparty na nadprzewodnikowym mikrokalorymetrze . Ta nowa technologia łączy możliwości jednoczesnego wykrywania EDS z wysoką rozdzielczością widmową WDS. Mikrokalorymetr EDS składa się z dwóch elementów: absorbera i termometru nadprzewodzącego czujnika krawędzi przejścia (TES) . Pierwsza pochłania promienie rentgenowskie emitowane z próbki i przekształca tę energię w ciepło; ten ostatni mierzy późniejszą zmianę temperatury spowodowaną dopływem ciepła. Mikrokalorymetr EDS w przeszłości miał szereg wad, w tym niskie szybkości zliczania i małe obszary detektora. Szybkość zliczania jest utrudniona przez zależność od stałej czasowej obwodu elektrycznego kalorymetru. Obszar detektora musi być mały, aby utrzymać małą pojemność cieplną i zmaksymalizować czułość termiczną ( rozdzielczość ). Jednak szybkość zliczania i obszar detektora zostały ulepszone dzięki wdrożeniu macierzy setek nadprzewodzących mikrokalorymetrów EDS, a znaczenie tej technologii rośnie.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki