Castaing Mikrosonde
Die Mikrosonde (englischer Elektronensonden-Mikroanalysator , EPMA) ist eine Methode zur Elementaranalyse, die 1951 von Raimond Castaing erfunden wurde . Es besteht darin, eine Probe mit Elektronen zu bombardieren und das Spektrum der von der Probe unter dieser Belastung emittierten Röntgenstrahlen zu analysieren .
Allgemeines
Während des Beschusses einer Probe geben bestimmte Elektronen einen Teil ihrer kinetischen Energie an das Atom ab, wodurch ein Elektron aus dem Atom ausgestoßen wird . das Atom soll "angeregt" sein. Wenn das Elektron in der Nähe des Herzens ausgestoßen wird, fällt ein Elektron von einer Schichtvorrichtung zu einer Schicht mit niedrigerer Energie ab (das Atom deexzitiert) und emittiert dabei ein Photon. Aufgrund der Übergangsenergie gehört dieses Photon zur Röntgendomäne.
Es gibt nur Mikrosonden (die nur für die Elementaranalyse verwendet werden), aber häufig sind die Mikrosonden an ein Rasterelektronenmikroskop gekoppelt . Die X-Spektrum-Analyse kann durchgeführt werden:
- durch Wellenlängendispersion (oder WDS für wellenlängendispersive Spektroskopie ), dh die Röntgenphotonen werden durch Beugung an einem Kristall getrennt ;
- oder durch Energiedispersion (oder EDS für energiedispersive Spektroskopie ) ist der Detektor dann ein Halbleiter, der Spannungsspitzen erzeugt, die proportional zur Energie des Photons sind.
Die Energie h .ν des X-Photons, die durch die Abregung des Atoms nach dem Abgang eines Sekundärelektronens erzeugt wird, ist charakteristisch für die elektronischen Übergänge des Atoms und damit für seine chemische Natur. Wir sprechen von einer „charakteristischen Emissionslinie“. Um die verschiedenen Linien zu unterscheiden, die von einem Atom emittiert werden, verwendet man die Notation der Siegbahn ; In dieser Notation bezeichnet die Linie Kα 1 einen Übergang von Stufe L3 zu Stufe K.
Die Lichtelemente (niedrige Ordnungszahl Z ) emittieren niederenergetische X-Photonen, die leicht von anderen Atomen und insbesondere vom Berylliumfenster absorbiert werden , das den Detektor schützt. Darüber hinaus neigen die Lichtelemente dazu, durch Emission eines Auger-Elektrons anstelle eines X-Photons zu entregen. Diese beiden Tatsachen bedeuten, dass die Intensitäten der von den Lichtelementen emittierten Linien von geringer Intensität sind, ihre Detektion und ihre Quantifizierung tatsächlich sind sehr schwierig.
Instrumentierung
Eine Elektronensonde wird gebildet, indem die Größe des Strahls von einer Elektronenquelle um zwei oder drei magnetische Linsen verringert wird . Die Elektronen treffen auf die zu analysierende Probe mit einer Aufprallenergie, die von einigen hundert eV bis zu 50 keV variieren kann . Die von der Probe unter dem Einfluss der Elektronen emittierten X-Photonen werden mit Röntgenspektrometern analysiert, die vom Typ WDS (Wellenlängendispersion) oder EDS (Energiedispersion) sein können . Die Probe kann mit einem in die letzte Linse eingebauten Cassegrain- Objektiv beobachtet werden .
Kalibrierungs- und Matrixeffekte
Eine semi-quantitative Analyse kann durch Kalibrieren des Detektors durchgeführt werden. Es wird eine Kontrollprobe verwendet, bei der die Konzentration des zu analysierenden Elements C tem beträgt ; wir erhalten eine Intensität I tem . In der interessierenden Probe beträgt die Konzentration C ech und die gewonnene Intensität I ech . So :
Dabei ist k ein Koeffizient in Abhängigkeit von der Umgebung des Elements in der Probe, der als "ZAF-Korrektur" bezeichnet wird. Der Koeffizient k berücksichtigt:
- die Wechselwirkung von Elektronen mit der Matrix (Wirkung der Ordnungszahl Z );
- Absorption von Photonen durch die Matrix (Korrektur A, Wirkung des linearen Absorptionskoeffizienten μ);
- der Fluoreszenz (Korrektur F: X emittierte Photonen werden von anderen Atomen absorbiert, diese werden von den Röntgenphotonen und Elektronen angefordert, dies führt zu Überanregung).
Diese Effekte werden auch als " Matrixeffekte " bezeichnet. k hängt von der Linie, der Zusammensetzung der Probe und ihrer Dichte ab. Im Fall von Chrom in Stahl haben wir k = 0,85.
Das System verwendet im Allgemeinen die Übergangsleitung zur elektronischen Ebene K, da dies die Leitungen sind, die die besten trennen. Die Art der Anregung der Atome ermöglicht es, eine chemische Karte der Probe zu erstellen (orientierbarer Elektronenstrahl eines Rasterelektronenmikroskops oder Verschiebung der Probe unter einem festen Strahl).
Die erste Einschränkung dieses Verfahrens ist die Unmöglichkeit, die Lichtelemente zu erfassen oder zu quantifizieren. Wenn dann die Oberfläche der Proben nicht perfekt flach ist, führt dies zu topografischen Kontrasten, wobei die Reliefs verhindern, dass die Röntgenstrahlen den Detektor erreichen. Diese Reliefs können sogar der Ort der durch Röntgenstrahlen induzierten Fluoreszenz sein. Schließlich regt der Elektronenstrahl einige μm 3 Material an; Einige μm werden daher über eine Tiefe mit einer lateralen Auflösung von ca. 3 μm analysiert . Chemische Karten haben daher eine viel geringere räumliche Auflösung als Sekundärelektronenbilder.
Quantitative Analyse
Die ZAF-Korrekturmethode ist nicht genau genug, um die entsprechende Analyse als "quantitativ" zu qualifizieren. Es ist möglich, eine andere Korrekturmethode unter Verwendung kalibrierter „Standards“ zu verwenden.
Nach Castaing ist die Beziehung zwischen der Intensität eines Peaks und der Massenkonzentration des zugehörigen Elements linear:
Die Koeffizienten A und B können mit Präzision ermittelt werden, indem die Intensität der Linien gemessen wird, die einer Probe bekannter Konzentration zugeordnet sind (der Koeffizient B wird erhalten, indem die Intensität des Hintergrundrauschens auf beiden Seiten des Peaks mit der Konzentration "0%" verknüpft wird ").
Nur aus diesen Koeffizienten können wir die Konzentration ermitteln, die einer beliebigen Spitzenintensität entspricht.
Diese Messung ist umso genauer, wenn der Standard unter den gleichen Bedingungen wie die zu messende Probe (Beschleunigungsspannung, Sondenstrom usw. ) erfasst wird .
Diese Methode wird von den Mikrosonden der Marke Jeol als wirklich „quantitativ“ dargestellt.
Anwendungen
- Die Castaing-Mikrosonde ist eines der grundlegenden Geräte für die tribologische Forschung. siehe zu diesem Thema das Wikibook der Tribologie und insbesondere das Kapitel über die Entstehung der Reibung .
- Auf dem Gebiet der Geologie wird häufig die elektronische Mikrosonde verwendet, da hierdurch die chemische Zusammensetzung der Mineralien, aus denen ein Gestein besteht, ermittelt werden kann. Die während einer Analyse erhaltene Zusammensetzung wird im Allgemeinen durch das Oxidgewicht für die Hauptelemente angegeben, dh die Elemente mit einem Gehalt von mehr als 1% des Gesamtgewichts, die die meisten Mineralien ausmachen (Beispiel: SiO 2 , MgO , Al 2 O 3 , FeO ...). Dank der erhaltenen Zusammensetzung ist es dann möglich, den Namen des analysierten Minerals anhand von Referenzzusammensetzungen zu bestimmen, die in Büchern, wissenschaftlichen Artikeln oder Datenbanken angegeben sind. Diese Technik wird als pünktlich bezeichnet, da sie es ermöglicht, die Zusammensetzung eines bestimmten Minerals, die auf einem dünnen Gesteinsstreifen beobachtet wird, präzise und sehr lokal zu erhalten .
Anmerkungen und Referenzen
- (in) SJB Reed , Elektronenmikrosondenanalyse und Rasterelektronenmikroskopie in der Geologie , Cambridge University Press,25. August 2005( ISBN 978-1-139-44638-9 , online lesen )
- WA Deer und J. Zussman , Eine Einführung in die gesteinsbildenden Mineralien ,2013( ISBN 978-0-903056-27-4 und 0-903056-27-5 , OCLC 858884283 , online lesen )