Kastaingova mikrosonda
Mikrosonda (anglicky microanalyser elektron sonda , EPMA) je metoda elementární analýzy vynalezl v roce 1951 o Raimond Castaing . To spočívá v bombardování na vzorek s elektrony a analyzování spektra v rtg záření vycházející ze vzorku podle tohoto stresu.
Všeobecné
Během bombardování vzorku se určité elektrony vzdají části své kinetické energie atomu, což způsobí vysunutí elektronu z atomu ; atom je prý „vzrušený“. Pokud je elektron vysunut v blízkosti srdce, elektron z vrstevnatého zařízení sestoupí do nižší energetické vrstvy (atom deexcituje), a přitom bude vyzařovat foton. Kvůli přechodové energii bude tento foton patřit do rentgenové domény.
Existují pouze mikro sondy (které se používají pouze pro elementární analýzu), ale často jsou mikro sondy spojeny se skenovacím elektronovým mikroskopem . Analýzu spektra X lze provést:
- podle vlnové délky disperze (nebo WDS pro vlnové délky disperzní spektroskopie ), to znamená, že rentgenové fotony jsou odděleny difrakce na krystalu ;
- nebo pomocí energetické disperze (nebo EDS pro energeticky disperzní spektroskopii ) je detektor potom polovodič, který produkuje napěťové špičky úměrné energii fotonu.
Energie h .ν fotonu X, generovaná de-excitací atomu po odchodu sekundárního elektronu, je charakteristická pro elektronické přechody atomu, a tedy pro jeho chemickou povahu. Toto se označuje jako „charakteristická emisní linka“. K rozlišení různých čar emitovaných atomem se používá zápis Siegbahn ; v této notaci označuje čára Kα 1 přechod z úrovně L3 do úrovně K.
Světelné prvky (nízké atomové číslo Z ) vyzařují fotony X s nízkou energií, které jsou snadno absorbovány jinými atomy, zejména oknem berylia, které chrání detektor. Kromě toho mají světelné prvky tendenci deexcitovat emitováním Augerova elektronu spíše než fotonu X. Tyto dvě skutečnosti znamenají, že intenzity čar emitovaných světelnými prvky mají nízkou intenzitu, jejich detekce a kvantifikace jsou ve skutečnosti ... velmi obtížné.
Instrumentace
Elektronová sonda je tvořena zmenšením velikosti paprsku ze zdroje elektronů dvěma nebo třemi magnetickými čočkami . Elektrony zasáhnou vzorek, který má být analyzován, nárazovou energií, která se může pohybovat od několika stovek eV do 50 keV . X fotony emitované vzorkem pod dopadem elektronů jsou analyzovány rentgenovými spektrometry, které mohou být typu WDS (disperze vlnové délky) nebo EDS (disperze energie) . Vzorek lze pozorovat pomocí objektivu typu Cassegrain zabudovaného do posledního objektivu.
Kalibrační a maticové efekty
Semikvantitativní analýzu lze provést kalibrací detektoru. Použije se kontrolní vzorek, ve kterém je koncentrace analyzovaného prvku C tem ; získáme intenzitu I tem . Ve vzorku, který nás zajímá, je koncentrace C ech a získaná intenzita je I ech . Tak :
kde k je koeficient závislý na prostředí prvku ve vzorku, nazývaný „korekce ZAF“. Koeficient k bere v úvahu:
- interakce elektronů s maticí (účinek atomového čísla Z );
- absorpce fotonů maticí (korekce A, účinek lineárního absorpčního koeficientu μ);
- z fluorescence (korekce F: X emitované fotony jsou pohlcovány jinými atomy, jsou tyto požadované rentgenové fotony a elektrony, způsobí přebuzení).
Tyto efekty se také nazývají „ maticové efekty “; k závisí na linii, složení vzorku a jeho hustotě. V případě chromu v oceli máme k = 0,85.
Systém obecně používá přechodovou linku na elektronickou úroveň K, protože to jsou linky, které oddělují nejlepší. Způsob excitace atomů umožňuje sestavit chemickou mapu vzorku (orientovatelný elektronový paprsek rastrovacího elektronového mikroskopu nebo posunutí vzorku pod fixní paprsek).
Prvním omezením této metody je nemožnost detekce nebo kvantifikace světelných prvků. Poté, pokud povrch vzorků není dokonale plochý, zavádí se topografické kontrasty, reliéfy zabraňující rentgenovým paprskům dosáhnout detektoru; tyto reliéfy mohou být dokonce místem fluorescence indukované rentgenovými paprsky. Nakonec elektronový paprsek excituje několik μm 3 materiálu; několik μm je proto analyzováno do hloubky s bočním rozlišením přibližně 3 μm . Chemické mapy proto mají mnohem nižší prostorové rozlišení než obrazy sekundárních elektronů.
Kvantitativní analýza
Metoda korekce ZAF není dostatečně přesná, aby mohla být příslušná analýza kvalifikována jako „kvantitativní“. Je možné použít jinou metodu korekce pomocí kalibrovaných „standardů“.
Podle Castainga je vztah mezi intenzitou píku a hmotnostní koncentrací přidruženého prvku lineární:
Koeficienty A a B lze nalézt s přesností měřením intenzity čar spojených se vzorkem známé koncentrace (koeficient B se získá spojením intenzity šumu pozadí na obou stranách píku s koncentrací „0% ").
Pouze z těchto koeficientů můžeme najít koncentraci odpovídající jakékoli intenzitě píku.
Toto měření je o to přesnější, když je standard získáván za stejných podmínek jako měřený vzorek (zrychlovací napětí, proud sondy atd. ).
Tato metoda je prezentována jako skutečně „kvantitativní“ mikroskopem značky Jeol.
Aplikace
- Mikrosonda Castaing je jedním ze základních zařízení pro tribologický výzkum; podívejte se na toto téma na wikibook tribologie a konkrétněji na kapitolu věnovanou genezi tření .
- V oblasti geologie, využití elektronického mikrosondy je častá, protože to umožňuje získat chemického složení těchto minerálů , které představují rock. Složení získané během analýzy je obecně dáno hmotností oxidu pro hlavní prvky, to znamená prvky s obsahem větším než 1% z celkové hmotnosti, které tvoří většinu minerálů (příklad: SiO 2 , MgO , Al 2 O 3 , FeO ...). Díky získanému složení je pak možné určit název analyzovaného minerálu na základě referenčních složení uvedených v knihách, vědeckých článcích nebo databázích. O této technice se říká, že je přesná, protože umožňuje přesně a velmi lokalizovaným způsobem získat složení daného minerálu pozorované na tenkém pásu horniny.
Poznámky a odkazy
- (in) SJB Reed , Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology , Cambridge University Press,25. srpna 2005( ISBN 978-1-139-44638-9 , číst online )
- WA Deer a J. Zussman , Úvod do horninotvorných minerálů ,2013( ISBN 978-0-903056-27-4 a 0-903056-27-5 , OCLC 858884283 , číst online )