О природе минералов 1 Введение

5.2 Электронно-зондовый
микроанализ (PMA)
5.2.1 Основные принципы
Как мы уже видели (в разд. 4.2.2), обладающее
высокой энергией ионизирующее излучение мо-
жет вызывать перемещение электрона с внутрен-
ней оболочки атома, а следующая за этим про-
странственная перестройка электронов приводит
к эмиссии кванта характеристического рентгенов-
ского излучения. Для данного образца число ис-
пускаемых квантов с любой характеристической
энергией (или длиной волны) зависит от концен-
трации присутствующего элемента. В электрон-
ном зонде ионизирующее излучение представля-
ет собой пучок электронов с высокой энергией,
который генерируется внутри электронной пуш-
ки. Во многих отношениях колонна электронно-
го зонда (рис. 5.1) похожа на колонну просвечи-
вающего электронного микроскопа. Колонна зон-
да содержит в себе электронную пушку, помещен-
ную в камеру, в которой продуцируются электро-
ны. В колонне прибора электроны фокусируют-
ся в узкий пучок с помощью магнитных линз и
апертур. Такой пучок, обычно обладающий диа-
метром около 1 мкм, окончательно фокусируется
на образце, расположенном в специальной каме-
ре. Характеристическое рентгеновское излучение,
испускаемое образцом, фиксируется и обрабаты-
вается электронным способом.
Рентгеновские лучи — не единственный тип из-
лучения, возникающего при бомбардировке образ-
ца электронами. Помимо образования характе-
ристических рентгеновских лучей энергия элек-
тронов в пучке рассеивается в виде тепла, света
и белого рентгеновского излучения. Кроме того,
при этом возникают обратно отраженные (обрат-
но рассеянные), вторичные и Оже-электроны. Эти
эффекты взаимодействия электронного пучка с
образцом (рис. 5.2) иногда также используются в
аналитических целях. Обратно отраженные элек-
троны представляют собой электроны первично-
го пучка, которые при взаимодействии с ядрами
атомов теряют лишь незначительную часть энер-
гии. Применяя соответствующий детектор, с их

---

помощью можно формировать изображение по-
верхности образца. Обратное рассеяние связано с
атомным номером следующей зависимостью, чем
больше электронов содержит атом, тем выше веро-
ятность возникновения обратного рассеяния. При
этом могут быть получены изображения элемен-
тов, показывающие локальные вариации их кон-
центраций (рис. 5.3, а). Вторичные электроны
обладают слабыми связями и легко выбиваются
из близповерхностных атомов образца. Их также
можно использовать для получения изображений
поверхности образцов, но в отличие от изобра-
жений, полученных в обратно отраженных элек-
тронах, они не показывают особенностей состава
(рис 5.3,
б).
Электронный микроскоп СЭМ (сканирующий
электронный микроскоп), у которого электронный
пучок сканирует поверхность образца, а не зафик-
сирован в одной точке, как в электронно-зондовом
микроанализаторе, позволяет получать как обрат-
но отраженные, так и вторичные электроны, кото-
рые могут использоваться для формирования изо-
бражений
Оже-электроны испускаются атомами с энер-
гиями, сопоставимыми с энергиями характери-
стических рентгеновских лучей Они образуются,
когда квант характеристического излучения по-
вторно поглощается атомом, испускающим элек-
трон. Оже-электроны широко используются при
анализе поверхностей объектов, так как в отличие
от обратно отраженных и вторичных электронов
их энергии характеризуют элементы, из которых
они испускаются, и в силу этого они несут инфор-
мацию о химическом составе минералов.
Рис. 5.2 Взаимодействие электронного пучка с
образцом, при котором генерируются характери-
стические рентгеновские лучи, непрерывный спектр
рентгеновского излучения, обратно отраженные,
вторичные и Оже-электроны, световое и тепловое
излучения.
Рис. 5.3 Зональный кристалл эпидот-алланита,
отобранный в Хартс-Рэндж, Центральная Австралия.
(о) Контрастное изображение в обратно отраженных
электронах, обусловленное различием атомных
номеров Белые участки занимает алланит —
минерал, богатый торием и редкоземельными
элементами и имеющий высокое среднее значение
атомного номера Светло- и темно-серые участки
представлены эпидотом (более темные участки
соответствуют эпидоту, содержащему меньше железа
и, следовательно, имеющему меньшее среднее
значение Z, чем светло-серые)
 (б)
Изображение
того же кристалла, полученное с использованием
вторичных электронов Контрастность изображения
связана главным образом с вариациями топологии
поверхности образца

---

5.2.2 Выполнение анализов на
электронном зонде
Химический анализ с помощью электронного зон-
да не является разновидностью полного анализа,
при котором неизвестное вещество определяется в
форме составляющих его компонентов. Его суть
состоит в сопоставлении рентгеновского излуче-
ния исследуемого образца с набором стандартов.
Другими словами, испускаемые образцами рент-
геновские лучи сравниваются с теми, которые по-
лучены в тех же экспериментальных условиях от
стандартов известного состава.
Одно из главных преимуществ электронно-
зондового анализа заключается в том, что образец
при нем не повреждается. Обычно образец берется
в виде полированного петрографического шлифа
или какого-либо полированного фрагмента и по-
сле анализа его можно использовать для деталь-
ных оптических исследований.
Для получения точных результатов важны сле-
дующие моменты:
1. Образец должен быть покрыт тонким слоем
электропроводящего углерода, чтобы он не
оказался электрически заряженным при вза-
имодействии с пучком электронов.
2. В идеале образцы должны быть плоскими и
тщательно отполированными, так как грубая
или неровная поверхность приводит к изме-
нению степени поглощения электронного пуч-
ка и к уменьшению угла между поверхностью
образца и центром детектора рентгеновских
лучей. Величина этого угла также влияет на
поглощение рентгеновских лучей при их про-
хождении через весь образец к его поверхно-
сти.
Интенсивность характеристического излуче-
ния зависит также от ряда других факторов, ко-
торые следует принимать во внимание, чтобы по-
лучать точные результаты.
1. Среднее значение атомного номера элемен-
тов, составляющих образец, влияет на вели-
чину энергии, теряемой первичным электрон-
ным пучком на побочные процессы рассея-
ния (обратно отраженные, вторичные и Оже-
электроны). При этом потерянная энергия не
используется на ионизацию атомов и возбу-
ждение эмиссии рентгеновского излучения.
Рис. 5.4 Схема, показывающая зависимость между
ускоряющим напряжением (V
0
), средним атомным
номером образца и пространственным разрешением
испускаемых рентгеновских лучей. Чем выше
ускоряющее напряжение, тем больше степень (объем)
возбуждения.
2. Поскольку характеристические рентгеновские
лучи испускаются атомами, то они должны
пройти через образец и, следовательно, часть
их может поглощаться.
3. Обладающее высокой энергией характеристи-
ческое излучение может приводить к иониза-
ции других атомов в образце, вынуждая их
испускать собственное характеристическое из-
лучение. Данный процесс известен как эф-
фект