背景
无窗能谱 (EDS) 探测器以其高灵敏度和检测低能 X 射线的能力而闻名，使其成为分析硼、氮和氧等轻元素的优化选择。然而，许多市售型号不能用作通用 EDS 检测器，因为它们无法在高加速电压下进行定量分析，因此无法准确确定重元素的浓度。
图 1. EDAX Octane Elite Ultra EDS 探测器
重元素的无标定量分析需要扫描电子显微镜 (SEM) 在高加速电压 (通常为 >20 kV) 下运行。因此，需要一个防止 (高能) 背散射电子到达 X 射线传感器的电子阱 (从而防止电子对 X 射线信号的污染) 和一个可以校正大体积样品中 X 射线的产生和吸收的分析模型。
材料和方法
许多无窗 EDS 检测器放弃了在高于 10 kV 的加速电压下对元素进行定量分析，因为设计适用于大面积检测器的电子阱很复杂，大面积检测器还必须提供较短的样品距离，以最大限度地提高检测的立体角。然而，利用 Gatan 在电子能量损失谱仪 (EELS) 几十年的发展中建立的电子光学专业知识，EDAX Octane Elite Ultra EDS 系统开发了一种新型电子阱，该系统允许在所有 SEM 加速电压下运行 160 mm2 无窗探测器，同时保持出色的立体角以检测 X 射线。使用铋样品 (原子序数 81) 和 30 kV 的加速电压，以最大限度地提高背散射电子信号，将此电子阱的性能与其他 EDS 检测器进行了基准测试。在 X 射线能量 >15 keV 下进行评估，与现有的传统 (有窗) 探测器相比，EDAX Octane Elite Ultra 提供的 EDS谱线比所有其他探测器都具有更低的背景 (表 1)。EDAX Octane Elite Ultra 的电子阱性能还优于标准型号，尽管其 X 射线检测的立体角大 6 倍以上。
| 型号 |
窗口 |
活区面积 |
Bi Lα线峰背比* |
| 标准 EDS 探测器 |
有窗 |
中等 |
238 |
| 其它探测器 |
无窗 |
大 |
N/A |
| EDAX Octane Elite Ultra |
无窗 |
最大 |
400 |
表 1. 电子阱性能的比较。将 EDS 谱线归一化为 Bi Lα，以考察立体角和探测器几何形状的差异。*背景是在 25 keV 的 X 射线能量下测量的。对于其他无窗 EDS 探测器，无法在 30 kV 的加速电压下采集 EDS 谱线。
在高加速电压下对含有轻元素和重元素的样品进行准确的无标定量分析可能特别具有挑战性。无标样定量分析使用基体校正因子来解释 X 射线激发、吸收和二次荧光激发的变化，作为加速电压和样品成分的函数 (例如，EDAX 的 eZAF 校正)。对于包含原子序数 Z 差异较大的样品，基体校正可能非常大，尤其是吸收校正 (质量吸收系数 (MAC))。一般来说，MAC 随着吸收的 X 射线能量的降低而增加，因此低 Z 元素的修正较大，而高 Z 元素的修正较小。此外，高 Z 元素往往是强吸收体，因此对包含高 Z 元素基体中的低 Z 元素定量时需要进行较大的修正。
在这些情况下进行定量分析时，测得的净计数或基体校正和分析模型中的小误差会导致定量结果出现较大偏差。因此，重要的是分析模型能够 1) 准确地将轫致辐射背景与特征 X 射线分离，2) 有效分离重叠峰，3) 用 X 射线能量校正探测器效率的变化，以及 4) 对样品和所用条件进行准确的基体校正。
使用 EDAX Octane Elite Ultra 和 EDAX APEX™ EDS Advanced 3.0 软件，在高加速电压下对 5 个认证成分样品进行了定量分析。样品包含两种原子序数相差 >50 的元素。使用 eZAF 基体校正和计算的轫致辐射背景拟合的无标样归一化分析来测量元素组成 (表 2)。在所有情况下，包括硅化钨，其中钨 Mα 和硅 Kα 峰明显重叠，测得的成分分析是可以接受的，观察到测得的成分和认证成分之间的平均绝对偏差仅为 2.1%。
| 样品组分 |
元素 |
认证成分 (wt.) |
测量成分 (wt.) |
元素的绝对误差 (wt.) |
| 1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
| 氟化铅 |
Pb |
F |
84.95% |
15.05% |
86.4% |
13.6% |
1.4% |
| 硅化钨 |
W |
Si |
77.9% |
22.1% |
74.4% |
25.6% |
3.5% |
| 氧化铕 (III) |
Eu |
O |
81.1% |
18.9% |
84.5% |
15.5% |
3.4% |
| 氟化铒 |
Er |
F |
74.1% |
25.9% |
73.6% |
26.4% |
0.4% |
| 氟化镱 |
Yb |
F |
75.2% |
24.8% |
76.8% |
23.2% |
1.6% |
表 2. 对在 25 kV 下测量 20 s 活时间的元素标准样品进行无标样归一化分析，使用 eZAF 基体和碳涂层校正进行归一化无标分析，使用建模的轫致辐射进行背景拟合。
总结
EDAX Octane Elite Ultra 已用于测定重金属化合物的成分，在高加速电压下具有相当的精度。利用新设计的电子阱的强大功能，EDAX Octane Elite Ultra 已被证明适用于重元素的定量分析，使其成为第一款适用于常规微量分析的大面积无窗口 EDS 探测器，此外还具有高灵敏度和检测低能 X 射线的能力，即大面积无窗 EDS 探测器著称的性能。