第二节 电子探针

电子（EPMA）又称X射线显微分析仪。它利用集束后的高能电子束轰击宝石样品表面，并在一个微米级的有限深度和侧向扩展的微区体积内激发，产生特征X射线，二次电子、背散射电子、阴极荧光等。现代的电子探针多数配有X射线能谱仪，根据不同X射线的分析方法(波谱仪或能谱仪)，可定量或定性地分析物质的组成元素的化学成分、表面形貌及结构特征，为是一种有效、无损的宝石化学成分分析方法。

一、基本原理
电子枪用以发射具有一定能量的电子束，通过轴对称电场或磁场构成的电子透镜调节电子束的束斑的强度与大小。扫描发生器按时间与空间的顺序，把电子束打到样品室内的宝石样品上，并随时收集所产生的二次电子。二次电子是电子束轰击到宝石时，逐出宝石样品浅表层原子的核外电子。由于一定能量的电子束所逐出的二次电子的激发效率和宝石样品元素的电离能以及电子束与宝石样品的夹角有关，因此根据二次电子的强度可作宝石样品的形貌分析。当电子束在宝石样品上扫描时与显示屏幕的扫描完全同步，即可保证宝石样品上的“物点”与显示屏幕上的“像点”在时间与空间上一一对应，于是在显示屏幕上就得到一个反映宝石样品表面形貌的放大图像。若利用分光晶体来测定所产生的特征x射线波谱或者利用半导体检测特征x射线能谱，即测得不同波长或者不同能量及与它们相对强度的信息，从而可获取微区的成分的定性、定量的结果。电子探针可视为一种试样的无损分析法。电子探针通常由电子枪、电子透镜、样品室、信号检测、显示系统及真空系统组成。

二、分析方法
1．波谱仪(波长分散谱仪) 一般说来，入射电子束激发宝石产生的特征x射线是多波长的。波谱仪利用某些分光晶体对x射线的衍射作用来达到使不同波长分散的目的，通过测量对应某元素的适当谱线的X射线强度就可以得到这种元素的定量结果。为了排除谱波仪在检测不同元素谱线时条件不同所产生的影响，一般采用化学成分已知的标样进行标定。
2．能谱仪(能量色散谱仪) 能谱仪与波谱仪不同，它是利用特征x射线的能量不同而进行展谱分析的方法，当高能电子束轰击宝石样品时，宝石样品中各种元素都被激发而放射出不同能量的x射线，能谱仪将这些x射线收集起来，按能量大小将其分类并快速显示出谱线再加以检测，从而进行定性、定量分析。

三、宝石学应用
1．点分析
即对宝石表面或露出宝石表面的晶体包体选定微区作定点的全谱扫描，进行定量、定性或半定量分析。首先用同轴光学显微镜进行观察，将待分析的宝石样品微区移到视野中心，然后使聚焦电子束固定照射到该点上，这时驱动谱仪的晶体和检测器连续地改变乙值，记录X射线信号强度L随波长的变化曲线。通过检查谱线强度峰值位置的波长，即可获得所测微区内含有元素的定性结果，测量对应某元素的适当谱线的x射线强度就可以得到这种元素的定量结果。下图为充填处理红宝石的电子探针能谱点分析的结果显示填充物是铅玻璃。

2.面扫描分析
聚焦电子束在宝石表面进行光栅式面扫描，将x射线谱仪调到只检测某一元素的特征X射线位置，用x射线检测器的输出脉冲信号控制同步扫描的显像扫描线亮度，在荧光屏上得到由许多亮点组成的图像。亮点就是该元素的所在处。根据图像上亮点的疏密程度就可确定某元素在试样表面上分布情况，将x射线谱仪调整到测定另一元素特征x射线位置时就可得到那一成分的面分布图像。电子探针面扫描分析有助于探讨宝石中化学元素在空间上的配比与分布规律。

3．线扫描分析
在光学显微镜的监视下，把样品要检测的方向调至x或r方向，使聚焦电子束在宝石的生长环带或色带的扫描区域内沿一条直线进行慢扫描，同时用计数率计检测某一特征x射线的瞬时强度。若显像管射线束的横向扫描与试样上的线扫描同步，用计数率计的输出控制显像管射线束的纵向位置，这样就可以得到特征X射线强度沿试样扫描线的分布特征。EPMA线扫描分析有助于探讨宝石中化学元素在空间上的变化规律。下图为铍扩散处理橙红色蓝宝石的Fe、Ti、Cr的EPMA能谱线扫描分析结果。

4．表面微形貌分析
二次电子是电子束轰击到试样时逐出样品浅表层原子的核外电子，由于一定能量的电子束所逐出的二次电子的激发效率和样品元素的电离能以及电子束与样品的夹角有关，因此根据二次电子的强度可作形貌分析。图2-2-11为翡翠中环带交代结构的EPMA二次电子像。