Elektronenstrahlmikroanalyse

Eine am Rasterelektronenmikroskop (REM) durchgeführte Mikroanalyse (EDX/WDX) an einer vorbereiteten (geschliffenen und polierten) Probe.

Zur Ermittlung der chemischen Zusammensetzung der zu untersuchenden Probe muss das von der Probe abgegebene Röntgenspektrum zerlegt werden. Dazu gibt es zwei unterschiedliche Methoden. Bei der energiedispersiven Röntgenspektrometrie (EDX-Analyse) wird ein als Diode in Sperrrichtung gepolter und auf Hochspannung liegender Detektorkristall verwendet.

Dieser besteht aus mit Lithium dotiertem Silizium oder aus HPGe (High Purity Germanium). Typische Detektorflächen sind 10, 30, 60 mm2. Um das störende Eigenrauschen (vermehrte Bildung von Elektron-Loch-Paaren im Halbleiterkristall bei steigender Temperatur) bei Raumtemperatur und die Diffusion des Lithiums (Li) im Kristall zu verhindern, werden der Kristall und der Vorverstärker auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs gekühlt. Dieser ist in einem evakuierten Dewar untergebracht und kühlt den Kristall und den Vorverstärker über einen Kühlfinger aus Kupfer. Um eine Kontamination und Vereisung des Kristalls zu verhindern, ist dieser durch ein dünnes Detektorfenster zur Probe hin abgeschirmt. Dieses bestand in der Vergangenheit aus Beryllium (Be), wodurch Röntgenquanten mit einer Energie Natrium möglich. Heute werden dünne Polymerfenster verwendet. Deshalb ist die Detektion der Leichtelemente ab dem Element Bor (B) möglich.

Ein Röntgenquant, das auf den Kristall trifft, erzeugt in ihm eine zu seiner Energie proportionale Anzahl von Elektron-Loch-Paaren. Für die Erzeugung eines solchen Elektron Loch Paares benötigt man in einem Si(Li)-Detektor 3,8eV, bei einem HPGe-Detektor 2,9eV. Diese können als Spannungspuls am Kristall abgegriffen und verstärkt werden. In einem Pulshöhenanalysator (Vielkanalanalysator: eine Reihe von Impulszählern, von denen jeder einer bestimmten Energie zugeordnet ist – im Regelfall 10eV pro Kanal - ein registrierter Impuls erhöht den Zählerstand um eine Einheit) können sie als Count ihrer Energie entsprechend zugeordnet werden.

Ein EDX-Detektor hat eine relativ große Totzeit - d.h. nach der Registrierung eines Photons braucht der Detektor eine gewisse Zeit, bis er für die Detektion des nächsten Photons bereit ist.

Aus den Energien der einzelnen Röntgenlinien kann auf die Elemente in der Probe geschlossen werden (Bilder 1 und 2). Aus der relativen Intensität der Röntgenlinien zueinander kann über quantitative Verfahren auf die Konzentration zurückgerechnet werden. EDX-Systeme haben eine große Verbreitung gefunden, weil sie das gesamte Röntgenspektrum gleichzeitig erfassen und schon nach einer sehr kurzen Messzeit Aussagen über die chemische Zusammensetzung der Probe möglich sind. Die Nachweisempfindlichkeit liegt im Optimalfall bei ca. 0,1 Gewichts-%. Die Energieauflösung (angegeben für MnKα) liegt bei ca. 130 eV. Das analytische Auflösungsvermögen liegt in Abhängigkeit der Anregungsenergie und der Dichte des zu untersuchenden Probenmaterials im Mikrometerbereich (Mikrobereichsanalyse).

Beim wellenlängendispersiven Röntgenspektrometer (WDX) werden die einfallenden Röntgenquanten an einem für die zu messende Energie/Wellenlänge optimalen Kristall entsprechen dem Bragg´schen Gesetz (n·l = 2·d·sin α) gebeugt (Bild 3). Die Röntgenquanten werden mit einem Proportionalzählrohr registriert, das mit der Probe und den gekrümmten Analysatorkristall auf dem so genannten Rowland-Kreis liegt (Bild 4).

Die Nachweisempfindlichkeit liegt im Optimalfall bei ca. 0,01 Gewichts-%. Die Energieauflösung bei ca. 10 eV. Dadurch können im EDX-Spektrum überlagerte Röntgenlinien getrennt voneinander dargestellt und mit größerer Genauigkeit quantifiziert werden (Bild 5). Da jede Wellenlänge quasi seriell gemessen werden muss, sind die Messzeiten mit WDX wesentlich länger. Auch die benötigten Strahlströme für die Messung sind wesentlich höher (Faktor 100) als bei EDX-Analysen. Die Proben dürfen daher nicht strahlenempfindlich sein - kein Problem bei Metallen und Keramiken.

Weiterführende Stichworte:
Elementeverteilung

(Dieser Beitrag stammt von Hartmuth Schröttner, FELMI-ZFE-Graz, Österreich)

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