1.光谱仪

（1）光谱仪简介 光谱仪是将复色光分解为光谱，并进行记录的精密光学仪器。在可见光和紫外光区域，过去常用照相法记录光谱，故也称为摄谱仪。在红外光区域，一般用光敏或热敏元件逐点记录，故有红外分光计之称。现在在各个波段均采用光电接收和记录的方法，比较直接、灵敏，称为光电记录光谱仪。光谱仪所用的激发光源有电弧光源、高能预燃低压火花光源、快速火花光源等。为了得到更多的光谱线，还可以把被分析物质放在等离子体火焰中激发，并且在光谱仪中除采用光电接收方法外，还配有专用计算机来计算物质中各元素的含量，可以在数秒钟内从显示器的荧光屏上读出结果。这种仪器称为等离子体光电直读光谱仪，简称为ICP光谱仪，是当前光谱分析中最迅速、最灵敏的一种仪器。虽然各种光谱仪的形式各异，但是它们均包括三大主要部分：一是激光光谱的光源；二是光谱仪系统，使不同波长的光聚焦在仪器上的特定位置；三是用置于焦点上的探测器来测量光的强度。目前的光谱仪大都采用微型计算机处理试验结果。

在光源作用下，材料中的元素被激发，不同元素发射不同特征的光，根据光谱仪记录的系列谱线的波长和强度，对照谱线表即可得出材料中所含元素及其含量。原则上周期表中的元素均可用光谱来进行分析，但实际上有些元素很难激发，所以一般能分析的元素只有六七十种。

（2）光谱试样的处理

1）固体金属试样：由于固体金属本身导电，可以直接作为电极，因此相对电极可以用炭棒、铜棒或另一支同样材料的试样。

2）粉末状试样：矿石、矿物等一般非导体可磨成粉末，置于石墨电极的孔穴中，一般电极长度为2～3cm，直径为6cm，每次取10～20mg，在打弧过程中试样熔成一个熔球，容易从孔穴中喷溅出来，可预先加入1～2倍的纯炭粉与试样粉末混合均匀备用。

3）溶液试样：溶液试样中可以浸入石墨电极进行分析。

（3）光谱仪的使用

大型精密光谱仪适用于中央实验室，在热处理现场一般使用台式光谱仪或便携式光谱仪。如图5-1所示，检测时选好工作模式和分析程序，然后把光谱枪对准检测样品并按下激发按钮，检测结果即可显示，也可打印出检测报告。

图5-1 现场使用的光谱仪

a）台式光谱仪 b）便携式光谱仪

2.电子探针X射线显微分析仪

（1）电子探针X射线显微分析仪简介 电子探针X射线显微分析仪简称为电子探针（见图5-2），缩写为EPA或EPMA。其工作原理是利用一束细聚焦电子束轰击样品，产生二次电子、背散射电子、吸收电子、特征X射线等信号，并据此研究样品的许多特性，包括表面形貌、晶体结构，也可对微米级区域的化学元素进行定性、定量及其分布分析等。

图5-2 电子探针X射线显微分析仪

电子探针X射线显微分析仪利用信号检测对元素进行分析，其方法有两种：一种是通过晶体衍射分光的途径来实现对不同波长的X射线的鉴别和测量，所用仪器称为波长分散谱仪，简称波谱仪或WDS；另一种是利用锂漂移硅固态检测器测不同元素的X射线的特征能量及强度，所用仪器称为能量分散谱仪，简称能谱仪或EDS。

电子探针X射线显微分析仪既可以对物质微小部分进行成分分析，又能观察表面组织形貌。电子探针X射线显微分析仪还配备具有数据处理能力分析功能的电子计算机，可对不同组织的成分进行分析。

（2）试样的制备 电子探针X射线显微分析仪对试样是有一定要求的。按形状的不同，试样大致可分为块状、粉末及薄膜三类。块状试样的尺寸受仪器的试样室及试样座大小限制，一般圆形试样以ϕ7～ϕ10mm，方形试样以5mm×10mm的最大表面积为好。当要定量分析时，试样表面的高低不平将降低试验结果的可靠性，因此试样表面必须进行抛光处理。在研磨时不要使试样表面出现浮雕状平面，并且不要使研磨剂等残存在试样的表面或内部。对表面处理的试样断面边沿部分进行成分分析抛磨时，要求表面不出现圆角或倾斜，应把试样镶嵌起来。由于使用电子探针X射线显微分析仪的目的主要是了解组织与其构成元素的关系，一般需要对试样进行腐蚀，所以必须认真地研究试样与腐蚀剂之间的关系，尽可能轻轻地进行腐蚀，以使腐蚀后的试样表面不发生化学成分的变化。对试样进行电子探针分析时，试样必须接地，因此试样应具有良好的导电性。对于非导体试样，需在旋转真空室中喷碳或其他金属，使其表面能导电。喷膜的厚度应为20～40mm。

对于粉末试样，若只需了解其总的成分，则可用压缩成型或烧结等办法把粉末压在一起，用与分析块状试样相同方法进行分析。若需了解粉末成分，则可在金属片上涂敷导电涂料，然后把粉末试样粘在上面，或将试样包埋在树脂等材料中，等其硬化后将试样固定，再对试样进行研磨和喷镀。

对于薄膜试样，可用电子显微镜萃取复型的方法萃取试样，但是保存试样时要十分小心，应使试样有较好的平整度，并尽量使萃取物掉下来，以免影响分析结果。

（3）电子探针X射线显微分析仪的应用 电子探针X射线显微分析仪既可以对物质微小部分进行成分分析，又能观察表面组织形貌。随着其性能的改进和提高，尤其是配备了具有数据处理能力的电子计算机后，电子探针X射线显微分析仪可以对金属和矿物试样中不同相或组织的成分进行分析，因此广泛用于金属材料分析领域。

1）合金中相成分的分析。电子探针X射线显微分析仪不仅可以分析固溶体的成分和金属化合物的成分，而且可以分析合金中的析出相及沉淀相的成分。

2）金属材料中偏析及扩散现象的研究。金属材料经表面处理后，边沿至心部的成分将发生很大的变化，并且对性能有很大的影响。若进行线扫描分析，则可以测定渗层组织元素含量分布曲线，也可通过线扫描及逐点分析精确测定扩散系数和激活能以及渗层的厚度。

3）晶界偏析情况测定。金属材料中晶界的偏析和吸附常常引起性能的变化，如脆性断裂、蠕变性能变差等。电子探针X射线显微分析仪利用线扫描分析法可测定晶界偏析情况。例如，不锈钢时效处理后，在晶界上析出碳和铬的化合物，使晶界附近贫铬产生晶间腐蚀，因此通过电子探针X射线显微分析仪可以分析材料由于晶界偏析而产生性能变化的原因。

4）夹杂物的鉴定。用金相法鉴定夹杂物的类型主要是利用夹杂物光学性能的差异来完成的，所以只能是定性分析。使用电子探针X射线显微分析仪对夹杂物进行定点分析，能得出夹杂物元素的正确含量，根据定量分析所得到的成分就可以正确判断夹杂物的类型。所以电子探针X射线显微分析仪可以与金相法配合，准确检验金属中夹杂物的类别。

5）细颗粒粉末分析。用普通化学分析方法分析1～20μm范围内的细颗粒粉末的化学成分有一定的难度。可用电子探针X射线显微分析仪分析细颗粒粉末的成分和含量，速度快，分析准确。

6）痕量分析：痕量元素的存在往往影响材料的性能。为了研究材料性能变差或改善的原因，必须对痕量元素进行分析。用电子探针X射线显微分析仪可检测到（100～1000）×10^-6范围内的元素含量，因此可以采用逐点分析或线扫描分析方法测定材料中痕量元素的化学成分。(www.daowen.com)

3.俄歇电子能谱仪

（1）俄歇电子能谱仪简介 高能量的入射电子束（或X射线）照射固体试样时将与试样的原子发生碰撞，可以激发出原子的内层电子。外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量，可能以X光的形式放出，即产生特征X射线，也可能使核外另一电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电子。对于一个原子来说，激发态原子在释放能量时只能进行一种发射，即特征X射线或俄歇电子。原子序数大的元素，特征X射线的发射概率较大。原子序数小的元素，俄歇电子的发射概率较大。当原子序数为33时，两种发射概率大致相等。把以高能束为激发源获得的试样的俄歇电子能量分布的信息称为俄歇电子能谱（AES）。不同成分的俄歇电子具有不同的特征频率。能采集并分析俄歇电子能谱的仪器便是俄歇电子能谱仪。根据上面的分析可知，俄歇电子能谱适用于轻元素的分析。俄歇电子能谱法是一种灵敏度很高的表面分析方法。其信息深度为1.0～3.0nm，绝对灵敏可达到3～10单原子层。通过检测俄歇电子的能量与强度，可知道有关表面定性或定量的化学成分。

俄歇能谱仪由电子光学系统、电子能量分析器、样品安放系统、离子枪、超高真空系统等组成，如图5-3所示。

（2）试样的制备 在取样的过程中，千万不能使试样受到污染，应取自新鲜的试样，以保证得到真实的结果。同样，在试样的存放过程中，也要保护试样不被污染。所以在保存和运输过程中，不能用手直接接触试样，或将试样长期暴露在含有硫、氯及水蒸气等的介质环境中。对于已被污染的试样，在分析前应将试样用超声波清洗器严格清洗，以后再用酒精、丙酮等清洗，必要时还要用氩离子枪进行溅射。试样的尺寸应根据分析仪试样架的要求来确定，对于特殊的试样，必须自行设计合适的试样架。

图5-3 俄歇电子能谱仪

如果是粉末试样，则可用胶带把粉末粘在胶带上，制作时只要把粉末均匀地撒在胶带上即可。也可将粉末压制成块状试样，但成型的试样必须有一定的强度，以免测试时脱落污染试样。另外还可将粉末压嵌在干净的铟片上。

（3）俄歇电子能谱仪的应用

1）研究合金元素的偏析。利用俄歇电子能谱仪分析合金元素和微量元素在合金表面、晶界、相界上的吸附、扩散和偏析等。

2）渗层元素的确定：利用俄歇电子能谱仪可测出元素随着深度分布的曲线。对只有数微米厚的渗层或镀层，可用俄歇电子能谱仪测定其厚度及元素随着深度分布的曲线。

3）热处理表面的偏析分析。从俄歇电子能谱图上可看到在60Ni20Co10Cr6Ti4Al的镍基合金中，在真空热处理前后铝成分的表面含量有明显的变化。

4）腐蚀的研究。材料在周围环境作用下会发生化学和电化学反应，甚至会溶解，这些作用是通过表面或界面进行的。俄歇电子能谱分析方法能鉴定物体表面吸附元素的种类，分析表面组成部分的成分及结构，使用深度分析法还可以分析氧化膜随着深度变化而变化的情况及氧化物、腐蚀产物的结构等，从而有助于了解腐蚀机理和探索防腐蚀措施等方面的研究。

5）摩擦、磨损的研究。当两物体表面相互作用时，两物体的表面元素发生转移。利用俄歇电子能谱分析可以对其表面的组分、结构、状态特征、形貌特点进行分析，从而对运动过程中的变化有真实的了解。因此，俄歇电子能谱不仅能分析摩擦、磨损后的试样，找出失效的过程和原因，而且还可以做动态的研究。

6）压力加工后的表面分析。用轧成0.05mm薄片的18Cr9Ni0.5Ti钢做俄歇电子能谱分析时发现，表面的钛含量大大高于平均钛含量，在不同温度下加热时表面钛的偏析程度不同。这种现象是压力加工后由表面偏析引起的。

7）磨削氧化膜的表面分析。利用俄歇电子能谱深度分析法可分析磨削过程中，氧、铁、碳、硫元素的氧化过程，以及氧化物的深度和氧化膜的致密程度。

4.离子探针显微分析仪

（1）离子探针显微分析仪简介 以聚焦很细（1～2μm）的高能（10～20keV）一次离子束作为激发源照射样品表面，使其溅射出二次离子并引入质量分析器，按照质量与电荷之比进行质谱分析的高灵敏度微区成分分析仪器，称为离子探针显微分析仪，简称离子探针（IMA）或二次离子质谱仪（SIMS）。

该仪器主要包括四部分：能够产生加速和聚焦一次离子束的离子源；样品室和二次离子引出装置；能把二次离子按质荷比分离的质量分析器；二次离子检测和显示系统及计算机数据处理系统。

（2）试样的制作 若仅需测量试样组分的平均含量，则对试样的表面应预先做研磨处理，即在用砂纸打磨后再进行抛光、水洗、丙酮清洗、真空干燥。在这过程中应注意防止油污和表面其他物质污染。若需分析表面层成分，则表面不能做任何研磨和抛光处理。对于洁净试样表面，切忌用手摸，可直接放置在真空干燥器中保存。对于非洁净试样，应用超声波清洗，去除表面油污。对于粉末试样，可按俄歇电子能谱仪试样的要求处理。

当分析绝缘体试样时，因表面电荷的积累使离子探针显微分析仪难以测量，可用电子喷射法或用负离子束进行分析，也可在绝缘体表面放置一个导电栅网进行分析，这些方法均能获得稳定的质谱。

5.离子探针显微分析仪的应用

离子探针显微分析仪具有电子探针X射线显微分析仪不具备的优点，能检测包括氢在内的元素周期表上的全部元素。对不同的元素，其检测灵敏度是不同的。它的绝对灵敏度为10^-19～10^-15g，能检测相对含量为10^-9～10^-6原子浓度的痕量杂质。因此，离子探针显微分析仪可以进行金属的高纯分析、半导体痕量杂质测量和岩石矿物痕量成分鉴定等。

（1）表面和薄膜分析 用离子探针显微分析仪做静态分析时，离子溅射发生在样品表面少数原子层或吸附层上厚度为0.5～2nm。它是研究样品氧化、腐蚀、扩散和催化等表面物理化学过程，检测沉积薄膜、表面污染元素分布和晶体界面结构缺陷的理想工具。

（2）深度分析 用离子探针显微分析仪进行动态分析时，在一次离子束剥蚀作用下，样品成分及其含量将随着剥蚀时间而变化，因而可得到样品深度-浓度分布曲线。离子探针显微分析仪在半导体材料中对控制杂质元素注入量和注入深度及含量分布起着重要作用，还以其横向分辨率为1～2μm，深度分辨率为5～10nm的功能，可提供包括轻元素在内的三维空间分析图像。

（3）同位素分析 同位素比值测定精度为0.1%～1%，不仅应用于生物、医药、有机化学和近代核物理，而且在地球和空间科学领域，以及在测定月岩、陨石、地球样品微量元素同位素组成和地质年代学研究上，都能发挥微区痕量分析的特长。

（4）绝缘体样品分析 事先在样品表面镀一层碳膜（或金属膜），或者用低能电子喷射样品表面，也可用负离子轰击样品的方法，以避免绝缘体样品分析测试中在其表面积累电荷以及由此产生的电位变化现象。