Micropentru Castaing

Microprobă (engl sonda microanalyser electron , EPMA) este o metodă de analiză elementară inventat în 1951 de către Raimond Castaing . Acesta constă în bombardarea unei probe cu electroni și analizarea spectrului de raze X emise de probă sub această solicitare.

General

În timpul bombardării unei probe, anumiți electroni cedează o parte din energia lor cinetică către atom, provocând ejectarea unui electron din atom ; se spune că atomul este „excitat”. Dacă electronul este ejectat în apropierea inimii, un electron dintr-un dispozitiv de strat va coborî către un strat de energie mai mic (atomul dexcită) și, în acest fel, va emite un foton. Datorită energiei de tranziție, acest foton va aparține domeniului de raze X.

Există doar microbuze (care sunt utilizate doar pentru analiza elementară), dar de multe ori microbele sunt cuplate la un microscop electronic cu scanare . Analiza spectrului X se poate face:

prin dispersie în lungime de undă (sau WDS pentru spectroscopie dispersivă în lungime de undă ), adică fotonii cu raze X sunt separați prin difracție pe un cristal ;
sau prin dispersie de energie (sau EDS pentru spectroscopie dispersivă de energie ), detectorul este apoi un semiconductor care produce vârfuri de tensiune proporționale cu energia fotonului.

Energia h .ν a fotonului X, generată de dez-excitația atomului în urma plecării unui electron secundar, este caracteristică tranzițiilor electronice ale atomului și, prin urmare, a naturii sale chimice. Vorbim despre o „linie de emisie caracteristică”. Pentru a distinge diferitele linii emise de un atom, se folosește notația lui Siegbahn ; în această notație, linia Kα 1 desemnează o tranziție de la nivelul L3 la nivelul K.

Elementele luminoase ( număr atomic Z scăzut) emit fotoni cu energie redusă X, care sunt ușor absorbiți de alți atomi și în special de fereastra de beriliu care protejează detectorul. În plus, elementele luminoase tind să dez-exciteze emițând mai degrabă un electron Auger decât un foton X. Aceste două fapte înseamnă că intensitățile liniilor emise de elementele luminoase sunt de intensitate redusă, detectarea și cuantificarea lor sunt de fapt foarte dificil.

Instrumentaţie

O sondă de electroni se formează prin reducerea dimensiunii fasciculului dintr-o sursă de electroni cu două sau trei lentile magnetice. Electronii lovesc proba pentru a fi analizați cu o energie de impact care poate varia de la câteva sute de eV până la 50 keV . Fotonii X emiși de eșantion sub impactul electronilor sunt analizați prin spectrometre cu raze X care pot fi de tip WDS (dispersie în lungime de undă) sau EDS (dispersie de energie) . Proba poate fi observată folosind un obiectiv de tip Cassegrain încorporat în ultima lentilă.

Efecte de calibrare și matrice

O analiză semicantitativă poate fi efectuată prin calibrarea detectorului. Se utilizează un eșantion de control în care concentrația elementului de analizat este C tem ; obținem o intensitate I tem . În eșantionul de interes, concentrația este C ech și intensitatea recuperată este I ech . Asa de :

{\ frac {C _ {{ech}}} {C _ {{tem}}}} = k {\ frac {I _ {{ech}}} {I _ {{tem}}}}

unde k este un coeficient în funcție de mediul elementului din eșantion, numit „corecție ZAF”. Coeficientul k ia în considerare:

interacțiunea electronilor cu matricea (efectul numărului atomic Z );
absorbția fotonilor de către matrice (corecția A, efectul coeficientului de absorbție liniar μ);
a fluorescenței (corecția F: fotonii emiși sunt absorbiți de alți atomi, aceștia sunt solicitați de fotonii și electronii de raze X, ceea ce determină supraexcitație).

Aceste efecte sunt denumite și „ efecte matrice ”; k depinde de linie, compoziția probei și densitatea acesteia. În cazul cromului din oțel , avem k = 0,85.

Sistemul folosește, în general, linia de tranziție la nivelul electronic K, deoarece acestea sunt liniile care separă cel mai bine. Modul de excitație al atomilor face posibilă întocmirea unei hărți chimice a probei (fascicul de electroni orientabil al unui microscop electronic de scanare sau deplasarea probei sub un fascicul fix).

Prima limitare a acestei metode este imposibilitatea de a detecta sau cuantifica elementele ușoare. Apoi, dacă suprafața eșantioanelor nu este perfect plană, aceasta introduce contraste topografice, reliefurile împiedicând razele X să ajungă la detector; aceste reliefuri pot fi chiar locul fluorescenței induse de razele X. În cele din urmă, fasciculul de electroni excită câțiva μm 3 de material; prin urmare, câțiva μm sunt analizați pe o adâncime, cu o rezoluție laterală de aproximativ 3 μm . Hărțile chimice au deci o rezoluție spațială mult mai mică decât imaginile electronice secundare.

Analiza cantitativa

Metoda de corecție ZAF nu este suficient de precisă pentru ca analiza corespunzătoare să fie calificată drept „cantitativă”. Este posibil să utilizați o altă metodă de corecție folosind „standarde” calibrate.

Potrivit lui Castaing, relația dintre intensitatea unui vârf și concentrația de masă a elementului asociat este liniară: $Eu$

{\ displaystyle I = A \ cdot Wt \% + B.}

Coeficienții A și B pot fi găsiți cu precizie prin măsurarea intensității liniilor asociate cu un eșantion de concentrație cunoscută (coeficientul B se obține prin asocierea intensității zgomotului de fond de pe ambele părți ale vârfului cu concentrația „0% ").

Numai din acești coeficienți, putem găsi concentrația corespunzătoare oricărei intensități de vârf.

Această măsurare este cu atât mai precisă când standardul este dobândit în aceleași condiții ca eșantionul de măsurat (tensiune de accelerație, curent de sondă etc. ).

Această metodă este prezentată ca fiind cu adevărat „cantitativă” de microprobele mărcii Jeol.

Aplicații

Micropornul Castaing este unul dintre dispozitivele fundamentale pentru cercetarea tribologică; vezi despre acest subiect wikibook-ul tribologiei și mai precis capitolul dedicat genezei fricțiunii .
În domeniul geologiei, utilizarea microprocesului electronic este frecventă, deoarece face posibilă obținerea compoziției chimice a mineralelor care constituie o rocă. Compoziția obținută în timpul unei analize este dată în general de greutatea oxidului pentru elementele majore, adică elementele cu un conținut mai mare de 1% din greutatea totală, care constituie majoritatea mineralelor (exemplu: SiO 2 , MgO , Al 2 O 3 , FeO ...). Datorită compoziției obținute, este apoi posibil să se determine numele mineralului analizat pe baza compozițiilor de referință date în cărți, articole științifice sau baze de date. Se spune că această tehnică este punctuală, deoarece face posibilă obținerea precisă și într-o manieră foarte localizată a compoziției unui anumit mineral observat pe o fâșie subțire de rocă.

Note și referințe

(în) SJB Reed , Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology , Cambridge University Press,25 august 2005( ISBN 978-1-139-44638-9 , citit online )
WA Deer și J. Zussman , Introducere în mineralele care formează roci ,2013( ISBN 978-0-903056-27-4 și 0-903056-27-5 , OCLC 858884283 , citiți online )

Articole similare