전자 마이크로프로브

Electron microprobe
케임브리지 과학 계기 회사 "Microscan" 전자 탐사선 마이크로애널리저(Peter Duncumb)가 설계한 것이다.[1] 이 모델은 케임브리지 공과대학 박물관에 소장되어 있다.

전자 탐사선 마이크로프로브(EPMA) 또는 전자 마이크로 프로브 분석기(EMPA)라고도 알려진 전자 마이크로프로브(EMP)는 소량의 고체 물질의 화학적 구성을 비파괴적으로 결정하는 데 사용되는 분석 도구다. 그것은 전자 현미경 스캐닝과 유사하게 작용한다: 샘플은 전자 빔으로 공격되어 분석되는 원소들의 특징적인 파장에서 X선을 방출한다. 이를 통해 15-20kV의 기존 가속전압이 사용될 [2]때 작은 샘플 용적([3]일반적으로 10~30입방 마이크로미터 이하) 내에 존재하는 원소들의 다양성을 결정할 수 있다. 리튬에서 플루토늄에 이르는 원소의 농도는 물질에 의존하는 백만 ppm(ppm)당 100 ppm까지 낮은 수준에서 측정될 수 있다. 주의를 기울이면 10 ppm 이하가 가능하지만[4], EPMA에 의한 리튬의 정량화 능력은 2008년에 현실이 되었다.[5]

역사

전자 탐사선 마이크로애널리저라고도 알려진 전자 마이크로프로브는 두 가지 기술을 이용하여 개발되었다: 전자 현미경 - 표적 물질과 상호작용하기 위한 초점형 고에너지 전자 빔의 사용 - 그리고 X선 분광 - 전자 빔과 에너지/와이블과의 상호작용에서 비롯된 광자의 식별 -이다.입사 전자에 의해 흥분되는 원자의 특성인 광자의 엥겔. 에른스트 러스카와 막스 크놀의 이름은 1931년 최초의 전자현미경과 연관되어 있다. 헨리 모슬리의 이름은 X선의 파장과 그것이 발원한 원자의 정체성 사이의 직접적인 관계를 발견하는 것과 관련이 있다.[6]

전자빔 미세분석 기법에는 여러 역사적 실이 있었다. 하나는 RCA의 제임스 힐리어와 리처드 베이커에 의해 개발되었다. 1940년대 초에 그들은 전자 현미경과 에너지 손실 분광계를 결합한 전자 마이크로프로브를 만들었다.[7] 1944년에 특허 출원이 있었다. 전자 에너지 손실 스펙트럼 분석은 광원소 분석에 매우 좋으며 C-Kα, N-Kα 및 O-Kα 방사선의 스펙트럼을 얻었다. 1947년 힐러는 전자빔을 이용해 분석 X선을 만들겠다는 아이디어를 특허로 냈지만 결코 작업 모델을 만들지 않았다. 그의 디자인은 특정 X선 파장과 사진 판을 검출기로 선택하기 위해 평면 결정에서 브래그 회절을 사용하는 것을 제안했다. 그러나, RCA는 이 발명의 상용화를 추구하는 데 관심이 없었다.

두 번째 실은 1940년대 후반 프랑스에서 개발되었다. 1948–1950년에 안드레 기니에의 감독을 받은 레이몬드 카스타잉은 오네라에 최초의 전자 "microsonde électronique"(전자 마이크로프로브)를 건설했다. 이 마이크로프로브는 약 10나노페어(nA)의 빔 전류로 1~3μm의 전자빔 직경을 생성했으며 가이거 계수기를 사용해 샘플에서 생성된 X선을 검출했다. 그러나 가이거 계수기는 특정 원소로부터 생성된 X선을 구별할 수 없었고 1950년 카스타잉은 파장을 구별할 수 있도록 샘플과 검출기 사이에 석영 결정을 추가했다. 광학 현미경도 추가해 빔 충격 지점을 살펴봤다. 그 결과로 나온 마이크로프로브는 폴 듀즈와 데이비드 위트리가 영어로 번역한 [8]카스타잉의 1951년 박사 논문에서 설명되었는데,[9] 이 논문에서는 전자 마이크로프로브에 의한 정량적 분석의 이론과 적용의 기초를 마련하여 흡수 및 형광 효과의 매트릭스 보정을 위한 이론적 프레임워크를 확립하였다. 카스타잉(1921~1999)은 전자 마이크로프로브 분석의 '아버지'로 꼽힌다.

1950년대는 1949년[10] 델프트에서 열린 제1차 유럽 현미경 콘퍼런스에서 카스타잉이 발표한 뒤 1951년 워싱턴 DC에서 열린 국가표준국 전자물리학[11] 콘퍼런스와 1950년대 초중반의 다른 콘퍼런스에 이어 전자빔 X선 마이크로 분석에 큰 관심을 보인 10년이었다. 주로 물질과학자를 중심으로 한 많은 연구자들이 실험 전자 마이크로프로브(microbe)를 자체 개발하기 시작했는데, 때로는 처음부터 시작하기도 하지만, 잉여 전자현미경을 활용하는 경우가 많았다.

델프트 1949 전자 현미경 회의의 주최자 중 한 명이 전자 현미경 연구의 중심지인 케임브리지 대학의 캐번디쉬 연구소의 버논 엘리스 코슬렛이었고,[12] 빌 닉슨과의 X-ray 현미경 검사뿐만 아니라 찰스 오틀리와의 전자 현미경 검사도 있었다. 피터 던컴은 3가지 기술을 모두 결합해 캠브리지 마이크로스캔 악기로 상용화된 자신의 박사 논문 프로젝트(1957년 발간)로 스캐닝 전자 X선 마이크로애널리저를 개발했다.

나치를 탈출하여 캘리포니아 공과대학에 정착하여 제시 듀몽드와 협력한 벨기에 물질과학자 폴 두웨즈는 1952년 유럽의 기차에서 안드레 기니어를 만났는데, 거기서 카스타잉의 새 악기와 칼텍이 비슷한 악기를 만들자는 제안을 알게 되었다. 데이비드 위트리는 1957년에 완성한 박사학위 논문과 같은 기구를 만들기 위해 고용되었다. ARL[13] EMX 전자 마이크로프로브의 시제품이 되었다.

1950년대 후반에서 1960년대 초반까지 북미, 영국, 유럽, 일본, 그리고 구소련에서 전자빔 X선 마이크로 분석기를 개발하는 다른 연구소들이 12개 이상 있었다.

최초의 상용 전자 마이크로프로브인 'MS85'는 1956년 카메카(프랑스)가 제작했다.[citation needed] 그것은 1960년대 초반에 다른 회사의 많은 마이크로프로브에 의해 곧 뒤따랐지만, COMECA, JEOL, 그리고 시마즈 사를 제외한 모든 회사들은 현재 폐업 중이다. 게다가, 많은 연구자들은 그들의 실험실에서 전자 마이크로프로브를 만든다. 마이크로프로브에 대한 상당한 후속 개선과 수정에는 X선 지도를 만들기 위해 전자 빔을 스캔하는 것(1960), 솔리드 스테이트 EDS 검출기의 추가(1968), 빛 원소 분석을 위한 합성 다층 확산 결정의 개발(1984)이 포함되었다. 후에, 카메카는 또한 핵 응용을 위한 전자 마이크로프로브의 차폐 버전을 제조하는 선구자가 되었다. 지난 수십 년 동안 COMECA 계기의 몇 가지 새로운 발전은 그들이 야금, 전자, 지질학, 광물학, 원자력 발전소, 미량원소, 치과 등에 응용 범위를 넓힐 수 있게 했다.

일하는 중

한 줄기 전자가 샘플에 발사된다. 빔은 샘플의 각 원소가 X선을 특정 주파수에서 방출하도록 한다. X선은 전자 마이크로프로브에 의해 검출될 수 있다.[14] 전자 빔의 크기와 전류 밀도는 분해능과 스캔 시간 및/또는 분석 시간 사이의 절충을 결정한다.[15]

상세설명

저에너지 전자는 텅스텐 필라멘트, 란타넘 헥사보리드 결정 음극 또는 자기장 방출 전자원에서 생성되며, 양극판에 의해 3만~3만 전자볼트(keV)로 가속된다. 양극판에는 중앙의 조리개가 있고 그것을 통과하는 전자는 시준되고 일련의 자기 렌즈와 조리개들에 의해 집중된다. 결과 전자 빔(직경 약 5nm ~ 10μm)은 샘플 전체에 걸쳐 래스팅되거나 샘플의 다양한 효과를 발생시키기 위해 스폿 모드로 사용될 수 있다. 이러한 효과로는 음소변성(열), 음극광 발광(가시광선 형광), 연속 X선 방사선(브룸스스트라흐룽), 특성 X선 방사선, 이차 전자(플라스몬 생산), 역스크래트 전자 생산, 오거 전자 생산 등이 있다.

빔 전자(그리고 샘플에서 산란된 전자)가 샘플 내의 다양한 원소의 원자의 가장 안쪽 전자 껍질에서 결합 전자와 상호작용할 때, 그들은 전자 껍질에서 결합 전자를 산란시켜 그 껍질(원자의 이온화)의 빈자리를 만들어 낼 수 있다. 이 공실은 불안정하며 원자의 높은 에너지 결합 껍질에서 나오는 전자 또는 낮은 에너지의 결합되지 않은 전자에 의해 채워져야 한다. 빈자리가 생성된 전자껍질과 빈자리를 채우기 위해 전자가 오는 껍질의 결합 에너지 차이는 광자로 방출된다. 광자의 에너지는 전자기 스펙트럼의 X선 영역에 있다. 각 원소의 전자 구조가 독특하기 때문에, 비록 다른 원소의 선들이 겹칠 수 있지만, 가장 안쪽의 쉘에서 빈 공간에 의해 생성되는 직렬 X선 선 에너지는 그 원소의 특성이다. 으로서 가장 깊숙한 껍질에 참여하고 있지만, 엑스 레이 라인 에너지 일반적으로 화학 효과 결합에 의해 합성물이 낮은 원자 번호 어디에 선 에너지 현에서 전자 껍질의 개입의 결과로 이동할 수 있(Z)요소(B, C, N, O와 FKalpha과 알에 당분이나 지방 말고도에 Kbeta에)에서 제외한 요소 사이에 생산되는 치량에 영향을 받지 않는다.vacanchcies는 화학적 결합으로 채워진다.

특성 X선은 화학 분석에 사용된다. 특정 X선 파장 또는 에너지는 파장 분산 X선 분광법(WDS) 또는 에너지 분산 X선 분광법(EDS)에 의해 선택 및 계수된다. WDS는 결정체에서 Bragg 회절(Bragg diffraction)을 활용하여 관심 있는 X선 파장을 선택하여 기체 흐름이나 밀봉된 비례 검출기로 유도한다. 반면 EDS는 고체 반도체 검출기를 사용해 샘플에서 생성된 모든 파장의 X선을 축적한다. EDS는 더 많은 정보를 제공하고 일반적으로 훨씬 더 짧은 계산 시간을 필요로 하지만, WDS는 우수한 X선 피크 분해능과 더 큰 피크 대 백그라운드 비율 때문에 일반적으로 검출 한도가 더 낮은 더 정밀한 기법이다.

화학적 조성은 샘플 재료의 특성 X선의 강도와 알려진 성분(기준)의 강도를 비교하여 결정된다. 표본의 카운트는 매트릭스 효과(X선 생산 깊이,[16][17] 흡수 및 2차 형광[18][19])를 보정하여 정량 화학적 구성을 산출해야 한다. 그 결과로 생긴 화학적 정보는 텍스트 문맥으로 수집된다. 광물 곡물이나 금속과 같은 물질(구역화) 내의 화학적 구성의 변화는 쉽게 파악할 수 있다.

화학 정보가 수집되는 부피(X선 생성 부피)는 0.3~3입방 마이크로미터다.

제한 사항

  • WDS는 높은 원자 숫자에 유용하므로 WDS는 숫자 3(리튬) 이하의 원소를 결정할 수 없다. 이러한 제한은 H, Li, Be와 같은 지질학적으로 중요한 요소들을 분석할 때 WDS에 대한 제한을 설정한다.[20]
  • 원소 피크의 스펙트럼 분해능이 개선되었음에도 불구하고 일부 피크는 분석적 난제를 야기하는 유의한 중첩을 나타낸다(예: VKα 및 TiKβ). WDS 분석은 원소의 유효 상태(예: Fe2+ vs)를 구별할 수 없다. Fe3+) 이러한 정보는 다른 기법(예: Mössbauer 분광법 또는 전자 에너지 손실 분광법)에 의해 얻어야 한다.[21]
  • 한 원소의 다중 질량(즉 동위원소)은 WDS로 결정할 수 없으며, 오히려 질량 분광계로 가장 일반적으로 구한다.[22]

사용하다

재료 이공학과

전자 마이크로프로브에서 볼 수 있는 1886VE10 마이크로컨트롤러의 한 섹션. 작은 밝은 실린더는 금속화 세팅 공정에서 남은 텅스텐비아다. X선 분광기법은 비아스의 물질 구성을 결정하는 데 사용될 수 있다.
비교를 위해, 광학 현미경으로 본 1886 VE10 마이크로컨트롤러의 유사한 섹션.

이 기술은 일반적으로 금속, 합금, 도자기, 안경 등의 화학 성분을 분석하는 데 사용된다.[23] 특히 몇 마이크로미터에서 밀리미터까지의 규모로 개별 입자나 곡물의 구성과 화학적 변화를 평가하는 데 유용하다. 전자 마이크로프로브는 연구, 품질 관리, 고장 분석에 널리 사용된다.

광물학 및 암염학

이 기술은 광물학자와 애완동물학자에 의해 가장 일반적으로 사용된다. 대부분의 바위는 작은 광물 알갱이의 집합체다. 이러한 곡물은 형성 및 후속 변경 중에 채택된 화학적 정보를 보존할 수 있다. 이 정보는 결정화, 석회화, 화산성, 변성성, 오로젠성 사건(산 빌딩), 판구조론 등의 지질학적 과정을 조명할 수 있다. 이 기술은 또한 외계 암석(즉, 운석) 연구에 사용되며, 행성, 소행성, 혜성의 진화를 이해하는 데 필수적인 화학 데이터를 제공한다.

광물의 중심(핵심이라고도 함)에서 가장자리(혹은 림)로 원소 구성의 변화는 주변 매체의 온도, 압력, 화학 등을 포함한 결정 형성의 역사에 대한 정보를 산출할 수 있다. 예를 들어, 쿼츠 결정들은 적은 양의 티타늄을 그들의 환경에 사용할 수 있는 온도, 압력 및 티타늄의 양의 함수로써 그들의 구조에 통합한다. 이러한 파라미터의 변화는 결정체가 성장함에 따라 티타늄에 의해 기록된다.

고생물학

버지스 셰일 내 요소 풍부함에 대한 자세한 내용은 버지스 셰일 유형 보존 § 요소 매핑을 참조하십시오.

버지스 셰일처럼 예외적으로 보존된 화석에서는 유기체의 부드러운 부분이 보존될 수 있다. 이러한 화석들은 종종 2D 필름으로 압축되기 때문에 어떤 특징이 있었는지 추론하기는 어려울 수 있다: 유명한 예는 오파비니아에서 삼각형 연장의 경우인데, 이것은 다리나 내장의 연장으로 해석되었다. 원소 지도는 그들이 두 번째 해석을 선호하면서 내장과 비슷한 구성을 가지고 있다는 것을 보여주었다.[24] 탄소막의 성질이 얇기 때문에 이러한 시료에는 저전압(5-15kV)만 사용할 수 있다.[25]

운석 분석

운석의 화학적 구성은 EPMA 기법을 사용하여 상당히 정확하게 분석할 수 있다. 이것은 수년 전 우리 태양계에 존재했던 조건들에 대한 많은 정보를 드러낼 수 있다.[citation needed]

온라인 자습서

  • 노던 애리조나 주립대학의[26] 짐 위트케의 수업 노트
  • 위스콘신 매디슨[27] 대학의 존 포넬의 수업 노트
  • 오레곤 대학교의 존 도노반의 수업 노트

참고 항목

참조

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  3. ^ Merlet, C.; Llovet, X. (2012). "Uncertainty and capability of quantitative EPMA at low voltage–A review". IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 32 (2): 012016. doi:10.1088/1757-899X/32/1/012016.
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외부 링크