能谱元素分析中和峰与逃逸峰的识别与计算

本文介绍元素能谱特征峰的产生原理及应用，元素能谱特征峰不受元素化合价态的影响，讲述了元素能谱特征峰的检测中可能出现的和峰及逃逸峰的产生原理及计算、识别方法，列出各元素特征X射线激发能量表，可供能谱元素分析检测人员参考。

扫描电镜或透射电镜都可以产生电子束，电子束的能量与电镜的工作电压有关。如果电子枪的工作电压是30KV,那么入射电子束的能量就是30KeV。扫描电镜或透射电镜都配有能谱仪。

如果把光源入射电子束换成高能X射线，同样能产生图1所示的物理现象，这就是X射线荧光元素分析的原理,荧光效应是入射光源与产生的光性质相同。只是波长和能量不同。X射线荧光波谱法的元素分析仪通常选用金属铑靶，工作电压通常40KV，铑的Ka₁辐射X射线特征谱线能量是20.216KeV，波长是0.061331nm。国产的X射线荧光元素能谱分析仪通常是选用金属银靶，工作电压也是40KV，银的Ka₁辐射X射线特征谱线能量是22.163KeV,波长是0.055943nm。X射线衍射通常选用铜靶Ka₁辐射，特征谱线能量是8.048KeV，波长是0.154059nm，晶体衍射实验获得晶面距信息，最终计算出晶体结构信息。X光电子XPS分析仪应用的光源是金属铝的Ka₁辐射，工作电压是10KV，特征谱线能量是1.487KeV，波长是0.8338096nm，通过检测外层逃逸电子的动能，计算最外层核电子与原子核的结合能（1.487KeV-电子的动能），获得元素的表面价态信息。因此，检测元素的特征能谱峰及强度就能对元素进行定性和定量计算，利用元素的特征谱线能广泛开展X荧光元素分析、X光电子分析，另外还广泛应用医学CT及工业无损检测。

图1 连续射线与特征射线产生的示意图

连续X-射线：束电子与原子的原子核库仑电场相互作用，受到库仑电场制动，逐渐减速，同时辐射出 X-射线。

特征X-射线：束电子与原子相互作用，把原子的内层电子激发出来，在原子的内壳层上留下一个空位，这时原子处于受激状态；紧接着发生电子跃迁，外层电子跃迁到内层填补空位，从而使原子恢复到基态；电子跃迁的同时释放出具有特征能量的X-射线。

图2 特征X-射线的能级示意图

表1 47号元素Ag至69号元素Tm的原子核外电子轨道能级排列

元素的特征X-射线来自原子核外内层电子能级差的信息，不包括最外层价电子能级的信息，即元素的特征X-射线不受元素的化合价态的影响。

原子序数越大，产生的线系越多，X-射线谱线越复杂。轻元素往往只有 K 系谱线。

重元素电子层多，结构复杂，因而特征 X-谱线也复杂。K，L、M 系谱线会同时出现。

特征 X-射线谱线的权重表示某系特征 X-射线产生的相对几率，参考表2。

表2 特征 X-射线谱线的权重

特征 X-射线临界激发能

从原子中某电子层激发一个电子所需的最小能量，临界激发能的关系是 K﹥L﹥M，因此，如果有 K 系特征谱峰就必然有 L 系、M 系等特征 X-射线谱峰，常用的加速电压为 20 kV～30 kV，对有些重元素有可能激发不出 K 系特征 X-射线谱峰。

以含有O、Sn和Ti元素的样品为例演示真实的M系、L系和K系的能谱峰如图3所示。按原子序数顺序的K 线峰的位置如图4所示。

图3 真实的K, L和 M谱峰

图4按原子序数顺序的K 线峰的位置

在能谱元素的检测实践中，发现有时会出现一些弱小的峰与元素特征峰的没有对应关系。经观察与总结，这些弱小的峰分为2类，第1类是和峰，第2类是逃逸峰。

E=nE_c      或E=E_c1+E_c2+E_c3+…

其中，E表示和峰的能量，E_c表示某元素特征峰的能量，n≥2的自然数，E_c1、E_c2、E_c3分别某些元素特征峰的能量。

例1：Ti的Ka₁的能量是4.511KeV，其和峰的能量是Ka₁峰的2倍，即9.022KeV。

例2：Al的Ka₁的能量是1.487KeV，O的Ka₁的能量是0.525KeV，这2个能量之和等于2.012KeV，约等于P的Ka₂的能量2.013KeV，其实这个很弱的2.012KeV的峰很可能是Al₂O₃的铝和氧产生的和峰，而不是P的特征峰。

E=E_c-1.74KeV

其中，E表示逃逸峰的能量，1.74KeV是硅的Ka₁的能量。某元素的特征峰入射到能谱探测器硅锂晶体上，理论上只要特征峰的能量大于硅的Ka₁的能量1.74KeV，探测器就能产生硅的Ka₁峰，该峰的方向与入射的特征峰相反，因此有极小的入射峰与反向的硅的Ka₁峰相互作用，合成了能量为两峰能量之差的新峰，该峰能被探测器检测，被命名为逃逸峰。

例1，Ti的Ka₁的能量是4.511KeV，其逃逸峰的能量E=4.511KeV-1.74KeV=2.771KeV。

Ti的K系峰产生的和峰与逃逸峰被检测到的实例如图5所示。

图5 与Ti的K系峰相关的和峰与逃逸峰

图6 自动标注FeK系的和峰和逃逸峰

由于和峰与逃逸峰的能量可以用公式计算，因此可以编程，用软件自动计算与识别，EDAX公司的能谱仪软件就有这个功能，如图6所示，在元素栏选Fe，在右下角选中sum（和）和Esc（逃逸），在左图中出现了1根短蓝线表示和峰线和1根短黑线表示逃逸峰线，在该实验中Fe的和峰和逃逸峰并未出现。

根据量子理论光子是如一颗一颗的粒子，光子可以合并相加，形成和峰，光子可以相减，如逃逸峰，在实践检测中，和峰与逃逸峰并不是每次都能被检测，其出现有一定的偶然性，即有一定的概率。

向EDAX公司的能谱仪开发的先驱们致敬，本文的图片和表均来自EDAX公司用户的培训资料，作者是EDAX公司用户之一，特此向EDAX公司致谢。