天游线路检测中心 低真空SEM在耐火样品中的应用

1。简介

砖等耐火材料通常具有多孔结构，因此即使将样品插入扫描电子显微镜（SEM）中，也会有大量脱气，从而难以达到所需的真空度。除了是多孔结构外，它还是绝缘体，因此需要金属涂层来使样品表面导电；如果没有它，就会由于充电（充电）现象而难以观察。解决这些问题的方法是低真空SEM，它可以使SEM样品室保持在低真空状态。低真空SEM的主要目的是利用入射电子与残余气体分子之间的相互作用来观察绝缘体样品而不带电。当然，即使对于脱气较多的样品，您也可以直接插入大样品并进行观察，而不必担心真空度。本文介绍了一种检测背散射电子并在低真空模式下进行观察的低真空SEM，以及如何将低真空SEM应用于耐火材料的示例。

图1 低真空SEM真空抽真空系统

左：高真空模式下的排气系统图
右：低真空模式下的排气系统图

2。低真空SEM原理

21 低真空SEM真空抽真空系统

图1(a)和(b)是低真空SEM中在高真空模式和低真空模式之间切换时的真空抽气系统图。电子枪室和电子镜筒保持约10-4Pa的高真空，只有样品室的真空度可以调节。高真空段和低真空段由节流孔隔开，各自单独抽真空。如果停止将气体引入样品室，样品室中的真空度会增加，您可以将其用作普通的高真空 SEM。

22 低真空 SEM 中的充电预防

加速到能量通常为 10 至 15 keV 的入射电子通过物镜底部的孔口进入低真空样品室。之后，入射电子与样品室中残留的气体分子碰撞，使气体分子电离，最终进入样品。此外，从样品表面发射的相对高能电子也会与残余气体分子碰撞并将其电离。另一方面，绝缘样品的表面积聚入射电子的电荷并试图带负电，但样品室中产生的正离子被负电荷吸引，从而阻止充电。

23 信号检测

从样品发射的电子包括低能二次电子和相对高能的电子（背散射电子），这些电子在入射电子在样品内失去能量之前再次跳入真空。通常，为了用SEM观察形态，检测二次电子以形成图像（二次电子图像），但对二次电子检测器施加约10kV的高电压以捕获二次电子。这种高电压可以在10-4Pa左右的高真空中使用，但由于放电而不能在低真空中使用。 JEOL 的低真空 SEM 在低真空模式下检测反射电子而不是二次电子。背散射电子探测器包括半导体探测器、YAG（钇/铝/石榴石）探测器和罗宾逊探测器。

通过使用图2所示的一对半导体检测器，可以将来自样品的背散射电子信号分离并显示为取决于成分的图像（成分图像）和取决于不均匀度的图像（不规则图像）。该背散射电子不均匀图像与样品表面的平缓不均匀形成强烈对比，这很难用二次电子图像观察到，但它对陡峭的不均匀不敏感。因此，在低真空SEM中，在一对半导体检测器中添加额外的半导体检测器，以便即使在陡峭的不规则处也能获得足够的对比度。该图像被称为3D图像，以区别于合成图像或不均匀图像。

图2 半导体背散射电子探测器

3。使用注意事项

31 确定充电

用低真空SEM观察一般绝缘子样品时，如果样品室的真空度设置为20至30 Pa，电荷就会消失。如果在此真空度下电荷仍然没有消失，则需要进一步降低真空度。然而，降低真空度会影响所获得图像的颗粒度和分辨率（如何在高放大倍率下观察精细结构）。最好使用低真空 SEM，因为真空越低，图像的颗粒感就越强，分辨率就越低。

32 低真空模式下的元素分析

SEM 通常通过附加能量色散 X 射线光谱仪 (EDS) 或波长色散 X 射线光谱仪 (WDS) 来对观察区域进行元素分析。这种元素分析也可以使用低真空 SEM 进行。然而，在低真空模式下，入射电子在进入样品之前会与残留气体分子反复碰撞，因此它们的轨道很有可能发生改变。必须认识到，在高真空模式下，入射电子入射在样品上的单个点上，但在低真空模式下，入射电子分散并入射在样品上。因此，当需要对样品表面进行局部元素分析时，需要采取碳涂层的充电对策并在高真空模式下进行分析。

4。应用实例

作为低真空SEM的应用示例，我们将展示大块几厘米见方的电熔铸砖（氧化锆33％，AZS电熔耐火材料，未使用）的形貌观察和元素分析。当然，样品的导电性较差。因此，如果样品表面没有金属涂层，则由于严重的充电而无法获得清晰的二次电子图像。以下是在没有金属涂层的情况下进行观察和分析的示例。

(a) 在低真空模式下 背散射电子组成公式

(b) 低真空模式 背散射电子不均匀图像

(c) 在低真空模式下 背散射电子 3D 图像

观察条件：加速电压15kv，摄影倍率×500，LV模式20Pa

图3(a)、(b)和(c)分别是使用低真空SEM(JSM-5610LV)从同一视场获得的背散射电子成分图像、背散射电子不均匀图像和背散射电子3D图像(以下分别称为成分图像、不均匀图像和3D图像)。观察条件为加速电压15kV、成像倍率500x、SEM样品室真空度20Pa。 (a)的组成图像显示，存在亮部的平均原子序数比暗部的平均原子序数高的物质。 (b)中的不均匀图像排除了构图对比度，仅示出了依赖于不均匀性的对比度。在(c)中的3D图像中，叠加了构图信息和不均匀信息。

图4 低真空模式下电熔砖的EDS 分析（定性/定量）示例

图 4 是在低真空模式下使用 EDS (JED-2201) 对图 3 所示区域进行元素分析的示例。 (a)表示利用光谱进行定性分析的结果，(b)表示利用数值进行定量分析的结果。虽然是Zr含量为33％的电熔铸砖，但定量结果显示，以Zr氧化物计的定量值为2356％，但这被认为是因为定量结果是基于用电子束照射的样品的局部部分。

(a) Al 元素图

(b) Si 元素图

(c) Zr 元素图

图。 5 电熔砖低真空模式下的 EDS 元素图示例（与图 3 相同的视场）

图5(a)、(b)和(c)是示出同一视场中铝(Al)、硅(Si)和锆(Zr)分布的X射线图像。从这些X射线图像可知，存在Al和Si、或者Al和Zr的混合相。本应用实例中使用的电熔铸砖样品由旭硝子株式会社提供。

5。总结

在本文中，我们介绍了一种可检测背散射电子的低真空 SEM，并解释了其对于具有大量脱气的绝缘样品（例如耐火材料）的有效性。除了检测背散射电子外，实际的低真空 SEM 还可以检测与高真空 SEM 的二次电子图像相当的信号。需要了解这些信号的特性并根据目的使用它们。在本文所示的应用中，背散射电子成分图像与 EDS 获得的元素图非常匹配，我希望您已经了解了检测背散射电子的低真空 SEM 的有效性。另一方面，虽然我们在本文中没有描述样品制备方法（预处理），但重要的是要记住，通过根据目的进行预处理，在高真空模式下进行观察和分析，并将该信息与低真空模式下获得的信息进行比较，可以获得更多样品信息。