Ultim® Max

Sensor Area

Ultim Max系列有多個(gè)型號(hào)的探測(cè)器可供選擇。同樣的條件下，更大的晶體面積可采集更多的X射線(xiàn)計(jì)數(shù)，也意味著更高的敏感性。

同樣的采集條件下，Ultim Max 170的采集效率至少是傳統(tǒng)10mm²探測(cè)器的17倍。如果單個(gè)像素點(diǎn)的X射線(xiàn)計(jì)數(shù)接近，在同樣的采集時(shí)間內(nèi)，Ultim Max 170采集的區(qū)域可以擴(kuò)大17倍。

10mm²探測(cè)器的計(jì)數(shù)率高達(dá)88,000cps。同樣的電子束條件下，Ultim Max 170的計(jì)數(shù)可以達(dá)到1,500,000cps。如果保證每個(gè)像素點(diǎn)的X射線(xiàn)計(jì)數(shù)接近，面分布圖的分辨率可以從128*128提高到512*512，意味著同樣的時(shí)間內(nèi)就可以分析更多的樣品。

低噪音X射線(xiàn)探測(cè)

Ultim Max使用*的Extreme電子電路。該電子電路專(zhuān)門(mén)為EDS探測(cè)Li元素而研發(fā)。2012年，使用它次實(shí)現(xiàn)Li元素的EDS分析。后來(lái)，該電子電路被應(yīng)用在無(wú)窗探測(cè)器X-Max Extreme和新一代的Ultim Extreme上。

Extreme電子電路擁有硅漂移探測(cè)器所能達(dá)到的低噪音探測(cè)和處理水平。高計(jì)數(shù)率下，該電子電路可以保持優(yōu)異的能量分辨率和譜圖質(zhì)量，這也是Ultim Max系列性能優(yōu)異的原因。比如，Ultim Max 100探測(cè)器在20kV、1nA的電子束條件下，計(jì)數(shù)率可以達(dá)到130,000cps，Mn Ka的能量分辨率小于125eV。

上圖為在20kV、<1nA的電子束條件下Ultim Max 100在黃鐵礦（FeS₂）采集的元素譜圖。采集計(jì)數(shù)率為130,000cps，測(cè)得的Mn Ka分辨率為124.2eV。

上圖為Ultim Extreme探測(cè)器在鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)中富Li Al區(qū)域采集的譜圖。元素疊加圖中黃色和紅色分別對(duì)應(yīng)Li Ka和Al La線(xiàn)系的成像。

波紋管SEM接口

Ultim Max系列探測(cè)器使用波紋管與電鏡連接，確保探測(cè)器在推進(jìn)和撤出過(guò)程中電鏡腔室內(nèi)的真空度穩(wěn)定。

可控伸縮

Ultim Max系列探測(cè)器都可以實(shí)現(xiàn)可控伸縮。探頭的推進(jìn)和撤回既可以通過(guò)軟件中實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)探頭上的按鈕實(shí)現(xiàn)。

可在大于400,000cps條件下定量分析

在超過(guò)400,000cps的計(jì)數(shù)率下，Ultim Max探測(cè)器和AZtecLive可以做到和低計(jì)數(shù)率下同樣準(zhǔn)確的無(wú)標(biāo)定量分析。

Ultim Max系列探測(cè)器和Extreme電子電路具有非常高的信號(hào)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，有利于X射線(xiàn)的精確處理與計(jì)數(shù)率無(wú)關(guān)形狀和相對(duì)強(qiáng)度的譜圖。

AZtecLive包含Tru-Q技術(shù)，可自動(dòng)將譜圖轉(zhuǎn)化成可靠的定量結(jié)果。Tru-Q技術(shù)由以下幾種算法組成：

• FLS——扣除背底，擬合確認(rèn)元素的譜峰形狀，計(jì)算譜峰面積，不需要客戶(hù)設(shè)置。
• QCAL—— 確定所有元素譜峰的準(zhǔn)確位置、分辨率和形狀，將譜峰面積計(jì)算和相對(duì)強(qiáng)度（即k比例）的準(zhǔn)確性提到新的高度。
• XPP——將k比例轉(zhuǎn)換為含量的基體校正方法。經(jīng)驗(yàn)證，在所有類(lèi)型的樣品上使用，其準(zhǔn)確性都更高。
• PPC——預(yù)測(cè)X射線(xiàn)和峰的特殊算法，可將和峰信號(hào)回歸譜圖中的正確位置。

Ultim Max 100在正長(zhǎng)石標(biāo)樣上采集的譜圖，計(jì)數(shù)率超過(guò)400,000cps.  黃色譜圖為經(jīng)過(guò)AZtecLive和峰修正的譜圖。和峰的計(jì)數(shù)已經(jīng)被歸位到正確的位置，特征X射線(xiàn)譜峰的強(qiáng)度得到了修正。

400,000cps（黃色）和4,000cps（紅色）計(jì)數(shù)率下正長(zhǎng)石標(biāo)樣的譜圖

400,000cps（黃色）和4,000cps（紅色）計(jì)數(shù)率下正長(zhǎng)石標(biāo)樣的定量結(jié)果

可在大于1,000,000cps條件下進(jìn)行面分析

計(jì)數(shù)率超過(guò)1,000,000cps時(shí)，Ultim Max系列探測(cè)器依然能夠保持優(yōu)異的能量分辨率和信號(hào)穩(wěn)定性。新型的X4脈沖處理器與Ultim Max探測(cè)器協(xié)同工作，可在高計(jì)數(shù)率下處理X射線(xiàn)信號(hào)，使AZtecLive實(shí)現(xiàn)高速的面分布成像。

在AZtecLive中，亞秒面分布被用于實(shí)時(shí)元素成像，輔助樣品導(dǎo)航和尋找感興趣的分析區(qū)域。在1,500,000cps的計(jì)數(shù)率下，只需5s時(shí)間就可以完成感興趣區(qū)域的元素分布成像。X射線(xiàn)計(jì)數(shù)足以進(jìn)行相分析。

1,500,000cps計(jì)數(shù)率下采集5s獲得的礦物樣品的元素面分布

根據(jù)元素面分布得到的相分布圖

晶體面積很重要

靈敏性高意味著可以短時(shí)間內(nèi)采集盡可能多的X射線(xiàn)信號(hào)。X射線(xiàn)的采集效率由探測(cè)器的檢出角決定，該參數(shù)與晶體面積呈正比，和探測(cè)距離的平方呈反比。

Ultim Max探測(cè)器采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將晶體盡可能地靠近前端，減小探測(cè)距離。與前一代產(chǎn)品X-MaxN系列相比，檢出角至少提高了一倍。

增加EDS探測(cè)器的晶體面積和檢出角會(huì)帶來(lái)一系列好處：

• 達(dá)到相同的計(jì)數(shù)，采集時(shí)間更短，效率提高；
• 相同的時(shí)間內(nèi)，可采集到更多的計(jì)數(shù)；
• 可在更弱的電子束條件下工作，大幅降低樣品損傷和污染；
• 可在更低的束流條件下進(jìn)行面分析，可同時(shí)提高圖像質(zhì)量；
• 在低加速電壓下有足夠的信號(hào)分析納米結(jié)構(gòu)，提高空間分辨率。

10mm²和170mm²探測(cè)器的示意圖：相同電子束條件下，增加晶體面積可以增加計(jì)數(shù)率

 Tru-Q®算法保證高低計(jì)數(shù)率下定量分析具有同樣的準(zhǔn)確性

不論晶體面積大小，Ultim Max系列探測(cè)器都有相同的能量分辨率。在130,000cps條件下，Ultim Max探測(cè)器Mn Ka的能量分辨率達(dá)到127eV或者更優(yōu)。在輕元素同樣表現(xiàn)優(yōu)異，130,000cps計(jì)數(shù)率下 C Ka的能量分辨率達(dá)到56eV或者更優(yōu)。常規(guī)操作，即可實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)指標(biāo)。

這意味著在保證其他技術(shù)指標(biāo)優(yōu)異的前提下，選擇大面積晶體探測(cè)器可獲得諸多益處。

相同電子束條件下， 100mm²和170mm²晶體面積探測(cè)器在純Mn標(biāo)樣上采集的譜圖。增加晶體面積會(huì)增加采集計(jì)數(shù)率，同時(shí)保證探測(cè)器高能量分辨率和使用性能。

樣品損傷

大多數(shù)的電子束損傷源于三個(gè)方面：電離、加熱和荷電。這些損傷的機(jī)制主要與兩個(gè)因素有關(guān)：電子束的能量和束流（Beam current）。對(duì)某個(gè)特定類(lèi)型的樣品，為了將樣品損傷盡量小，必須在束流和電子束能量之間尋求平衡。

Ultim Max系列的大面積晶體探測(cè)器有高敏感性，可以在樣品損傷盡量低的電子束條件下采集X射線(xiàn)信號(hào)。在低加速電壓下，相比于10mm²探測(cè)器， 170mm²探測(cè)器可以在弱17倍的束流條件下工作。

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在鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)表面采集10分鐘元素面分布后的電子圖像：5kV下樣品損傷嚴(yán)重；Ultim Max系列探測(cè)器在2.5kV下采集X射線(xiàn)信號(hào)，該條件下樣品損傷大大減輕。

樣品污染

在采集元素面分布或者高分辨成像時(shí)，樣品長(zhǎng)時(shí)間暴露在電子束下，積碳污染就變得不可避免。相比于傳統(tǒng)的10mm²探測(cè)器，Ultim Max 170可以在1/17的時(shí)間里采集到相同的計(jì)數(shù)，將暴露在電子束的時(shí)間盡量低，盡可能減少積碳污染。

某樣品進(jìn)行元素面分析采集1min和17min后的積碳污染

   TruMap

TruMap可準(zhǔn)確地消除X射線(xiàn)成像中常見(jiàn)的假象，給出元素真實(shí)的分布情況。

在每個(gè)像素點(diǎn)上，TruMap都會(huì)去除X射線(xiàn)背底，將所有元素的譜峰分開(kāi)。這意味者重疊譜峰會(huì)被準(zhǔn)確地分離。此外，背底造成的微量元素假象也會(huì)被消除掉。

譜峰重疊（Mn Kα和Cr Kβ）如上圖所示，譜圖的X射線(xiàn)成像會(huì)形成明顯的錯(cuò)誤，因?yàn)樵谠撃芰糠秶總€(gè)元素的X射線(xiàn)計(jì)數(shù)。

Map中Mn元素和Cr元素的分布看起來(lái)是一樣的，但這是Cr元素信號(hào)比較強(qiáng)引起的假象。TruMap可以將Mn Ka和Cr Kβ區(qū)分開(kāi)，展現(xiàn)兩者的真實(shí)分布。

實(shí)時(shí)元素成像

使用硅漂移探測(cè)器對(duì)X射線(xiàn)進(jìn)行成像時(shí)，每秒鐘能夠采集幾十萬(wàn)或者上百萬(wàn)的X射線(xiàn)計(jì)數(shù)，通常會(huì)產(chǎn)生大量低含量元素的分布細(xì)節(jié)。這些細(xì)節(jié)更多的源于X射線(xiàn)背底造成假象，而非真實(shí)的元素分布。

X射線(xiàn)背底的強(qiáng)度與電子束作用區(qū)域的平均原子序數(shù)有關(guān)。平均原子序數(shù)越大，X射線(xiàn)背底的強(qiáng)度越高。因此，氧化物基體上金顆粒比周?chē)幕w有跟更高的X射線(xiàn)強(qiáng)度。每個(gè)區(qū)域具有不同的平均原子序數(shù)，高計(jì)數(shù)率下采集的X射線(xiàn)可以生成元素周期表任何元素的分布情況。

因此，低強(qiáng)度X射線(xiàn)準(zhǔn)確成像需要將背底扣除。TruMap使用Tru-Q®中的FLS算法，不需要對(duì)每個(gè)譜圖的背底進(jìn)行建模，自動(dòng)扣除背底。因此，TruMap可以給出微量元素的真實(shí)分布。

同樣的電子束條件下采集的Au、Fe、SiO₂、BN樣品的X射線(xiàn)譜圖。不同材料的譜圖上背底強(qiáng)度差異很大， Ti元素成像所用能量范圍的強(qiáng)度差別也很大。

微量元素Ti的X射線(xiàn)分布圖。雖然沒(méi)有其他元素和Ti元素產(chǎn)生譜圖重疊，TruMap處理后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的面分布圖有明顯的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤是Cr/Fe顆粒和周?chē)w之間背底強(qiáng)度變化引起的。

 低含量元素的成像

Ultim Max探測(cè)器和AZtecLive可以分析微量元素的分布情況。Ultim Max探測(cè)器具有足夠的靈敏性，可快速采集到足夠的X射線(xiàn)計(jì)數(shù)，對(duì)含量低至0.1wt%的元素進(jìn)行面分析。TruMap可自動(dòng)、準(zhǔn)確地扣除背底、剝離重疊譜峰。

TruMap顯示該樣品中Mn、Ti元素的真實(shí)分布，WDS確認(rèn)該結(jié)果的準(zhǔn)確性。Mn元素含量在0~0.3wt%和Ti元素含量在0~0.1wt%，TruMap清晰地分辨他們的分布差異。

  輕元素分析

分析能量低于1keV的X射線(xiàn)時(shí)，探測(cè)器晶體前的窗體，不管是何種材質(zhì)，都會(huì)顯著降低X射線(xiàn)計(jì)數(shù)率。Ultim Max探測(cè)器配置大面積晶體，能收集到更多的低能X射線(xiàn)信號(hào)。配置的Extreme電子電路可以檢測(cè)到并處理這些低能X射線(xiàn)信號(hào)。強(qiáng)大的硬件組合將輕元素探測(cè)的靈敏性大幅提高。

無(wú)窗型探測(cè)器Ultim Extreme對(duì)超輕元素的靈敏性可以提高8倍。

  低電壓分析

降低電子束的加速電壓可以提高EDS分析的空間分辨率。可是加速電壓降低后，X射線(xiàn)的計(jì)數(shù)也會(huì)降低。在優(yōu)秀的電子成像條件下，Ultim Max系列的大面積晶體可以保證獲得足夠的X射線(xiàn)計(jì)數(shù)。當(dāng)加速電壓從5kV降低3.5kV時(shí)，大面積的100mm²和170mm²探測(cè)器的計(jì)數(shù)率依然可以保持在接近的水平。

實(shí)際分析時(shí)，可以將加速電壓降低至1.5kV甚至更低，使用Ultim Extreme獲得優(yōu)秀的空間分辨率。

半導(dǎo)體器件去層處理后采集到的N、O、Si元素的分布（經(jīng)TruMap處理）。采集時(shí)間相同，隨著加速電壓的降低，這些元素的空間分辨率提高。增加檢出角，或者使用無(wú)窗型探測(cè)器Ultim Extreme，在低電壓下依然可以保持相當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)率。