オックスフォード・インストゥルメンツー事業部ページ
拡張
NanoAnalysis | Blog
なぜWDのスペクトロメーターはすべて同じ結果にならないのでしょうか?

27th October 2021 | Author: Dr Rosie Jones

よくある誤解として、SEM用の波長分散型(WDS、WDX)スペクトロメーターはすべて同じで、同じ品質の結果が得られると思われていることがあります。

これは主に、異なる理由で開発され、異なる目的のために最適化された、ローランド・サークルとパラレル・ビームという2つの異なる設計があるためです。

オックスフォード・インストゥルメンツのWaveスペクトロメーターは、ローランド・サークル・ジオメトリーを持つ、SEMで使用できる唯一のWDSソリューションです(図1参照)。 このデザインは、電子線マイクロプローブカラム(EPMAなど)に垂直に取り付けられたWDスペクトロメーターと基本的に同じです。 このように、Waveスペクトロメーターは、電子線マイクロプローブと同様に、近接して発生するX線ピークを分離し、微量元素を正確に測定する機能を備えています。 またここで紹介するように、Waveスペクトロメーターの能力が電子線マイクロプローブの能力を上回ることもあります。

図 1. Waveスペクトロメーターの内部構造。 ローランド円を赤で、サンプルの位置を青の点で示しています。 試料、結晶、カウンターは、特定のX線波長(=元素線)を測定するために、ローランド円上の特定の等間隔の位置に配置されます。 この設定により、ブラッグの法則が複数の波長に対して解けるようになります。nλ=2dsinθ(ブラッグの法則)がWDS分析の基礎となりますが、λはX線の波長、nは回折次数、dはモノクロメーター結晶の格子面の間隔、θはX線の入射角を表します。

なぜSEMにWDスペクトロメーターを追加するのでしょうか?

SEMにWDスペクトロメーターを追加する主な理由は、SEMの元素組成を測定する従来の方法であるエネルギー分散型分光分析(EDS、EDX、EDXS)よりも高いスペクトル分解能を得るためです。 これはスペクトルの分解能が高くなることで、(1)EDSスペクトルで重なり合っている近接したX線ピークを分離することができ、正確に定量することができる、(2)ピークとバックグラウンドの比が高くなり、検出限界が低くなり、微量元素の測定が可能になる、という2つの大きなメリットがもたらされるためです。

ローランド・サークル型スペクトロメーターのスペクトル分解能を決定する一部の要素は、ローランド・サークルの直径です。ローランド・サークルが大きければ大きいほど、スペクトルの分解能は高くなります。 ローランドサークルの大きさには物理的な制限があり、スペクトロメーターをSEMカラムの側面に収容して支えなければなりません。さらに、サンプル、分光結晶、カウンターの間隔が大きくなると(つまり、ローランド円が大きくなると)、カウントレートが低下します。したがって、分解能と物理的なスペクトロメーターのサイズと望ましいカウントレートとの間にはトレードオフがあります。

Waveスペクトロメーターは、電子顕微鏡に搭載されたWDスペクトロメーターとしては通常よりも大きい直径210mmのローランドサークルを持っています。 (これらは通常、100~180mmの範囲です。) そのため、Waveスペクトロメーターでは、標準的な電子線マイクロプローブよりも高いスペクトル分解能を実現することができます。

図2は、Waveスペクトロメーターで得られたCa Kαのピークと、一般的な電子マイクロプローブで得られた同じピークの比較です。 Waveスペクトロメーターで得られたピークは、一般的な電子線マイクロプローブで得られたピークよりもはるかに狭く(FWHMはそれぞれ7eVと14eV)、Waveスペクトロメーターの高いスペクトル分解能を示していることがわかります。

図 2. SEMに搭載されたオックスフォード・インストゥルメンツ社のWaveスペクトロメーターと、一般的な電子線マイクロプローブのWDスペクトロメーターで得られたWDSスキャンの比較。 同じ分析条件(例:加速電圧=15kV)、同じ回折結晶(PET)を用いて、Wollastonite標準試料から生成したCa Kαピークをスキャンしたもの。 Waveスペクトロメーターで得られたピークのFWHMは7eVであるのに対し、一般的な電子線マイクロプローブでは14eVでした。

パラレルビーム・スペクトロメーター

またSEMに搭載されているもう一つのWD分光器は、ローランドサークルジオメトリではなく、試料から発生する発散X線をX線光学系を用いて平行光に変換しています。 このスタイルの分光器を開発した動機の一つは、SEMカラムに容易に収容できるコンパクトなWDSソリューションを作ることでした。

しかし大きなローランド円の形状ではなく集光光学系を使用すると、前述のようにSEMにWDSを追加する最大の理由であるスペクトル分解能が犠牲になります。 Waveスペクトロメーターとパラレルビーム分光器で得られるスペクトル分解能の比較例を図3に示します。 Mo LαとS Kαのピークはわずか14eVの差であり、図のようにWaveスペクトロメーターでは完全に分離されますが、パラレルビームスペクトロメーターでは分離されません。このことは、ローランドサークルジオメトリを用いて達成できる優れたスペクトル分解能を示しています。

図 3. オックスフォード・インストゥルメンツのWaveスペクトロメーター、パラレルビームスペクトロメーター、EDS検出器を用いて得られたMo LαピークとS Kαピークの分離の比較。

なぜ分解能が重要なのでしょうか?

  • ピークオーバーラップの影響を受けているラインに基づいて元素を定量しようとすると、他の元素からのカウントが加わるため、定量結果が不正確になります。これを回避する方法はいくつかありますが(例:別のラインを使用する、補正を行う)、多くの場合、最適ではなく、測定の誤差が大きくなります。
  • ピークオーバーラップの影響を受けると、元素の存在を正確に確認することは困難です。特に、微量元素のピークと主要元素のピークが重なっている場合は問題となります。
  • 分解能が高いと、ピークとバックグラウンドの比が大きくなるため、検出限界が低くなります(例:Waveスペクトロメーターの検出限界は、Si Kαで9ppm、Fe Kαで15ppm)。
    • これに加えて、分析時間も重要です。解像度が高く、ピークバックグランド比が高いと、同じレベルの誤差を分析で出すためのカウント時間が短くなり、同じ品質のデータを得るために作業時間を短縮することができます。

この記事では、WDスペクトロメーターの主な違いについて説明しました。これでローランドサークルジオメトリを採用したスペクトロメーターを選択する主な利点と、元素の定量化における分解能の重要性をご理解いただけたと思います。WDSソリューションの詳細については、こちらをご覧ください。

Ask me a question Rosie Jones

Dr Rosie Jones

WDS Product Manager

このブログはお楽しみいただけましたか?こちらもご覧ください。

メールマガジンのご案内

オックスフォード・インストゥルメンツでは、新製品やウェビナー、セミナー、展示会等のイベント情報を定期的にご案内するメールマガジンを発行しています。
配信をご希望されるお客様は、下記の記載事項をご記入いただきお申込みください。

 
※当社のメールマガジンです。当社の新製品、ウェビナー、展示会などの最新情報をお届けしています。