Ultim^® Max

センサーサイズ

Ultim Maxには、複数のセンサーサイズから選択していただけます。センサーサイズが大きいほど、試料から放出されるX線をより多く集めることができるため、高い感度が得られます。

同じ条件で使用した場合、Ultim Max 170 mm²検出器は、従来の10 mm² SDD検出器に比べて最大17倍のデータを収集します。そのため、同じ時間で17倍のサンプルをマッピングすることができます。

同一の顕微鏡条件でセンサー面積を変えて収集したX線マップ。カウントレートは10mm²で88,000cps、170mm²で1,500,000cpsと増加しています。 そのため、同じデータ品質であれば、マップの解像度は10mm2の128x128ピクセルから170mm²のセンサーエリアの512x512ピクセルへと向上し、同じ時間でより多くのサンプルを明らかにすることができます。

低ノイズX線検出

Ultim MaxにはExtreme エレクトロニクスが搭載されています。これらのエレクトロニクスは、EDSによるリチウムの検出のために開発され、2012年に初めて達成されました。 (Burgess et al. 2013) また、X-Max Extremeおよび新しいUltim Extremeウィンドウレス検出器を用いて、リチウム電池材料の分析に使用されています。

エクストリーム・エレクトロニクスは、SDD用としては最もノイズの少ない信号検出・処理を提供しています。大面積のUltim Max検出器で容易に達成できる高カウントレートで、優れたエネルギー分解能とスペクトル品質を実現します。100 mm² の検出器では、20kV で約 1nA で 130,000cps を発生させることができますが、MnKα で達成される分解能は通常 125eV 未満です。

Ultim Max 100を用いてFeS₂から<1nA, 20kVで収集したスペクトル。カウントレートは130,000cpsで、MnKαで測定した分解能は124.2eVでした。

Ultim Extremeを用いてリチウム電池固体電解質中のLiAl Oxideから採取したスペクトル。これは、レイヤーX線マップのオレンジ色の部分に相当し、LiKは黄色、AlLは赤色です。

ベローズによるSEMインターフェース

すべてのUltim Max検出器は、電子顕微鏡とのインターフェースにベローズを採用しています。これにより、検出器の挿入・引き出し時に真空度が保たれます。

   モーター駆動

すべてのUltim Max検出器には、モーター付きスライドが内蔵されています。これにより、AZtecLiveソフトウェアからの制御、または検出器の筐体にあるボタンを使って、検出器を簡単かつ迅速に挿入・収納することができます。

>400,000CPSでの定量分析

Ultim Max検出器とAZtec Liveソフトウェアの組み合わせだけが、400,000cps以上の速度で、低カウントレートで得られた結果と同じ精度のスタンダードレス定量分析結果を実現することができます。

Ultim MaxセンサーとExtremeエレクトロニクスは、正確な処理に必要な信号の安定性と忠実性を提供し、カウントレートに依存しない形状と相対的なピーク強度を持つスペクトルを生成します。

AZtecLiveには、このスペクトルを自動で信頼性の高い定量結果にするために必要な独自のTru-Q技術が搭載されています。Tru-Qの構成は以下の通りです。:

• FLS – スペクトルからX線のバックグラウンドを除去し、同定された元素のピークプロファイルをフィッティングしてピーク面積を算出するロバストなアルゴリズムで、ユーザーによる設定を必要としません。
• QCAL – すべての元素のピークプロファイルの正確な位置、分解能、形状を決定するための新しい独自のアプローチにより、ピーク面積と純元素の強度に対する相対的な強度（「k-ratio」）の両方の計算に新しいレベルの精度をもたらします。
• XPP – あらゆる種類のサンプルでより正確な結果が得られることが証明されている、kレシオを元素濃度に変換するマトリックス補正アルゴリズム
• PPC – 非常に高い計数率で発生するパイルアップX線を予測し、スペクトルの正しい位置に戻すための特別なアルゴリズムの改良版

正長石の標準試料からUltim Max 100を用いて400,000cps以上で採取したスペクトル。元のスペクトルをAZtecLiveのパルスパイルアップ補正を用いて補正し、黄色のスペクトルを作成しました。サムピークの除去に加えて、X線イベントを正しいエネルギーに置き換え、実際の特性X線ピークの強度を補正しています。

正長石標準試料から400,000cps以上（黄）と4,000cps（赤）で収集したスペクトルの比較。

400,000cpsと4,000cpsで採取したスペクトルから算出した正長石標準試料の組成。

>1,000,000CPSでのX線マッピング

Ultim Maxは、1,000,000cpsを超えるカウントレートでも、優れたスペクトル分解能と信号安定性を維持します。新製品のX4パルスプロセッサーは、Ultim Maxと連携してこの非常に高いレートの信号を処理し、AZtecLiveの超高速マッピングを実現するために設計されました。

AZtecLiveの1秒以下のマッピングは、サンプルナビゲーションや特徴の確認に役立つリアルタイムの組成画像として使用されています。1,500,000cpsのX線マップをわずか5秒で収集することで、対象領域の元素構成の詳細な画像が得られ、自動相解析に必要な十分なデータが得られます。

1,500,000cps、5秒間で収集した鉱物サンプルのX線マップ

センサーサイズの重要性

感度を最大限に高めるためには、できるだけ多くのX線を収集する必要があります。検出器が収集できるX線の数は、検出器の立体角によって決まります。立体角は、センサーの面積と、センサーとサンプルの距離の二乗の逆数に比例します。

Ultim Maxは、新しい革新的なデザインを採用し、センサーを可能な限りサンプルの近くに配置しています。これにより、前世代のX-Max^N検出器に比べて最大2倍の立体角を実現しています。

センサーの面積と立体角を最大化することで、EDSを実際に使用する際に多くの重要なメリットが得られます。そのメリットとは:

• 同じデータをより早く収集することで生産性を最大化
• 同じ時間でより多くのデータを収集することで感度を最大化
• サンプルのダメージやコンタミネーションを最小限に抑え、サンプルの完全性を最大化
• X線マッピング時の低ビーム電流による画質の最大化
• 低い加速電圧で信号を維持することで、ナノ分析の空間分解能を最大化

10mm²と170mm²の検出器の模式図。センサーの面積が大きくなると、検出器が収集できるX線の数が増加することがわかります。

センサーに依存しない性能

Ultim Max検出器は、センサーサイズによらず同じスペクトル分解能が保証されています。すべての標準仕様の検出器は、設置時およびユーザーの操作時に、130,000cpsで測定したMnKaで127eV以上を達成することが保証されています。すべてのセンサーサイズで達成される典型的な分解能は125eVよりも優れています。またすべてのセンサーは、130,000cpsで測定した炭素において56eV以上の分解能を保証するなど、優れた低エネルギー性能を備えています。この性能を達成するために特別な動作モードは必要ありません。

つまりUltim Max検出器を選択する際に、より大きなセンサーを搭載した検出器を選択することによる検出器の性能やデータの質の低下を懸念する必要はありません。つまり、より大きなセンサーを搭載した検出器を選択することで、妥協することなくセンサーサイズのメリットを得ることができるのです。

100mm2と170mm2のセンサーを用いて同じ顕微鏡条件で収集したMnスペクトル。センサーの面積を大きくしても、検出器の解像度や性能を損なうことなく、より高いカウントレートを得ることができます。

サンプルダメージ

ビームダメージのほとんど分は、電子ビームによる試料のイオン化、電子による加熱、試料の帯電の3つの原因で発生します。 これらの損傷メカニズムは、主に電子線エネルギーとビーム電流の2つの要素に依存します。サンプルダメージを最小限に抑えるためには、試料の種類に応じて、電流と電子エネルギーのバランスをとる必要があります。

Ultim Maxの大型センサーサイズと高感度は、試料のビームダメージを最小限に抑えるために必要な条件でX線を収集することを可能にします。最大170mm²のセンサーサイズは、従来の10mm²の検出器に比べて17倍のビーム電流を使用したり、はるかに低い電子線エネルギーでの分析を可能にします。

10分間のEDSマップ収集前後に取得したリチウム電池電解質試料の電子画像。5kVでは試料が著しく損傷しています。Ultim Maxの高感度により、電子エネルギー2.5kVでの使用が可能となり、ダメージが大幅に軽減されている。

サンプルのコンタミネーション

X線マップや高解像度画像を取得する際には、電子ビームの長時間照射による汚染物質の蓄積が常に問題となります。Ultim Maxの大きなセンサーサイズでは、同じデータをわずか1/17の時間で収集することができます。これにより、電子ビームへの曝露を最小限に抑え、コンタミネーションの蓄積を最小限に抑えることができます。これにより、コンタミネーションではなく試料の分析を確実に行うことができます。

Electron image of a spinner bowl sample showing contamination build up after EDS map acquisitions of 1 minute and 17 minutes.

   TruMap

TruMapは、試料中の元素の分布を正確に把握することができます。X線マップのエラーの原因となる一般的なアーチファクトを、データ収集中にリアルタイムで正確に除去します。その結果、X線スペクトルの変動とは無関係に、元素の実際の空間分布のみが表示されます。

マップの各ピクセルでは、X線のバックグラウンドが除去されるようにスペクトルが処理され、すべての元素のピークが分離されます。これにより、ピークが重なっていても、元素の信号を正しく分離することができます。また相によってバックグラウンドの強度が異なるために生じる、見かけ上の元素の分布も除去されます。

例えば、Mn（MnKα）とCr（CrKb）のようにピークが重なっている場合、従来のX線マッピングでは、各元素のエネルギーウィンドウ内のすべてのX線カウントを組み合わせるため、大きな誤差が生じます。

このサンプルのMnとCrのマップは同じに見えますが、これはCrの信号が優勢であるためです。TruMapでは、MnKとCrKを分離することで、実際のCrの変化を変えることなく、根本的なMnの変化を示しています。

   真の組成変化を強調

SDD検出器を使用して毎秒数千から数百万カウントで収集されたX線マップには、低い強度の微細なディテールが大量に含まれていることがあります。このようなディテールは、実際の元素のばらつきよりも、X線バックグラウンド強度のばらつきに起因することが多いです。

X線バックグラウンド強度は、相の平均原子番号に関連しています。相が重ければ重いほど、バックグラウンドのX線が多く放出されます。したがって酸化物マトリックス中の金粒子は、周囲のマトリックスよりも粒子が存在する部分の元素強度が高くなっているように見えます。このサンプルの高カウントレートX線マップでは、相の平均原子番号が大きく異なるため、周期表のすべての元素に明らかな変化が見られます。

したがって、低い強度の信号を正確にマッピングするためには、バックグラウンド信号を除去する必要があります。TruMap では Tru-Q FLS 技術を採用しているため、各相のバックグラウンドをモデル化する必要がなく、バックグラウンドが自動的に除去されます。これにより、微量元素の実際の変動を測定することができます。

Au、Fe、SiO₂、BNについて同じ条件で収集したX線スペクトル。Tiマップの計算に使用したエネルギーウィンドウ（赤）の強度は、材料の違いによるバックグラウンド強度の違いにより大きく異なります。

微量のTiが含まれる試料のX線マップ。このサンプルにはTiと重なる元素がないにもかかわらず、TruMapでは、Cr/Fe粒子と周囲の酸化物マトリックスとの間のバックグラウンドの強度変化に起因する、従来のX線マップに大きな誤差があることを示しています。

低濃度元素のマッピング

Ultim MaxとAZtecLiveを組み合わせることで、微量元素の変化をマッピングするユニークな機能が得られます。Ultim Maxは、0.1wt%レベルの変化を画像化するのに十分な精度を達成するのに十分なカウント数を、迅速に提供するのに十分な感度を持っています。ピークの重複やバックグラウンドによる変動は、TruMapによって自動的かつ正確に除去されます。

このサンプルのMnとTiのTruMapsは、WDSで確認された微量元素の実際の変動を示しています。Mnは0～0.3wt%、Tiは0～0.1wt%の範囲で変化していることがわかります。

軽元素分析

X線エネルギーが1keV未満の軽元素では、X線ウインドウの材質に関わらず、X線ウインドウの存在によって計数率が低下します。Ultim Maxはセンサーサイズが大きいため、サンプルから発生する低エネルギーX線をより多く収集することができます。優れたエレクトロニクスにより、より多くの低エネルギーX線をカウントすることができます。この強力な組み合わせにより、軽元素に対する感度が最大になります。

究極の軽元素感度を得るために、Ultim Extremeはウィンドウレス構造を採用し、軽元素感度を最大8倍に向上させています。

   低加速電圧分析

EDSの空間分解能を向上させるためには、電子ビームの入射エネルギーを小さくする必要があります。電子ビームの入射エネルギーを小さくすると、発生するX線の数も少なくなります。この問題を解決するために、Ultim Maxの大きなセンサーサイズは、最も厳しい条件でも最大のカウント数を達成できます。センサーサイズは100mm2と170mm2で、電子入射エネルギーを5kVから3.5kVに下げても、安定したカウントレートを達成することができます。

バルクサンプルの究極の空間分解能を実現するために、Ultim Extremeでは、1.5kV以下の電子エネルギーで実用的なカウントレートを達成することができます。

一定の収集時間で収集された、層間剥離した半導体デバイスのN、O、SiのTruMaps。またUltim Extremeの場合、ウィンドウレス検出器で収集することで、低加速電圧でもカウントレートを維持しています。