引言
历史上，使用能量色散X射线谱（EDS）检测轻元素一直受到窗口材料的限制，因为这些材料会吸收低能X射线。在过去几十年中，窗口技术的发展经历了从铍窗到高聚物窗，最终到超薄氮化硅窗口的转变，使EDS技术可靠检测限低至铝的L线（73 eV）。不过，尽管取得了这些进展，最新一代的窗口材料仍然存在显著的低能X射线衰减问题，例如，氮信号衰减50%，硼信号衰减90%。然而，新开发的EDAX® Octane Elite Ultra无窗口探测器带来了又一次重大飞跃，它消除了由窗口材料引起的信号衰减，能以显著提高的信噪比检测低能端信号。
图1. Octane Elite Super（左上）和 Octane Elite Ultra（右）安装在日立 SU7000 上，同时进行采集。该扫描电子显微镜还配备了 Cipher® 系统，可以检测样品中的锂含量。
材料与方法
使用配备两台EDS探测器的日立SU7000扫描电子显微镜（SEM）评估了无窗Octane Elite Ultra探测器的性能。两台探测器分别是：Octane Elite Super（70 mm2，氮化硅窗）和Octane Elite Ultra（160 mm2，无窗），如图1所示。两台探测器对立安装，同时采集，消除了实验条件变化可能导致的差异。选择含有硼化物夹杂物的高熵合金样品进行分析，因为其成分复杂且含硼，检测极具挑战性。
图2. 在20 kV下采集的高熵合金元素分布图，像素分辨率256 x 200，总曝光时间为3分40秒。
结果与讨论
最初采用20 kV的加速电压采集。Si、Fe、Co、Ni和Cu的图具有可接受的信噪比（SNR），然而，无法观察到硼的清晰分布（图2）。在此条件下，X射线是在样品表面几微米范围内产生的，为了逸出样品并被检测到，它们必须避免被再次吸收并产生可检测信号。对于低能X射线，例如硼，二次吸收可能非常严重。
图3. 不同电压下B元素的分布图
为了尽量减少再吸收的影响，SEM的加速电压被降低，以确保生成的X射线在逃逸之前穿过样品的距离更短。图3显示了在20、10和5 kV加速电压下采集的硼元素分布图的比较，每种情况下的像素密度和采集时间相同。正如预期的那样，两个探测器在较低加速电压下SNR都显著提高。通过Octane Elite Ultra采集的图中可以观察到富硼相的分布，而使用Octane Elite Super则无法观察到，这是因为Ultra型号在5 kV下收集的硼元素图的SNR提高了8倍。当然，在更长时间后，Octane Elite Super也可以获得清晰的硼元素分布图（图4）。
图4. 使用EDAX Octane Elite Super在加速电压为5 kV下采集的硼元素分布图，总采集时间为55分钟。
最终，确定了分析条件以生成信噪比优化的元素图：使用3 kV的加速电压和总采集时间为28分钟。在这些设置下，由于电子束能量不足以激发电子跃迁，因此无法使用过渡金属元素的标准X射线谱线，因此改为使用L谱线；空间分辨率优于100纳米。
图5. 使用 Octane Elite Ultra 在 3 kV 下的元素分布图
结论
Octane Elite Ultra 探测器的无窗设计消除了低能 X 射线传输的障碍，显著提高了对轻元素低能 X 射线和过渡金属元素 L 线的检测能力。其较大的有效区域有助于进一步增强信号采集，特别有利于分析复杂材料。与传统大面积有窗 EDS 探测器相比，其信噪比（SNR）提升高达 8 倍。这些改进表明，该设备在材料科学、冶金和半导体研究中具有广泛的应用前景，使低加速电压下的分析能够成为常规操作。