電子探針應用：稀土元素分析痛點及應對之策

稀土是我國為數不多的優勢戰略礦產資源，對于現代工業有著重要的經濟價值及戰略價值。在微束分析領域，稀土元素的測試也有著其自身的特點和難點，突出表現在稀土元素的特征X射線譜線之間重疊干擾嚴重，對于儀器的分辨能力、測試靈敏度及人員經驗要求甚高。島津電子探針通過配置兼具靈敏度和分辨率的全聚焦分光晶體，使得稀土元素的測試效果更為優異。

稀土何以成為戰略資源？

稀土元素最初發現于18世紀，因當時技術水平所限，只能用化學法制得少量不溶于水的物質，按當時的習慣，把不溶于水的物質稱為土，因其稀少故而得名稀土，英文是Rare Earth，意即“稀有的土”。稀土元素包括鑭系元素和鈧、釔共17種元素。它們多數呈銀灰色，有光澤，但硬度很小，金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬元素，在空氣中極易氧化。

稀土以其不可替代的優異磁、光、電性能被廣泛應用于電子加工、信息技術、激光技術、清潔能源、先進裝備制造業等諸多高新科技領域，只需極少的添加量就能改善或提高最終產品的性能，素有“工業維生素”之稱，被譽為人類的“希望之土”，對國民經濟、國家安全和科技發展具有重要的戰略意義。

稀土元素特征X射線信號的特點

正如共生的稀土資源不易分離，稀土元素特征X射線信號之間也是重疊嚴重、彼此干擾。表現在特征X射線的譜圖上，就是密密麻麻的特征譜線彼此緊鄰。如果要把這些譜線區分開來，儀器必須具有良好的分辨率。此外，除主量元素外，稀土礦通常也含有多種低含量的共生稀土元素，這對測試儀器的檢測靈敏度也是極大的考驗。

傳統的掃描電鏡+能譜儀為什么無法應對

集成于掃描電鏡上的能譜儀能量分辨率一般在127eV（Mn Kα FWHM）左右，而電子探針所使用的波譜儀能量分辨率與之相比要高出一個數量級。我們取能量范圍3.7keV~7.3keV內，能譜儀和波譜儀的譜圖進行對比，顯而易見，能譜儀上元素譜峰嚴重重疊，是無法進一步分析的，而電子探針波譜儀則可以將稀土元素各譜峰很好的分離開。同時，受限于掃描電鏡較小的照射電流，元素測試時的靈敏度也很低，對于微量元素一般無法檢出。

島津電子探針應對稀土元素分析的優勢

島津電子探針通過配置統一4英寸羅蘭圓半徑的全聚焦分光晶體，實現了分辨率和靈敏度的兼顧。

圖1為常規的半聚焦分光晶體工作示意圖，如果需要高靈敏度時，需要把特征X 射線檢測器前端的狹縫調大，但必然會造成分辨率的變差; 反之，需要高分辨率時，則要把檢測器狹縫縮窄，但又會造成靈敏度的下降；顯然在面對分辨率和靈敏度的兩難抉擇時，半聚焦分光晶體自是顧此失彼、捉襟見肘。而島津全聚焦分光晶體（圖2），則兼顧了靈敏度與分辨率。

稀土礦物獨居石分析舉例

使用島津電子探針EPMA-1720測試含有復雜稀土的礦物獨居石，可以看出特征X射線譜峰之間盡管彼此緊鄰，但每個峰之間能夠進行分離，這就給予元素成分的判斷和定量的測試提供可靠的保證。

釹鐵硼磁性材料分析舉例

使用島津電子探針EPMA-1720測試具有磁王之稱的釹鐵硼磁性材料。從元素分析的譜圖中可以看出，即使稀土元素成分相對比較簡單的材料，譜峰上也會有較多的復雜線系，但峰與峰之間可以進行足夠的分辨，只是測試的時候需要調整背景干擾。

汽車尾氣催化劑材料分析舉例

汽車尾氣催化劑材料具有多層結構，使用微量貴金屬作為活性催化成分，并添加多種稀土元素氧化物作為分散劑、儲氧劑以及熱穩定劑。使用島津電子探針EPMA-1720測得譜圖上也可以看出復雜基體+稀土元素對儀器靈敏度和分辨率的較高要求。