EDXS
(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)
Durch inelastische Wechselwirkung der Strahlelektronen mit den Elektronenhüllen der Atome innerhalb des elektronenmikroskopischen Objektes können u.a. innere Schalen ionisiert werden. Dieser Zustand ist nicht stabil und wird durch Übergang von Elektronen aus energetisch höheren Schalen korrigiert. Die dabei frei werdende Energie wird zur Emission eines Röntgenquants oder eines AUGER-Elektrons benutzt, deren Energien wiederum charakteristisch für den energetischen Abstand der beteiligten Elektronenzustände und damit für das Element sind. Die Elektronenzustände werden durch vier Quantenzahlen beschrieben: die Hauptquantenzahl n kennzeichnet die Schale (n = 1: K-Schale, n = 2: L-Schale, n = 3: M-Schale usw.); die Nebenquantenzahl l kennzeichnet den Bahndrehimpuls (l = 0, ... , n-1), die magnetische Quantenzahl m die z-Komponente des Drehimpulses (m = -l ... +l) und die Spinquantenzahl s den Eigendrehimpuls des Elektrons (s = ± 1/2). Die Elektronen müssen sich in mindestens einer dieser Quantenzahlen unterscheiden (PAULI-Prinzip). Die Gesamtdrehimpuls-Quantenzahl ist j = l + s. Für Strahlung sind quantenmechanisch nur Übergänge erlaubt, für die Diff(l )= ± 1 und Diff(j) = 0, ± 1 gilt. Die möglichen Elektronenenergiezustände für die inneren drei Schalen und die zwischen ihnen erlaubten Übergänge sind schematisch im Termschema (Bild rechts) dargestellt. Die Bezeichnung der charakteristischen Röntgenlinien („Peaks“) im Spektrum leitet sich aus dem Termschema ab: Der Großbuchstabe (z.B. K) gibt die ionisierte Schale an, die durch einen Elektronenübergang aufgefüllt wird. Der griechische Buchstabe gibt an, aus welcher Schale das Auffüllelektron stammt
Der innere Photoeffekt bildet die Grundlage für das energiedispersive Röntgenspektrometer. Im Siliziumkristall werden Elektronen beim Einfall von Röntgenquanten aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben. Sie sind dort frei beweglich. Im Valenzband entstehen Fehlstellen („Löcher“) Der Siliziumkristall ist zwischen zwei Elektroden eingebettet, an denen eine Spannung von etwa 1 kV liegt. Die Elektronen werden durch diese Spannung von der Anode aufgenommen und liefern einen kurzen Stromstoß, der elektronisch verstärkt wird. Die Zahl der durch das Röntgenquant in das Leitungsband beförderten Elektronen hängt von der Röntgenenergie ab und bestimmt die Stärke dieses Stromstoßes. Die Höhe eines einzelnen Stromstoßes ist das Maß für die Energie des einfallenden Röntgenquants, die in einem Diagramm als Abszisse dargestellt wird.
Die Zahl der pro Zeiteinheit einfallenden Röntgenquanten bildet die Ordinate. Sie hängt von der Anzahl der angeregten Atome eines Elementes ab. Die Anregung von Valenzbandelektronen ist ein statistischer Prozess, der zusammen mit den endlichen Energiebreiten von Valenz- und Leitungsband zu einer „Verschmierung“ führt. Es entstehen keine scharfen Linien bei einer bestimmten Energie sondern „Peaks“ mit einer Halbwertsbreite von etwa 100 eV. Das energetische Auflösungsvermögen des energiedispersiven Röntgenspektrometers ist auf etwa diesen Wert begrenzt.
Die Flächen unter den Peaks repräsentieren deren Intensitäten I. Die CLIFF-LORIMER-Gleichung ermöglicht die Berechnung des Konzentrationsverhältnisses zweier Elemente aus deren Intensitätsverhältnissen im Röntgenspektrum. Als k-Faktoren bezeichnete Empfindlichkeitsfaktoren berücksichtigen die Unterschiede in den Wahrscheinlichkeiten für die Ionisierung durch Entfernung eines Elektrons aus einer inneren Schale (Ionisationsquerschnitt), in den Wahrscheinlichkeiten für die Emission eines Röntgenquants (Fluoreszenzausbeute) und in den Wahrscheinlichkeiten, mit der das Röntgenquant im Spektrometer detektiert wird (Spektrometereffizienz). Die k-Faktoren können anhand von Modellen berechnet oder mit Hilfe von Standards gemessen werden. In der Regel sind sie auf Silizium bezogen.
Die berechneten Faktoren hängen von den benutzten Modellen zur Ermittlung der o.g. Wahrscheinlichkeiten ab und sind damit systematischen Fehlern unterworfen, deren relative Werte von ca. 5 % bei im Periodensystem nahe beieinander liegenden, mittelschweren Elementen und Nutzung der K-Peaks bis zu mehr als 50 % in anderen Fällen liegen können.
