Elektronenstrahlmikrosonde

Die BGR hat eine lange Tradition auf dem Gebiet der Elektronenstrahlmikrosondenanalytik. Die erste Mikrosonde an der BGR wurde 1968 in Betrieb genommen, eine SIEMENS Elmisonde. Diese wurde 1985 durch eine CAMECA Camebax ersetzt. Hierauf folgte im März 2000 eine CAMECA SX100. Die Geschichte wird nun mit einer JEOL JXA-8530F Hyperprobe fortgeführt, welche im Herbst 2015 installiert wurde. Die grundsätzlichen Neuerungen bei dieser Sonde im Vergleich zu den Vorgängermodellen ist eine Schottky-Feldemissionsquelle und ein Spektrometer zur Analyse von leichten Elementen (soft X-ray emission spectrometer - SXES).

Elektronenstrahlmikrosonde JEOL JXA-8530F Hyperprobe mit SXES an der BGR Quelle: BGR

Die Elektronenstrahlmikrosonde ist ein Gerät zur zerstörungsfreien in situ Messung von Elementkonzentrationen (Nachweisgrenzen bis ca. 50 ppm bei optimalen Bedingungen) für die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung in Festkörpern (z. B. Mineralen, Gläsern, Werkstoffen) bei hoher Ortsauflösung. Die hohe Auflösung (Bildauflösung bis zu 3 nm im Sekundärelektronenbild) ist dank der Feldemissionsquelle wegen des wesentlich kleineren Strahldurchmessers (ca. 50 nm) möglich und besonders für Mikroanalysen bei niedrigen Beschleunigungsspannungen geeignet. Alle Elemente ab Ordnungszahl 3 (Lithium) bis 92 (Uran) können detektiert werden. Dazu wird ein hochenergetischer (bis zu 30 kV) Elektronenstrahl auf eine polierte Probenoberfläche (diese wurde im Vorfeld durch Bedampfung mit Kohlenstoff elektrisch leitfähig gemacht) fokussiert und ruft dort physikalische Wechselwirkungen mit den Atomen der jeweiligen Elemente in der Probe hervor, die mit unterschiedlichen Detektoren erfasst und in Information umgewandelt werden.

Das analysierte Volumen ist je nach Beschleunigungsspannung sehr klein (ca. 1 μm³). Sekundärelektronen (Morphologie/Topographie) und rückgestreute Primärelektronen (Verteilung der mittleren atomaren Ordnungszahl) liefern Bildinformationen, während die charakteristische Röntgenstrahlung zur qualitativen oder quantitativen Elementanalytik genutzt wird. Hierbei ist sowohl die Wellenlänge als auch die Energie der charakteristischen Röntgenstrahlung spezifisch für jedes in der Probe enthaltene chemische Element. Die JEOL JXA-8530F ist mit einem energiedispersiven Analysesystem (EDX), mit wellenlängendispersiven Spektrometern (WDX) und dem SXES ausgerüstet. Das EDX wird vor allem zur schnellen qualitativen Elementanalyse genutzt. Die quantitativen Analysen werden wegen der besseren spektralen Auflösung mit den WDX-Spektrometern durchgeführt, wobei verschiedene Analysatorkristalle unterschiedliche Bereiche des Spektrums abdecken. Der Flansch für Kanal 2 ist momentan mit dem SXES belegt. Das SXES hat eine hohe Energieauflösung und ermöglicht die gleichzeitige Messung im niederenergetischen Bereich zur Messung leichter Elemente von Lithium bis Bor. Statt des SXES kann gegebenenfalls ein fünftes WDX-Spektrometer (TAP, LIF) installiert werden.

Die momentane Konfiguration der einzelnen Kanäle ist im Folgenden aufgelistet:

• Kanal 1: TAP, PET, LDE1, LDE2
• Kanal 2: SXES
• Kanal 3: PETL, LIFL
• Kanal 4: TAPH, PETH
• Kanal 5: PETH, LIFH

Bei der quantitativen WDX-Analyse ist die gemessene Intensität der charakteristischen Röntgenstrahlung eines Elements proportional zur Elementkonzentration in der Probe. Dazu wird die Intensität in der Probe mit der Intensität eines Standards mit bekannter Zusammensetzung verglichen. Es steht eine Vielzahl an Standardmaterialien (Minerale, Metalle, Gläser und synthetische Verbindungen) zur Verfügung, welche quantitative Messungen erst ermöglichen. Auch die Analyse von Spurenelementen im ppm-Bereich ist durch optimierte Messroutinen möglich (Beispiel: Nachweisgrenzen von 20 ppm Pd in einer Sulfidmatrix).
Es können sowohl Punkte, Linien als auch Flächen der Probenoberfläche analysiert werden. Die Messung der charakteristischen Röntgenstrahlung auf einer Fläche ermöglicht die Anfertigung von Verteilungsbildern („mapping“) einzelner Elemente sowohl mittels WDX oder EDX als auch in Kombination. Ein Elementverteilungsbild ist insbesondere bei zonierten Mineralphasen interessant.
Rascheres Auffinden der gewünschten Koordinaten wird durch Verknüpfung mit einem PC-gesteuerten Lichtmikroskop („Pointlogger“) ermöglicht. Die Vorteile des Pointloggers bestehen in einer wesentlichen Zeitersparnis. Darüber hinaus ist die Mikrosonde mit einem sogenannten „Specimen-Navigator“ ausgestattet, der das Navigieren auf der Probenoberfläche mittels eingescanntem Bild ermöglicht.

Aktuelle Anwendungsbeispiele:

• Mineralogie und Spurenelementgehalte von Sulfidvorkommen im Indischen Ozean
• Spurenelemente (Ga, Ge, In) in Sulfiden aus Cu-Pb-Zn-Lagerstätten
• Charakterisierung von Platingruppenmineralphasen (PGM) in Gesteinen, Erzen, Konzentraten und Seifen
• Genese, Stoffkreislauf und Aufbereitungsoptimierung von oxidierten Platinerzen
• Chemische Zusammensetzung in Einzellagen von Manganknollen
• Charakterisierung und Wertstoffgehalte von Reststoffen in Bergbauhalden und Schlackenrückständen als potentielle Rohstoffquellen
• Herkunftsnachweis von mineralischen Rohstoffen, z.B. Tantal-, Zinn- und Wolframerze
• Charakterisierung von Referenzmaterialien