Princípios de funcionamento e aplicações

A microssonda electrónica é um equipamento que permite determinar a composição química de um pequeno volume, quase pontual, de uma amostra, utilizando a interacção de um feixe de electrões acelerados com o material a analisar. O feixe electrónico é focado no ponto escolhido da superfície polida da amostra por um conjunto de lentes electromagnéticas e a interacção dos electrões do feixe com o pequeníssimo volume do material onde incide vai produzir raios X com comprimentos de onda característicos dos átomos dos elementos excitados.

Para investigar a presença de determinado elemento no volume analisado procura detectar-se radiação X de um comprimento de onda característico desse elemento, e a intensidade da radiação será proporcional à concentração do elemento. Esta técnica analítica é sensível e tem uma elevada resolução espacial. Adicionalmente, a microssonda electrónica pode funcionar como um microscópio electrónico de varrimento permitindo obter imagens altamente ampliadas da superfície da amostra. Esta técnica, que permite a detecção de todos os elementos excepto H, He e Li, utiliza a energia dos electrões do feixe incidente para ionizar átomos no volume analisado, retirando-lhes electrões dos orbitais mais internos, ligados ao núcleo com maior energia. A radiação emitida quando electrões de orbitais mais externos “saltam” para preencher as lacunas resultantes é da gama dos raios X, correspondendo exactamente à diferença entre as energias dos orbitais inicial e final, que é característica de cada elemento químico.

Uma microssonda electrónica típica tem os componentes representados no esquema seguinte. O feixe electrónico é produzido por um canhão de electrões constituído por um fio de tungsténio dobrado em V e aquecido electricamente a uma temperatura de cerca de 2700 K (que emite electrões pelo vértice do V) situado no topo da coluna electrónica.

Os electrões assim produzidos são acelerados por um campo eléctrico regulável de 5 a 30 KV, e focados no ponto desejado da amostra por um conjunto de lentes electromagnéticas que podem colimar o feixe até um diâmetro de 0,1 mm. O volume da

área de interacção de um feixe tão fino com a amostra é tipicamente de 1 a 9 mm3, o que permite a obtenção de composições muito localizadas.

Fig.9.3.1.1. Diagrama de blocos de uma microssonda electrónica (adaptado do “site”

http://probelab.geo.umn.edu/electron_microprobe.html da University of Minnesota)

O processo de ionização de camada interna, que gera os raios X característicos, produz electrões secundários, de baixa energia. Os que são libertados muito próximo da superfície da amostra podem escapar dela e, por isso, representam bem a topografia da superfície. A detecção destes electrões secundários permite assim a obtenção de imagens da superfície pela técnica da microscopia electrónica de varrimento.

Uma percentagem dos electrões do feixe incidente são como que “reflectidos” (“backscattered”) e podem ser detectados quando reemergem da superfície. A energia destes electrões é controlada pelo número atómico dos átomos presentes no volume de interacção. Em elementos pesados muitos electrões são reflectidos de forma quase elástica, retendo praticamente toda a sua energia. Em elementos mais leves as trajectórias dos electrões reenviados para trás apresentam pequenas deflexões e sofrem várias colisões que lhes retiram energia, antes de reemergirem. Este efeito é usado para produzir imagens chamadas “backscattered electron images” (BSE images) que também dão alguma informação composicional qualitativa. A intensidade da radiação BSE é, em primeira aproximação, função da composição química (quanto mais brilhante é uma

Coluna Electrónica Câmara de Amostras Detector de Electrões Secundários Detector de Electrões Retro-deflectidos Espectrómetros de Dispersão de Comprimento de Onda

Microscópio de Luz Visível

Espectrómetro de Dispersão de Energia

área, maior o número atómico médio dos átomos presentes nessa área relativamente aos presentes nas área adjacentes).

Os raios X característicos podem ser descritos como partículas (fotões) ou ondas electromagnéticas e podem ser detectados respectivamente pela sua energia ou pelo seu comprimento de onda. As microssondas electrónicas estão equipadas com um espectrómetro de dispersão de energia (“energy-dispersive spectrometre” – EDS) que detecta e mede electronicamente a energia dos fotões, e com vários espectrómetros de dispersão de comprimento de onda (“wavelenght-dispersive spectrometre” – WDS), que usam a dispersão para separar os raios X dos vários comprimentos de onda. Nos espectrómetros de dispersão de comprimento de onda é um cristal que dispersa os raios X e, regulando as posições relativas da amostra, cristal e detector, orienta-se a rede cristalina do cristal de forma a deflectir para o detector apenas um comprimento de onda particular de entre os existentes no feixe incidente. Assim orientado o espectrómetro WD está “sintonizado” para um comprimento de onda específico de cada vez.

O espectrómetro de dispersão de energia utiliza-se para análises qualitativas rápidas dos elementos maiores presentes numa amostra e das suas concentrações relativas aproximadas, não sendo suficientemente sensível para discriminar elementos menores ou traço. Os espectrómetros de dispersão de comprimento de onda são mais precisos permitindo a detecção de elementos presentes em concentrações mínimas variando entre 300 e 30 ppm, dependendo da amostra. O “mapeamento” de elementos traço é virtualmente impossível.

A análise quantitativa usa um método comparativo que passa pela medição da radiação X característica nas mesmas condições de operação, na amostra e num padrão bem conhecido. A resolução espacial de uma análise química é função da composição (em materiais de elevado número atómico a dispersão é menor que em materiais leves) e da tensão de aceleração (quanto maior for esta, maior o volume de interação).