इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब

एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब (ईएमपी), जिसे इलेक्ट्रॉन जांच माइक्रोएनालाइजर (ईपीएमए) या इलेक्ट्रॉन माइक्रो जांच विश्लेषक (ईएमपीए) के रूप में भी जाना जाता है, एक विश्लेषणात्मक उपकरण है जिसका उपयोग गैर-विनाशकारी रूप से ठोस पदार्थों की छोटी मात्रा की रासायनिक संरचना को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। यह एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के समान काम करता है: नमूने पर एक इलेक्ट्रॉन बीम के साथ बमबारी की जाती है, जो तरंग दैर्ध्य पर एक्स-रे का उत्सर्जन करती है, जिसका विश्लेषण किया जा रहा है। यह छोटे नमूना संस्करणों (सामान्यतः 10-30 क्यूबिक माइक्रोमीटर या उससे कम) के भीतर उपस्थित  तत्वों की प्रचुरता को निर्धारित करने में सक्षम बनाता है, जब 15-20 केवी के पारंपरिक त्वरित वोल्टेज का उपयोग किया जाता है। लिथियम से प्लूटोनियम तक तत्वों की सांद्रता को 100 भागों प्रति मिलियन (पीपीएम) के स्तर पर मापा जा सकता है, पदार्थ निर्भर है, चूंकि  देखभाल के साथ, 10 पीपीएम से नीचे के स्तर संभव हैं। ईपीएमए द्वारा लिथियम की मात्रा निर्धारित करने की क्षमता 2008 में एक वास्तविकता बन गई।

इतिहास
इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब, जिसे इलेक्ट्रॉन जांच माइक्रोएनालाइज़र के रूप में भी जाना जाता है, दो तकनीकों का उपयोग करके विकसित किया गया है: इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी - एक लक्ष्य पदार्थ के साथ बातचीत करने के लिए एक केंद्रित उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग, और एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी - इलेक्ट्रॉन बीम से उत्पन्न फोटॉनों की पहचान घटना इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्तेजित परमाणुओं की विशेषता होने वाले फोटॉन की ऊर्जा/तरंग दैर्ध्य के साथ लक्ष्य के साथ बातचीत। अर्नेस्ट रसा और मैक्स नॉल के नाम 1931 में पहले प्रोटोटाइप इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से जुड़े हैं। हेनरी मोस्ले का नाम एक्स-रे की तरंग दैर्ध्य और उस परमाणु की पहचान के बीच सीधे संबंध की खोज से जुड़ा है जिससे इसकी उत्पत्ति हुई थी।. इलेक्ट्रॉन बीम सूक्ष्मविश्लेषणात्मक तकनीक के कई ऐतिहासिक सूत्र रहे हैं। एक आरसीए में जेम्स हिलियर और रिचर्ड बेकर द्वारा विकसित किया गया था। 1940 के दशक की शुरुआत में, उन्होंने एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप और एक ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रोमीटर के संयोजन से एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब का निर्माण किया। 1944 में एक पेटेंट आवेदन दायर किया गया था। इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रकाश तत्व विश्लेषण के लिए बहुत अच्छा है और उन्होंने C-Kα, N-Kα और O-Kα विकिरण के स्पेक्ट्रा प्राप्त किए। 1947 में, हिलर ने विश्लेषणात्मक एक्स-रे का उत्पादन करने के लिए एक इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करने के विचार का पेटेंट कराया, लेकिन कभी भी एक कामकाजी मॉडल का निर्माण नहीं किया। विशिष्ट एक्स-रे तरंग दैर्ध्य और एक डिटेक्टर के रूप में एक फोटोग्राफिक प्लेट का चयन करने के लिए एक फ्लैट क्रिस्टल से ब्रैग विवर्तन का उपयोग करने का उनका डिजाइन प्रस्तावित है। चूँकि, RCA को इस आविष्कार के व्यावसायीकरण को आगे बढ़ाने में कोई रोचक ी नहीं थी।

1940 के अंत में फ्रांस में एक दूसरा धागा विकसित हुआ। 1948-1950 में, :fr:Raimond Castaing, André Guinier की देखरेख में, Office National d'études et de recherches aérospatiales में पहला इलेक्ट्रॉन "microsonde électronique" (इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब) बनाया। इस माइक्रोप्रोब ने ~ 10 नैनोएम्पीयर (nA) के बीम करंट के साथ 1-3 माइक्रोन का एक इलेक्ट्रॉन बीम व्यास का उत्पादन किया और नमूने से उत्पादित एक्स-रे का पता लगाने के लिए एक गीजर काउंटर का उपयोग किया। चूंकि, गीजर काउंटर विशिष्ट तत्वों से उत्पन्न एक्स-रे को अलग नहीं कर सका और 1950 में, कास्टिंग ने तरंगदैर्घ्य भेदभाव की अनुमति देने के लिए नमूना और डिटेक्टर के बीच एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल जोड़ा। बीम प्रभाव के बिंदु को देखने के लिए उन्होंने एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप भी जोड़ा। परिणामी माइक्रोप्रोब कास्टेइंग के 1951 के पीएचडी थीसिस में वर्णित किया गया था, पोल डुवेज़ और डेविड विट्री द्वारा अंग्रेजी में अनुवादित, जिसमें उन्होंने अवशोषण और प्रतिदीप्ति प्रभावों के मैट्रिक्स सुधार के लिए सैद्धांतिक ढांचे की स्थापना करते हुए, इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब द्वारा मात्रात्मक विश्लेषण के सिद्धांत और अनुप्रयोग की नींव रखी। Castaing (1921-1999) को इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब विश्लेषण का जनक माना जाता है।

1949 में डेल्फ़्ट में पहले यूरोपीय माइक्रोस्कोपी सम्मेलन में कास्टिंग की प्रस्तुतियों के बाद, 1950 का दशक इलेक्ट्रॉन बीम एक्स-रे माइक्रोएनालिसिस में बहुत रुचि का दशक था। और फिर इलेक्ट्रॉन भौतिकी पर राष्ट्रीय मानक ब्यूरो सम्मेलन में 1951 में वाशिंगटन, डीसी में, साथ ही साथ 1950 के दशक के मध्य में अन्य सम्मेलनों में। कई शोधकर्ता, मुख्य रूप से भौतिक वैज्ञानिक, अपने स्वयं के प्रयोगात्मक इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब विकसित करना प्रारंभ करते हैं, कभी-कभी खरोंच से प्रारंभ  करते हैं, लेकिन कई बार अधिशेष इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हैं।

डेल्फ़्ट 1949 इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी सम्मेलन के आयोजकों में से एक कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय में कैवेंडिश प्रयोगशाला में वर्नोन एलिस कोस्लेट  थे, जो इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी पर शोध का एक केंद्र है, साथ ही चार्ल्स ओटले के साथ-साथ बिल निक्सन के साथ एक्स-रे माइक्रोस्कोपी के साथ स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी। पीटर डनकुंब ने सभी तीन तकनीकों को संयोजित किया और अपनी पीएचडी थीसिस परियोजना (प्रकाशित 1957) के रूप में एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन एक्स-रे माइक्रोएनालाइज़र विकसित किया, जिसका कैम्ब्रिज माइक्रोस्कैन उपकरण के रूप में व्यावसायीकरण किया गया था।

पोल डुवेज़, बेल्जियम के भौतिक वैज्ञानिक, जो नाजियों से भाग गए और कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में बस गए और जेसी ड्यूमोंड के साथ सहयोग किया, 1952 में यूरोप में एक ट्रेन में आंद्रे गिनीयर से मिले, जहां उन्होंने कास्टिंग के नए उपकरण और कैल्टेक के सुझाव के बारे में जाना। समान साधन। डेविड विट्री को उनकी पीएचडी थीसिस जैसे उपकरण के निर्माण के लिए काम पर रखा गया था, जिसे उन्होंने 1957 में पूरा किया। यह ARL का प्रोटोटाइप बन गया। ईएमएक्स इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब।

1950 के दशक के अंत और 1960 के दशक के प्रारंभ में उत्तरी अमेरिका, यूनाइटेड किंगडम, यूरोप, जापान और यूएसएसआर में एक दर्जन से अधिक अन्य प्रयोगशालाएँ थीं जो इलेक्ट्रॉन बीम एक्स-रे माइक्रोएनालाइज़र विकसित कर रही थीं।

पहला वाणिज्यिक इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब, MS85 1956 में CAMECA (फ्रांस) द्वारा निर्मित किया गया था।. 1960 के दशक के मध्य में अन्य कंपनियों के कई माइक्रोप्रोब द्वारा जल्द ही इसका पालन किया गया; चूँकि, CAMECA, JEOL और Shimadzu Corporation को छोड़कर सभी कंपनियां अब व्यवसाय से बाहर हो गई हैं। इसके अतिरिक्त , कई शोधकर्ता अपनी प्रयोगशालाओं में इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब का निर्माण करते हैं। माइक्रोप्रोब में महत्वपूर्ण बाद के सुधारों और संशोधनों में एक्स-रे मैप्स (1960) बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन बीम को स्कैन करना, ठोस अवस्था ईडीएस डिटेक्टरों (1968) को जोड़ना और प्रकाश तत्वों (1984) के विश्लेषण के लिए सिंथेटिक मल्टीलेयर डिफ्रेक्टिंग क्रिस्टल का विकास सम्मलित है। बाद में, CAMECA परमाणु रिएक्टर अनुप्रयोगों के लिए इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब के परिरक्षित संस्करण के निर्माण में भी अग्रणी बन गया। पिछले दशकों में CAMECA उपकरणों में कई नई प्रगति ने उन्हें धातु विज्ञान,  इलेक्ट्रानिक्स , भूविज्ञान, खनिज विज्ञान, परमाणु संयंत्रों, तत्वों का पता लगाने, दंत चिकित्सा आदि पर अपने अनुप्रयोगों की सीमा का विस्तार करने की अनुमति दी।

कार्य
एक नमूने पर इलेक्ट्रॉनों के एक बीम को निकाल दिया जाता है। बीम नमूने में प्रत्येक तत्व को एक विशिष्ट आवृत्ति पर एक्स-रे उत्सर्जित करने का कारण बनता है; तब एक्स-रे का पता इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब द्वारा लगाया जा सकता है। इलेक्ट्रॉन बीम का आकार और धारा घनत्व संकल्प और स्कैन समय और/या विश्लेषण समय के बीच व्यापार-बंद को निर्धारित करता है।

विस्तृत विवरण
कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन एक टंगस्टन फिलामेंट, एक लेण्टेनियुम हेक्साबोराइड  क्रिस्टल कैथोड या एक क्षेत्र उत्सर्जन इलेक्ट्रॉन स्रोत से उत्पन्न होते हैं और एक सकारात्मक पक्षपाती एनोड प्लेट द्वारा 3 से 30 हजार इलेक्ट्रॉन वोल्ट (केवी) तक त्वरित होते हैं। एनोड प्लेट में केंद्रीय छिद्र होता है और इसके माध्यम से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों को चुंबकीय लेंस और एपर्चर की एक श्रृंखला द्वारा समतल और केंद्रित किया जाता है। परिणामी इलेक्ट्रॉन बीम (लगभग 5 एनएम से 10 माइक्रोन व्यास) को पूरे नमूने में रेखापुंज किया जा सकता है या नमूने में विभिन्न प्रभावों की उत्तेजना उत्पन्न  करने के लिए स्पॉट मोड में उपयोग किया जा सकता है। इन प्रभावों में सम्मलित  हैं: फोनन उत्तेजना (गर्मी), कैथोडोल्यूमिनेसेंस (दृश्यमान प्रकाश प्रतिदीप्ति), सातत्य एक्स-रे विकिरण (ब्रेकिंग विकिरण), विशिष्ट एक्स-रे विकिरण, द्वितीयक इलेक्ट्रॉन (plasmon उत्पादन), पश्चप्रकीर्ण इलेक्ट्रॉन उत्पादन, और बरमा इलेक्ट्रॉन उत्पादन।

जब बीम इलेक्ट्रॉन (और नमूने से बिखरे हुए इलेक्ट्रॉन) नमूने में विभिन्न तत्वों के परमाणुओं के अंतरतम इलेक्ट्रॉन गोले में बाध्य इलेक्ट्रॉनों के साथ बातचीत करते हैं, तो वे उस खोल (आयनीकरण) में एक रिक्ति उत्पन्न करने वाले इलेक्ट्रॉन खोल से बाध्य इलेक्ट्रॉनों को तितर-बितर कर सकते हैं। परमाणु का)। यह रिक्ति अस्थिर है और परमाणु में या तो एक उच्च ऊर्जा बाध्य खोल से एक इलेक्ट्रॉन द्वारा भरा जाना चाहिए (एक और रिक्ति का उत्पादन जो बदले में उच्च ऊर्जा बाध्य गोले से इलेक्ट्रॉनों द्वारा भरा जाता है) या कम ऊर्जा के अनबाउंड इलेक्ट्रॉनों द्वारा। इलेक्ट्रॉन शेल जिसमें रिक्ति उत्पन्न हुई थी और जिस शेल से इलेक्ट्रॉन रिक्ति को भरने के लिए आता है, के बीच बाध्यकारी ऊर्जा में अंतर एक फोटॉन के रूप में उत्सर्जित होता है। फोटोन की ऊर्जा विद्युत चुम्बकीय वर्णक्रम के एक्स-रे क्षेत्र में है। जैसा कि प्रत्येक तत्व की इलेक्ट्रॉन संरचना अद्वितीय है, अंतरतम गोले में रिक्तियों द्वारा उत्पादित श्रृंखला एक्स-रे लाइन ऊर्जा उस तत्व की विशेषता है, चूंकि  विभिन्न तत्वों की रेखाएं ओवरलैप हो सकती हैं। चूंकि अंतरतम गोले सम्मलित  होते हैं, एक्स-रे लाइन ऊर्जा सामान्यतः  कम परमाणु संख्या (जेड) तत्वों (बी, सी, एन, ओ और एफ को छोड़कर यौगिकों में तत्वों के बीच बंधन द्वारा उत्पन्न रासायनिक प्रभावों से प्रभावित नहीं होती है।alpha और K के लिए Al से Clbeta) जहां इलेक्ट्रॉन खोल की भागीदारी के परिणामस्वरूप लाइन ऊर्जा को स्थानांतरित किया जा सकता है जिससे रासायनिक बंधन में रिक्तियां भरी जाती हैं।

रासायनिक विश्लेषण के लिए विशेषता एक्स-रे का उपयोग किया जाता है। विशिष्ट एक्स-रे तरंग दैर्ध्य या ऊर्जा का चयन और गणना की जाती है, या तो तरंग दैर्ध्य फैलानेवाला एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (डब्ल्यूडीएस) या ऊर्जा फैलाने वाला एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस) द्वारा। WDS क्रिस्टल से ब्रैग विवर्तन का उपयोग रुचि के एक्स-रे तरंग दैर्ध्य का चयन करने और उन्हें गैस-प्रवाह या सील आनुपातिक डिटेक्टरों के लिए निर्देशित करने के लिए करता है। इसके विपरीत, ईडीएस नमूने से उत्पादित सभी तरंग दैर्ध्य की एक्स-रे जमा करने के लिए एक ठोस राज्य अर्धचालक डिटेक्टर का उपयोग करता है। जबकि ईडीएस अधिक जानकारी प्रदान करता है और सामान्यतः बहुत कम गिनती समय की आवश्यकता होती है, डब्लूडीएस सामान्यतः  पहचान की कम सीमाओं के साथ एक अधिक यथार्थ  तकनीक है क्योंकि इसका बेहतर एक्स-रे पीक रिज़ॉल्यूशन और बैकग्राउंड अनुपात के लिए अधिक पीक है।

ज्ञात संरचना (मानकों) से तीव्रता के साथ नमूना पदार्थ से विशेषता एक्स-रे की तीव्रता की तुलना करके रासायनिक संरचना निर्धारित की जाती है। मैट्रिक्स प्रभाव (एक्स-रे के उत्पादन की गहराई, अवशोषण (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) और द्वितीयक प्रतिदीप्ति  ) मात्रात्मक रासायनिक रचनाओं का उत्पादन करने के लिए। परिणामी रासायनिक जानकारी को बनावट के संदर्भ में एकत्र किया जाता है। एक पदार्थ (ज़ोनिंग) के भीतर रासायनिक संरचना में बदलाव, जैसे खनिज अनाज या धातु, आसानी से निर्धारित किया जा सकता है।

जिस मात्रा से रासायनिक जानकारी एकत्र की जाती है (एक्स-रे उत्पादन की मात्रा) 0.3 - 3 क्यूबिक माइक्रोमीटर है।

सीमाएं

 * WDS उच्च परमाणु संख्याओं के लिए उपयोगी है, इसलिए WDS संख्या 3 (लिथियम) से नीचे के तत्वों का निर्धारण नहीं कर सकता है। यह सीमा H, Li, और Be जैसे भूवैज्ञानिक रूप से महत्वपूर्ण तत्वों का विश्लेषण करते समय WDS पर प्रतिबंध लगाती है। * प्राथमिक चोटियों के बेहतर वर्णक्रमीय रिज़ॉल्यूशन के बावजूद, कुछ चोटियाँ महत्वपूर्ण ओवरलैप प्रदर्शित करती हैं जिसके परिणामस्वरूप विश्लेषणात्मक चुनौतियाँ होती हैं (जैसे, VKα और TiKβ)। WDS विश्लेषण तत्वों की वैलेंस अवस्थाओं के बीच अंतर करने में सक्षम नहीं हैं (जैसे Fe2+ बनाम फ़े3+) जैसे कि यह जानकारी अन्य तकनीकों (जैसे मोसबाउर स्पेक्ट्रोस्कोपी या इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रोस्कोपी) द्वारा प्राप्त की जानी चाहिए। * एक तत्व (अर्थात् समस्थानिक) के कई द्रव्यमान WDS द्वारा निर्धारित नहीं किए जा सकते हैं, बल्कि मास स्पेक्ट्रोमेट्री के साथ सबसे अधिक प्राप्त किए जाते हैं।

पदार्थ विज्ञान और इंजीनियरिंग
तकनीक का उपयोग सामान्यतः धातुओं, मिश्र धातुओं, चीनी मिट्टी की चीज़ें और कांच की रासायनिक संरचना का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है। यह कुछ माइक्रोमीटर से मिलीमीटर के पैमाने पर अलग-अलग कणों या अनाज और रासायनिक परिवर्तनों की संरचना का आकलन करने के लिए विशेष रूप से उपयोगी है। इलेक्ट्रॉन माइक्रोप्रोब व्यापक रूप से अनुसंधान, गुणवत्ता नियंत्रण और विफलता विश्लेषण के लिए उपयोग किया जाता है।

खनिज विज्ञान और पेट्रोलॉजी
इस तकनीक का उपयोग सामान्यतः खनिज विज्ञानी और पेट्रोलॉजिस्ट द्वारा किया जाता है। अधिकांश चट्टानें छोटे खनिज अनाजों का समुच्चय हैं। ये अनाज अपने गठन और बाद के परिवर्तन के दौरान अपनाई गई रासायनिक जानकारी को संरक्षित कर सकते हैं। यह जानकारी भूगर्भीय प्रक्रियाओं, जैसे कि क्रिस्टलीकरण, लिथिफिकेशन, ज्वालामुखी, कायांतरण, ओरोजेनिक घटनाएं (पर्वत निर्माण), प्लेट टेक्टोनिक्स को रोशन कर सकती है। इस तकनीक का उपयोग अलौकिक चट्टानों (अर्थात  उल्कापिंड) के अध्ययन के लिए भी किया जाता है, और रासायनिक डेटा प्रदान करता है जो ग्रहों, क्षुद्रग्रहों और धूमकेतुओं के विकास को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।

किसी खनिज के केंद्र (कोर के रूप में भी जाना जाता है) से किनारे (या रिम) तक तात्विक संरचना में परिवर्तन से क्रिस्टल के गठन के इतिहास के बारे में जानकारी मिल सकती है, जिसमें आसपास के माध्यम का तापमान, दबाव और रसायन सम्मलित है। क्वार्ट्ज क्रिस्टल, उदाहरण के लिए, तापमान, दबाव और उनके वातावरण में उपलब्ध टाइटेनियम की मात्रा के एक समारोह के रूप में टाइटेनियम की एक छोटी, लेकिन औसत दर्जे की मात्रा को उनकी संरचना में सम्मलित  करते हैं। क्रिस्टल के बढ़ने पर इन मापदंडों में परिवर्तन टाइटेनियम द्वारा दर्ज किया जाता है।

जीवाश्म विज्ञान
असाधारण रूप से संरक्षित जीवाश्मों में, जैसे कि बर्गेस शेल के, जीवों के कोमल भागों को संरक्षित किया जा सकता है। चूंकि इन जीवाश्मों को अधिकांशतः एक 2डी फिल्म में संकुचित किया जाता है, इसलिए यह पता लगाना कठिन  हो सकता है कि कौन सी विशेषताएं क्या थीं: एक प्रसिद्ध उदाहरण ओबैबिनिया में त्रिकोणीय विस्तार है, जिसे पैर या आंत के विस्तार के रूप में व्याख्या किया गया था। एलिमेंटल मैपिंग ने दिखाया कि उनकी दूसरी व्याख्या के पक्ष में आंत के समान संरचना थी। कार्बन फिल्मों की पतली प्रकृति के कारण, ऐसे नमूनों में केवल कम वोल्टेज (5-15 केवी) का उपयोग किया जा सकता है।

उल्कापिंड विश्लेषण
EPMA तकनीक का उपयोग करके उल्कापिंडों की रासायनिक संरचना का बहुत अधिक यथार्थ  विश्लेषण किया जा सकता है। इससे कई साल पहले सौरमंडल में उपस्थित  स्थितियों के बारे में बहुत जानकारी मिल सकती है।

ऑनलाइन ट्यूटोरियल

 * उत्तरी एरिजोना विश्वविद्यालय में जिम विटके की कक्षा के नोट्स
 * विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय में जॉन फोरनेल के क्लास नोट्स
 * ओरेगन विश्वविद्यालय में जॉन डोनोवन की कक्षा के नोट्स

यह भी देखें

 * इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी
 * इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी

बाहरी संबंध

 * Electron Probe Laboratory, Hebrew University of Jerusalem - web page of a lab describing their modern EPMA
 * Electron Probe Laboratory, Hebrew University of Jerusalem - web page of a lab describing their modern EPMA

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