XPS測(cè)試儀器設(shè)計(jì)與最早期的實(shí)驗(yàn)儀器相比，有了非常明顯的進(jìn)展，但是所有的現(xiàn)代XPS測(cè)試儀器都基于相同的構(gòu)造：進(jìn)樣室、超高真空系統(tǒng)、X射線激發(fā)源、離子源、電子能量分析器、檢測(cè)器系統(tǒng)、荷電中和系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)等組成。這些部件都包含在一個(gè)超高真空（Ultra High Vacuum，簡(jiǎn)稱為UHV）封套中，通常用不銹鋼制造，一般用μ金屬作電磁屏蔽。下面對(duì)儀器各部件構(gòu)造及功能進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

圖1是 美國(guó)Thermo ESCALAB 250XI 型多功能電子能譜儀的外形圖。

一、超高真空系統(tǒng)

超高真空系統(tǒng)是進(jìn)行現(xiàn)代表面分析及研究的主要部分。XPS譜儀的激發(fā)源，樣品分析室及探測(cè)器等都安裝在超高真空系統(tǒng)中。通常超高真空系統(tǒng)的真空室由不銹鋼材料制成，真空度優(yōu)于1×10-9 托。在X射線光電子能譜儀中必須采用超高真空系統(tǒng)，原因是(1)使樣品室和分析器保持一定的真空度，減少電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中同殘留氣體分子發(fā)生碰撞而損失信號(hào)強(qiáng)度；(2) 降低活性殘余氣體的分壓。因在記錄譜圖所必需的時(shí)間內(nèi)，殘留氣體會(huì)吸附到樣品表面上，甚至有可能和樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而影響電子從樣品表面上發(fā)射并產(chǎn)生外來(lái)干擾譜線。

一般XPS采用三級(jí)真空泵系統(tǒng)。前級(jí)泵一般采用旋轉(zhuǎn)機(jī)械泵或分子篩吸附泵，極限真空度能達(dá)到10-2Pa；采用油擴(kuò)散泵或分子泵，可獲得高真空，極限真空度能達(dá)到10-8Pa；而采用濺射離子泵和鈦升華泵，可獲得超高真空，極限真空度能達(dá)到10-9Pa。這幾種真空泵的性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)各自的需要進(jìn)行組合?，F(xiàn)在新型X射線光電子能譜儀，普遍采用機(jī)械泵-分子泵-濺射離子泵-鈦升華泵系列，這樣可以防止擴(kuò)散泵油污染清潔的超高真空分析室。標(biāo)準(zhǔn)的AXIS Ultra DLD就是利用這樣的泵組合。樣品處理室（Smaple Treatment Center,簡(jiǎn)稱為STC）借助于一個(gè)為油擴(kuò)散泵所后備的渦輪分子泵進(jìn)行抽真空。樣品分析室（Sample Analysis Center,簡(jiǎn)稱為SAC）借助于一個(gè)離子泵和附加于其上的鈦升華泵（TSP）來(lái)抽空。

二、快速進(jìn)樣室

為了保證在不破壞分析室超高真空的情況下能快速進(jìn)，X射線光電子能譜儀多配備有快速進(jìn)樣室。快速進(jìn)樣室的體積很小，以便能在40～50分鐘內(nèi)能達(dá)到10-7托的高真空。

三、X射線激發(fā)源

XPS中最簡(jiǎn)單的X射線源，就是用高能電子轟擊陽(yáng)極靶時(shí)發(fā)出的特征X射線。通常采用Al Kα（光子能量為1486.6eV）和Mg Kα（光子能量為1253.8eV）陽(yáng)極靶，它們具有強(qiáng)度高，自然寬度?。ǚ謩e為830meV和680meV）的特點(diǎn)。這樣的X 射線是由多種頻率的X 射線疊加而成的。為了獲得更高的觀測(cè)精度，實(shí)驗(yàn)中常常使用石英晶體單色器（利用其對(duì)固定波長(zhǎng)的色散效果），將不同波長(zhǎng)的X射線分離，選出能量最高的X射線。這樣做有很多好處，可降低線寬到0.2 eV，提高信號(hào)/本底之比，并可以消除X射線中的雜線和韌致輻射。但經(jīng)單色化處理后，X射線的強(qiáng)度大幅度下降。

四、離子源

離子源是用于產(chǎn)生一定能量、一定能量分散、一定束斑和一定強(qiáng)度的離子束。在XPS中，配備的離子源一般用于樣品表面清潔和深度剖析實(shí)驗(yàn)。在XPS譜儀中，常采用Ar離子源。它是一個(gè)經(jīng)典的電子轟擊離子化源，氣體被放入一個(gè)腔室并被電子轟擊而離子化。Ar離子源又可分為固定式和掃描式。固定式Ar離子源，將提供一個(gè)使用靜電聚焦而得到的直徑從125μm到mm量級(jí)變化的離子束。由于不能進(jìn)行掃描剝離，對(duì)樣品表面刻蝕的均勻性較差，僅用作表面清潔。對(duì)于進(jìn)行深度分析用的離子源，應(yīng)采用掃描式Ar離子源，提供一個(gè)可變直徑（直徑從35μm到mm量級(jí)）、高束流密度和可掃描的離子束，用于精確的研究和應(yīng)用。

五、荷電中和系統(tǒng)

用XPS測(cè)定絕緣體或半導(dǎo)體時(shí)，由于光電子的連續(xù)發(fā)射而得不到足夠的電子補(bǔ)充，使得樣品表面出現(xiàn)電子“虧損”，這種現(xiàn)象稱為“荷電效應(yīng)”。 荷電效應(yīng)將使樣品出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的表面電勢(shì)VS，它對(duì)光電子逃離有束縛作用，使譜線發(fā)生位移，還會(huì)使譜鋒展寬、畸變。因此XPS中的這個(gè)裝置可以在測(cè)試時(shí)產(chǎn)生低能電子束，來(lái)中和試樣表面的電荷，減少荷電效應(yīng)。

六、能量分析器

能量分析器的功能是測(cè)量從樣品中發(fā)射出來(lái)的電子能量分布，是X射線光電子能譜儀的核心部件。常用的能量分析器，基于電（離子）在偏轉(zhuǎn)場(chǎng)（常用靜電場(chǎng)而不再是磁場(chǎng)）或在減速場(chǎng)產(chǎn)生的勢(shì)壘中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。通常，能量分析器有兩種類型，半球型分析器和筒鏡型能量分析器。 半球型能量分析器由于對(duì)光電子的傳輸效率高和能量分辯率好等特點(diǎn)，多用在XPS譜儀上。 而筒鏡型能量分析器由于對(duì)俄歇電子的傳輸效率高，主要用在俄歇電子能譜儀上。對(duì)于一些多功能電子能譜儀，由于考慮到XPS和AES的共用性和使用的側(cè)重點(diǎn)，選用能量分析器的主要依據(jù)是哪一一種分析方法為主。以XPS為主的采用半球型能量分析器，而以俄歇為主的則采用筒鏡型能量分析器。

七、檢測(cè)器系統(tǒng)

光電子能譜儀中被檢測(cè)的電子流非常弱，一般在10－１３A／s～10－１９A／s，所以現(xiàn)在多采用電子倍增器加計(jì)數(shù)技術(shù)。電子倍增器主要有兩種類型：?jiǎn)瓮ǖ离娮颖对銎骱投嗤ǖ离娮訖z測(cè)器。單通道電子倍增器可有106～109 倍的電子增益。為提高數(shù)據(jù)采集能力，減少采集時(shí)間，近代XPS譜儀越來(lái)越多地采用多通道電子檢測(cè)器。最新應(yīng)用于光電子能譜儀的延遲線檢測(cè)器（Delay Line Detector，簡(jiǎn)稱為DLD），采用多通道電子檢測(cè)器，尤其在微區(qū)（10μm左右）分析時(shí)，可以大大提高收譜和成像的靈敏度。

八、成像XPS

表面分析時(shí)的成像XPS可以提供表面相鄰區(qū)中空間分布的元素和化學(xué)信息。對(duì)使用其他表面技術(shù)難以分析的樣品而言，成像XPS是特別有用途的。這包括從微米到毫米尺度范圍內(nèi)非均勻材料、絕緣體、電子束轟擊下易損傷的材料或要求了解化學(xué)態(tài)在其中如何分布的材料。在成像XPS中，除了提供元素和化學(xué)態(tài)分布外，還能用于標(biāo)出覆蓋層稠密度，以估算X射線或離子束斑大小和位置，或檢驗(yàn)儀器中電子光學(xué)孔徑的準(zhǔn)直。因而成像XPS成為能得到空間分布信息的常規(guī)應(yīng)用方法。

XPS成像把小面積能譜的接收與非均質(zhì)樣品的光電子成像結(jié)合起來(lái)，可以在接近15μm的空間分辨率下通過(guò)連續(xù)掃描的方法采集。商品化的儀器現(xiàn)在組合了成像和小束斑譜采集的能力，能夠在微米尺度上進(jìn)行微小特征的表面化學(xué)分析。該技術(shù)的未來(lái)方向是在更小的區(qū)域內(nèi)達(dá)到更高的計(jì)數(shù)率，將XPS成像推向真正的亞微米化學(xué)表征技術(shù)。

九、數(shù)據(jù)系統(tǒng)

X射線電子能譜儀的數(shù)據(jù)采集和控制十分復(fù)雜，涉及大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、分析和處理。數(shù)據(jù)系統(tǒng)由在線實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件組成。鑠思百檢測(cè)在線計(jì)算機(jī)可對(duì)譜儀進(jìn)行直接控制并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可由數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)處理，并結(jié)合能譜數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取對(duì)檢測(cè)樣品的定性和定量分析知識(shí)。常用的數(shù)學(xué)處理方法有譜線平滑，扣背底，扣衛(wèi)星峰，微分，積分，準(zhǔn)確測(cè)定電子譜線的峰位、半高寬、峰高度或峰面積（強(qiáng)度），以及譜峰的解重疊（Peak fitting）和退卷積，譜圖的比較等。當(dāng)代的軟件程序包含廣泛的數(shù)據(jù)分析能力，復(fù)雜的峰型可在數(shù)秒內(nèi)擬合出來(lái)。