常规扫描电子显微镜的特点和发展

（3 ）常规 SE M 信号探头使用光电倍增管 放大原始成像信号，它对光、热非常敏感，因 此不能观察发光或高温样品。成像过程中观察 窗、照明器不能打开，给观察过程带来极大不 便［2 ］。
3 SEM 的发展
针对SE M 的缺陷，人们提出了各种解决 办法，其中以近年开发的环境扫描电子显微镜 （ESE M）技术最引人注目。
干蜀毅，男，讲师，主要从事真空技术与设备的教学与科研工作。
Char act eri sti cs and devel oP ment of conventi onal scanni n9 el ectr on mi cr oscoPe . Gal Sf uyi （Depart ment of precisi on i nstru ments ，Hef ei Uni versit y of Technology ，Hef ei ，230009 ）
织学报 2009(2)
4.朱琳 扫描电子显微镜及其在材料科学中的应用[期刊论文]-吉林化工学院学报（自然科学版） 2007(2) 5.韩桂泉.李京伟.苏晔.方新飞.严虎.唐叶平.沈兰.孙萃萃 扫描探针显微镜[期刊论文]-化工时刊
2006(12)
6.陈耀文.林月娟.张海丹.沈智威.沈忠英 扫描电子显微镜与原子力显微镜技术之比较[期刊论文]-中国体
The perf or mance and applicati ons of conventi onal scanni ng electron microscope（SEM）are li mited due to its wor ki ng pri nci ple and constructi on . To overcome its shortcomi ngs ，t wo si gnificant measures were taken i n t he process of t he develop ment of SEM. first ，t he sa mple cha mber was separated f or electron col u mn and t he vacuu m of t he cha mber was decreased ，t hus t he sa mple cha mber can sustai n pressures as hi gh as 103 pa . Second ，t he environ mental secondary detector （ESD）was i nvented . The ESDis i nsensiti ve to li ght and heat ，and can eli mi nate automalicall y t he charge accu mulati on on sa mple surf ace . These measures lead to t he advent of environ mental scanni ng microscope （ESEM）which is greatl y i m-
（1 ）样品必须干净、干燥。肮脏、潮湿的 样品会使仪器真空度下降，并可能在镜筒内各 狭缝、样品室壁上留下沉积物，从而降低成像 性能并给探头或电子枪造成损害。此限制使得 对各种各样的含水样品不能在自然状态下观 察。同样对挥发性样品也不能观察。
（2 ）样品必须有导电性。这是因为电子束 在与样品相互作用时，会在样品表面沉积相当 可观的电荷。若样品不导电，电荷累积所形成 的电场会使作为 SE M 成像信号的二次电子发 射状况发生变化，极端情况下甚至会使电子束 改变方 向 而 使 图 像 失 真。 因 此 观 察 绝 缘 样 品 时，必须采取各种措施来消除所沉积的电荷， 如在样品表面做导电性涂层或进行低压电荷平 衡。然而这些措施的采用，对仪器本身提出更 高要求，并使样品预处理变得繁琐、复杂。而 导电涂层又带来了新问题：涂层是否会显著地 改变样品外貌？涂层后的样品图像是涂层图像 而非样品图像，这两者是否完全相同？
分析仪器 ANALYTICAL INSTRUMENTATION 2000(1) 11次
参考文献(3条) 1.Johnson R 查看详情 1997 2.陆华 查看详情 1993(06) 3.Delain E 查看详情 1992
引证文献(11条)
1.叶仲新.陈育荣 光针式表面测量系统的研究[期刊论文]-湖北汽车工业学院学报 2009(4) 2.唐晓山 扫描电子显微镜在纳米材料研究中的应用[期刊论文]-哈尔滨职业技术学院学报 2009(4) 3.张红霞.陈雪善.刘芙蓉.祝成炎.谢建强 蜂窝状微孔结构纤维表面形态观察及其统计分析[期刊论文]-纺
参考文献
1 Delai n E et al . Microscopy Microanal ysis Microstructrue . 1992 ，（3 ）
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收稿日期：1999 -07 -09
视学与图像分析 2006(1)
7.李丽.王效安.刘臣宇 SEM在霉菌研究中的应用[期刊论文]-海军航空工程学院学报 2005(6) 8.唐晓山.屈菊兰 常见扫描电子显微镜图像的缺陷和解决方法[期刊论文]-湛江师范学院学报（自然科学
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9.戴敬 微流控分析系统中基本物理参数测量技术的研究[学位论文]博士 2005
为了保证初始电子束在打到样品表面前其 所含电子不被气体分子散射，电子束行进的整 个路径 需 处 于 高 真 空 状 态， 即 不 但 要 求 电 子 枪、镜筒内各处是高真空，而且样品室也必须 维持高真空状态，通常达10 -3 Pa［1 ］。
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分析仪器
2000 年第1 期
2 SEM 的缺陷
由于工作原理及结构上的一些限制，使常 规SE M 的 使 用 性 能 和 适 用 范 围 受 到 很 大 影 响。归纳起来，这些影响主要有：
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知识介绍
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常规扫描电子显微镜的特点和发展
干蜀毅
（合肥工业大学精密仪器系，合肥，230009 ）
摘 要 介绍了常规扫描电子显微镜（SEM）的工作原理、缺陷及采取的改进措施。由此发展起 来的环境扫描电子显微镜（ESE M）的性能已大幅度提高，其使用范围和领域大为扩展。
图2 ESEM 的设计简图
（2 ）对样品室真空度要求的降低，必然导 致镜筒底部至样品表面这段距离内初始电子束 电子被气体分子散射。这样一来，束电子是否 还能保持足够的成像信号强度？要回答这一问 题，有必要对电子束与气体分子间相互作用的 过程进行分析。
散射是一个离散的过程。单个电子与气体 分子碰撞发生散射的概率可按理想气体规律处 理。因此，在到达样品表面之前，每个电子的 碰撞次数是有限的且为整数。按照 poisson 分 布，结合理想气体定律可推导出一个电子完全 不散射概率方程为：
关键词 扫描电子显微镜 环境扫描电子显微镜 环境二次电子探头
1 仪器组成与工作原理
60 年代中期扫描电子显微镜（SE M）的 出现，使人类观察微小物质的能力有了质的飞 跃。相对于光学显微镜，SE M 在分辨率、景 深及微分析等方面具有巨大优越性，因而发展 迅速， 应 用 广 泛。 随 着 科 学 技 术 的 发 展， 使 SE M 的性能不断提高，使用的范围也逐渐扩 大。
P（O）= e-k1d!TV
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式中 P（O ）———一个电子完全不散射的概率 k ———一个与气体种类有关的常数 V ———束电子能量 P 、T 、d ———分别代表样品室的气体 压强、 温 度 及 电 子 束 在 气体中通过的 距 离（束 气路径长度）。
显然，P （O ）也可理解为未散射束电子 形成的有效成像电流与电子束总电流的比值。 由此式可知，若从结构上使 d 减小，样品室 压强较高时，仍然能获得较高的成像电流。这 一推论为 ESE M 的开发奠定了理论基础［3 ］。
图1 常规扫描电子显微镜组成简图
常规 SE M 由 以 下 基 本 部 分 组 成（见 图 1 ）：产生电子束的柱形镜筒，电子束与样品发 生相互作用的样品室，检测样品室所产生信号 的探头，以及将信号变图像的数据处理与显示 系统。
镜筒顶端电子枪发射出的电子由静电场引 导，沿镜筒向下加速。在镜筒中，通过一系列 电磁透镜将电子束聚焦并射向样品。靠近镜筒 底部，在样品表面上方，扫描线圈使电子束以 光栅扫描方式偏转。最后一级电磁透镜把电子 束聚焦成一个尽可能小的斑点射入样品，从而 激发出各种成像信号，其强弱随样品表面的形 貌和组成元素不同而变化。仪器（具有数字成 像能力）将探头送来的信号加以处理并送至显 示屏，即可显示出样品表面各点图像。
proved i n perf or mance and t here is nearl y no li mitati ons to its fiel d of applicati ons .
常规扫描电子显微镜的特点和： 年，卷(期)： 被引用次数：
干蜀毅， Gan Shuyi 合肥工业大学精密仪器系,合肥,230009
10.肖虹 激光干涉式大量程表面轮廓仪的研制[学位论文]硕士 2004
11.蒋建国 电子显微技术的现状与发展[期刊论文]-扬州教育学院学报 2003(3)
本文链接：/Periodical_fxyq200001014.aspx
像。由于不使用光电倍增管，故 ESE M 对光、 热不敏感。同时，当样品表面出现电荷积累时， 信号放大过程中所产生的正离子会被吸引到样 品表面，从而抑制了区域性电场，有效地消除了 由于样品表面电荷积累而引起的信号失真，使 得不导电的样品在自然、未涂层状态下亦可成 像。
4 结语
对于 SE M 研究来说，ESE M 打开了一个 全新的领域，它能完成许多常规 SE M 根本不 可能完成的工作，使 SE M 的使用范围和领域 大为扩展。它还淘汰了十分复杂、繁琐的样品 预处理工作，使样品观察工作变得十分简单、 方便。