扫描电镜的结构、原理及其操作使用
扫描电子显微镜的结构原理和功能用途
扫描电子显微镜的结构原理和功能用途扫描电镜简介电子源发射的电子束经过电磁透镜的电子光学通路聚焦，电子源的直径被缩小到纳米尺度的电子束斑，与显示器扫描同步的电子光学镜筒中的扫描线圈控制电子束，在样品表面一定微小区域内，逐点逐行扫描。
电子束与样品相互作用，从样品中发射的具有成像反差的信号，由一个适当的图像探测器逐点收集，并将信号经过前置放大器和视频放大器,用调制解调电路调制显示器上相对应显示像素的亮度，形成我们人类观察习惯的，反映样品二维形貌的图像或者其他可以理解的反差机制图像。
由于图像显示器的像素尺寸远远大于电子束斑尺寸，（0.1mm/1nm=100,000倍）而且显示器的像素尺寸小于等于人类肉眼通常的分辨率，这样显示器上的图像相当于把样品上相应的微小区域进行了放大。
通过调节扫描线圈偏转磁场，可以控制电子束在样品表面扫描区域的大小，理论上扫描区域可以无限小，但可以显示的图像有效放大倍数的限度是扫描电镜分辨率的限度。
模拟图像扫描系统：样品上每个像素模拟信号直接调制阴极射线管对应显示像素的亮度，由于生成一幅高质量图像一般需要数秒或者数十秒/帧，所以模拟电镜使用慢余辉显像管终端显示一幅活图像，为了便于在显像管上观察图像，需要暗室，操作者可按照一定规程调整仪器参数，如图像聚焦，移动样品台搜索感兴趣区域，调节放大倍数，亮度对比度，消象散等从而获得最佳的图像质量。
模拟图像输出采用高分辨照相管，用单反相机直接逐点记录在胶片上，然后冲洗相片。
自1985年以来，模拟图像电镜已经被数字电镜取代。
数字图像扫描系统：样品上每个像素发出的成像信号，被图像探测器探测器后，经过前置放大器，和视频放大器放大，直接进行信号数字化，然后存储在图像采集卡的帧存器，形成数字图像数据，图像数据可被电镜操作软件读取，操作者在图形交互界面（GUI)上对图像进行调整控制，并把调整好的数字图像存储在计算机中硬盘中。
模拟控制是控制信号不经过计算机软件,直接由操作台按键旋钮等对执行机构进行控制,属于人工手动控制,控制精度由操作者观察仪表盘的变化决定.例如高压电源,扫描线圈,探测器电源,电子枪控制，磁透镜控制,样品台的运动控制等等。
扫描电镜原理及操作
偏转线圈；其中偏转线圈通以锯齿波的电流，产生的磁场 作用于电子束使它在样品上扫描。扫描的区域、扫描比率
磁透镜一般有三个：第一、二聚光镜和物镜，
作用与透射电镜的聚光镜相同:缩小电子束的直径，把来 自电子枪的约30微米大小的电子束经过第一、二聚光镜和 物镜的作用，缩小成直径约为几十埃的狭窄电子束。
像的大小 扫描区域的大小
2、电子枪亮度，样品的性质，相互作用的方式以及扫描 速度和像的线数。 目前商品扫描电镜分辨率一般达到50-60埃，使用场发 射电子枪可达约10埃。
显微镜成像原理
2、扫描电镜的结构
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2、扫描电镜的结构
扫描电镜的主要由三大部分组成： 1、电子光学系统 2、成像系统 一种具有特征能量值的电子，这种电子
3、电子与样品的相互作用
（二）射线 1、X射线：
又称伦琴射线；波长约0.001-10nm。电子探针轰击
1925年发现，用它可以进行样品轻元素的分析，
样品时，可产生特征X射线和连续X射线。其中特征X射线 的波长和能量随样品中各种元素的不同而各异，根据这 一性质可以对样品中的某些元素进行定性和定量分析。 X射线主要反映样品深层（约50—500nm）的某些信 息。X射线适合于重元素的成分分析。
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有强烈的立体视觉:
大鳞副泥鳅的受精过程
3、扫描电子显微镜的特点
示受精孔
精孔区
有强烈的立体视觉
卵膜孔
受精后5秒
有强烈的立体视觉:
大鳞副泥鳅的受精过程
3、扫描电子显微镜的特点
(4)样品制备较简单—— 甚至可以不作任何处理。并且样品可以很大，如直
扫描电镜的结构及原理
扫描电镜的结构及原理一、简介1特点：扫描电子显微镜主要特点是电子束在样品上进行逐点扫描，获得三维立体图像，图像观察视野大、景深长、富有立体感。
在观察样品表面形貌的同时，进行晶体学分析及成分分析。
常规的扫描电镜分辨本领通常为7～10nm,加速电压在1～50 kV范围。
生物样品一般用10～20kV,成像放大率几十倍至几十万倍。
2用途：扫描电镜可对样品进行综合分析，已成为重要分析工具，纤维、纸张、钢铁质量等，观察矿石结构、检测催化剂微观结构、观看癌细胞与正常细胞差异等。
3日本日立公司产品S-5200型为超高分辨率（ultra-highresolutio n）扫描电镜，加速电压为1k V时，分辨率可达1.8nm,加速电压为30kV时，分辨率高达0.5nm。
此外，还具有独特的电子信号探测系统，不但能观察样品三维形态结构甚至能看到样品的原子或分子结构，在使用性能方面已超越任何一种常规扫描电镜。
二、扫描电镜的结构扫描电镜的组成:（1）、电子光学系统：组成：①电子枪与透镜系统；②电子探针扫描偏转系统作用：产生直径为几十埃的扫描电子束，即电子探针，使样品表面作光栅状扫描。
①电子枪组成：阴极、阳极、栅极。
直径约为0.1mm钨丝制成，加热后发射的电子在栅极和阳极作用下，在阳极孔附近形成交叉点光斑，其直径约几十微米。
扫描电镜没有成像电镜，成像原理与透射电镜截然不同。
所有透镜皆为缩小透镜，起缩小光斑的作用。
缩小透几十镜将电子枪发射的直径约为30μm电子束缩小成几十埃，由两个聚光镜和一个末透镜完成三个透镜的总缩小率为2000～3000倍。
两个聚光镜分别是第一聚光镜和第二聚光镜，可将在阳极孔附近形成的交叉点缩小。
聚光镜可动光阑位于第二聚光镜和物镜之间，用于控制选区衍射时电子书的发散角。
扫描电镜原理
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3、成像原理、信号采集及应用（2）
二次电子形貌衬度的形成原理：
样品表面倾斜度越小，二次电子产额越少，亮度越低， 反之，样品表面倾斜度越大，二次电子产额越多，亮度越 大。
若样品上：
1. B 面的倾斜度最小， 二次电子产额最少，亮度最低。
2. A 面倾斜度次之，亮度为灰色。
3. C 面倾斜度最大，亮度也最大。
因此，随着原子序数Z的增大，背散射电子产 生的数额越多。故荧光屏上的图像较亮。
利用原子序数造成的衬度变化 可以对各种金属和合金进行定 性的成分分析。 重元素区域：图像上是亮区；
轻元素区域：图像上是暗区。
用背散射电子进行成分分析时，为了避免形貌 程度对原子序数衬度的干扰，背分析样品只进 行抛光，不进行腐蚀。
构造：主机部分与 SEM 相同，只增加了检测X射线的信号的谱仪， 用于检测X射线的特征波长或特征能量。
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1、电子探针显微分析仪的工作原理（1）
电子探针显微分析仪：信号检测系统是 X 射线谱仪。
(1) 波长分散谱仪(WDS) ： 用来测定特征X 射线波长 的谱仪，简称为波谱仪。
(2) 能量分散谱仪(EDS) ： 用来测定 X 射线特征能量 的谱仪，简称为能谱仪。
3
扫描电镜结构原理方框图
2、电子与固体作用产生的信号
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特征X射线是当样品原子的内
层电子被入射电子激发或电离时， 原子就会处于能量较高的激发状 态，此时外层电子将向内层跃迁 以填补内层电子的空缺，从而使 具有特征能量的X射线释放出来。 根据莫塞来定律，如果我们用X 射线探测器测到了样品微区中存 在某一种特征波长，就可以判定 这个微区中存在着相应的元素。
根据莫塞莱定律，用 X射线探测 器检测特征X射线，就可判定这 个微区中存在着相应的元素。
扫描电子显微镜(SEM)-介绍-原理-结构-应用
探头
扫描发生器 显像管
视频放大器
光电倍增管
试样
光导管
试样台
扫描电子显微镜主要由以下四个部分组成： 1. 电子光学系统：作用是获得扫描电子束，
作为信号的激发源。 2. 信号收集及显示系统：作用是检测样品在
入射电子作用下产生的物理信号 3. 真空系统：用来在真空柱内产生真空 4. 电源系统：作用是提供扫描电镜各部分所
3.3 背散射电子
背散射（backscattered）电子是指入射电子在样 品中受到原子核的卢瑟福散射后被大角度反射，再 从样品上表面射出来的电子，这部分电子用于成像 就叫背散射成像。 背散射分为两大类：弹性背散射和非弹性背散射。 弹性散射不损失能量，只改变方向。非弹性散射不 仅改变方向，还损失能量。从数量上看，弹性背反 射电子远比非弹性背反射电子所占的份额多。背反 射电子的产生范围在100nm-1mm深度。
d4
光电倍增管
d3:扫描系统ຫໍສະໝຸດ 试样光导管d4:试样室
试样台
2.1.1 电子枪
电子枪：钨丝成V形，灯丝中通以加热电流， 当达到足够温度时(一般操作温度为 2700K),发射电子束。在10-6Torr的真空 下，其寿命平均约40—80小时。
电子束 光阑孔
2.1.2 电磁透镜
电磁透镜：透镜系统中所用的透镜都是缩 小透镜，起缩小光斑的作用。缩小透镜 将电子枪发射的直径为30μm左右的电 子束缩小成几十埃，由两个聚光镜和一 个末透镜完成，三个透镜的总缩小率约 为2000~3000倍
03
SEM工作原理
3 扫描电镜成像的物理信号
入射电子轰击样品产生的物理信号
电子束与样品原子间的相互作用是表 现样品形貌和内部结构信息的唯一途 径。入射电子与样品原子中的电子和 原子核会发生弹性碰撞和非弹性碰撞， 所产生各种电子信号和电磁辐射信号 都带有样品原子的信息，从不同角度 反映出了样品的表面形貌、内部结构、 所含元素成分、化学状态等。
扫描电镜的基本结构和工作原理讲解
扫描电镜的基本结构和工作原理扫描电子显微镜利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。
扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。
扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1～30kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。
扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内(几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。
扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。
扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。
扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统六大部分。
这一部分的实验内容可参照教材第十二章，并结合实验室现有的扫描电镜进行，在此不作详细介绍。
三、扫描电镜图像衬度观察1．样品制备扫描电镜的优点之一是样品制备简单，对于新鲜的金属断口样品不需要做任何处理，可以直接进行观察。
但在有些情况下需对样品进行必要的处理。
1) 样品表面附着有灰尘和油污，可用有机溶剂(乙醇或丙酮)在超声波清洗器中清洗。
2) 样品表面锈蚀或严重氧化，采用化学清洗或电解的方法处理。
清洗时可能会失去一些表面形貌特征的细节，操作过程中应该注意。
3) 对于不导电的样品，观察前需在表面喷镀一层导电金属或碳，镀膜厚度控制在5-10nm 为宜。
2．表面形貌衬度观察二次电子信号来自于样品表面层5～l0nm，信号的强度对样品微区表面相对于入射束的取向非常敏感，随着样品表面相对于入射束的倾角增大，二次电子的产额增多。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种重要的科学仪器，广泛应用于材料科学、生物学、化学等领域。
它利用高能电子束与样品相互作用产生的信号，通过对这些信号的探测和分析，可以得到样品的表面形貌和成分信息。
本文将详细介绍扫描电镜的工作原理。
一、电子束的产生与聚焦扫描电镜中的关键部件是电子枪，它能够产生高能电子束。
电子枪由阴极、阳极和加速电极组成。
当加在阴极上的电压较高时，阴极会发射出电子。
这些电子经过加速电极的加速作用，形成高能电子束。
接下来，通过聚焦系统对电子束进行聚焦，使其能够尽可能地聚集在一个小的点上。
二、样品的制备与加载在使用扫描电镜之前，需要对样品进行制备。
样品通常需要经过固定、切片、薄片制备等步骤，以便能够在扫描电镜中观察到所需的结构和形貌。
制备完成后，将样品加载到扫描电镜的样品台上。
三、扫描电镜的工作模式扫描电镜有两种主要的工作模式，分别是成像模式和分析模式。
1. 成像模式在成像模式下，电子束从电子枪发射出来后，经过聚焦系统聚焦到一个小的点上，这个点称为激发点。
然后，电子束从激发点扫描样品的表面，与样品相互作用后产生的信号被探测器捕捉到。
扫描电镜通过改变扫描的方式和扫描的区域，可以获取样品表面的形貌信息。
2. 分析模式在分析模式下，扫描电镜通过改变探测器的设置，可以对样品的成分进行分析。
常用的分析技术有能谱分析和衍射分析。
能谱分析通过探测器捕捉到的信号，得到样品中各种元素的含量和分布情况。
衍射分析则可以通过测量样品表面的衍射图案，得到样品的晶体结构信息。
四、信号的探测与图像的生成扫描电镜中常用的信号探测器有二次电子探测器和反射电子探测器。
二次电子探测器是一种常用的成像探测器，它能够检测到样品表面的二次电子信号。
反射电子探测器则可以检测到样品表面的反射电子信号。
这些信号通过探测器转换为电信号后，经过放大和处理，最终生成扫描电镜的图像。
扫描电镜原理及应用
Cr
12.71
Mn
0.30
Fe
86.99
元素面分布图
球 粒 成 分 均 为 钢 料
结论
在陶瓷成分中添加大量金属球粒， 球粒尺寸：50μm~ 150 μm， 球粒分布不均匀。 球粒成分Cr含量~12%，属于不锈钢， 符合国产牌号：x Cr12 。
样品 塑料
应用实例二
样品名称 ：柴油机轴瓦 半圆形金属件
扫描电镜结构、原理及应用
人眼分辨率
A
0.2 mm
B
250 mm
2
眼睛
光学显微镜的局限
• 分辨率主要取决于照明源的波长
r
2
• 可见光的波长在400-700 nm之间，所以光镜的分 辨率＞200 nm
• 电子束波长约为可见光波长的十万分之一，因此 采用电子束作为照明源可以大幅提高显微镜分辨 率。
• 我国科学工作者在研究西汉女尸的骨骼肌时，在扫描电镜下能清楚地看 到女尸腰大肌肉纤维的横纹结构，并且能进一步分辨出它的精细结构， 还看到了许多卵形的细菌芽孢结构。应用扫描电镜对古尸结构进行研究 ，不仅为了解古代的医药学提供了宝贵的资料，而且可以对人类的发展 获得新的认识。
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材料学
扫描电子显微镜在材料检验、材料工艺、失效分析、 新材料研制等方面具有广泛的应用 • 扫描电镜技术被广泛应用于高分子多相体系的形态结构、界面状况、 损伤机制及材料性能预测等方面的研究。用扫描电镜观察PA/ＣＦ复 合材料断口的形貌可看出，碳纤维表面处理对提高复合材料的力学性 能起至关重要的作用。 • 扫描电镜技术在高分子复合材料微观形貌研究中发挥了重要作用。用 扫描电镜对不同复合体系的微观形态结构进行观察研究，寻找某种复 合体能促进晶须的分散，使两相界面结合能力提高，使研制的材料达 到更高的强度。 • 应用扫描电镜及动态拉伸台对碳钢进行动态拉伸试验，跟踪观察碳钢 裂纹的萌生、扩展及断裂过程，研究碳钢的强度与金相组织的关系及 如何提高碳钢的材料强度。 • 利用扫描电镜可以直接研究晶体缺陷及其生长过程。结合计算机分析 ，可以得到定量的结果。
扫描电镜的结构及使用
扫描电镜的结构及使用实验指导史秋月扫描电子显微镜是利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产生各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。
扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。
通过本实验学习，了解扫描电镜基本机构，掌握扫描电镜的基本使用方法和使用过程中的注意事项。
一、实验目的1、了解扫描电镜基本机构和工作原理；2、掌握扫描电镜的基本使用方法和使用过程中的注意事项；3、掌握扫描电镜图像衬度观察的原理。
二、实验所用设备及仪表JSM-6510LV扫描电镜三、实验内容1、扫描电镜基本结构扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统六大部分。
光学系统是由电子枪、磁透镜、扫描线圈以及样品室组成(图3-1）。
电子枪由灯丝阴极、栅极 (或称韦氏圆筒)和加速阳极组成，提供稳定的电子束，一般在1～30kV。
磁透镜有第一、二聚光镜和物镜，其作用缩小电子束的直径，把来自电子枪的约30μm大小的电子束经过第一、二聚光镜和物镜的作用，缩小成直径约为几十埃的狭窄电子束。
这是由于扫描电镜的分辨率主要取决于电子束的直径，所以要尽可能缩小它，为此，物镜还装备有物镜可动光栏和消散器。
一个带有扫描电路的偏转线圈通以锯齿波的电流，产生的磁场作用于电子束使它在样品上扫描。
样品室位于镜筒的底部。
显示系统包括信号的收集、放大、处理、显示与记录部分。
显示和记录部分包括两个显像管和照相机。
一个显像管是长余辉的，用于观察;另一显像管是高分辨率的、短余辉的，用于照相。
扫描电镜的真空系统由机械泵、扩散泵、检测系统、管道及阀门等组成。
图3-12、扫描电镜的使用（1）样品处理1)对于新鲜的金属断口样品不需要做任何处理，可以直接进行观察。
扫描电镜原理、方法及操作
一、分析测试步骤开机1、接通循环水（流速1.5～2.0L/min ）2、打开主电源开关。
3、在主机上插入钥匙，旋至“Start ”位置。
松手后钥匙自动回到“on ”的位置，真空系统开始工作。
4、等待10秒钟，打开计算机运行。
5、点击桌面的开始程序。
6、点击［JEOL ·SEM ］及［JSM-5000主菜单］。
7、约20分钟仪器自动抽高真空，真空度达到后，电子枪自动加高压，进入工作状态。
8、通过计算机可以进行样品台的移动，改变放大倍数、聚焦、象散的调整， 直到获得满意的图像9、对于满意的图像可以进行拍照、存盘和打印。
10、若需进行能谱分析，要提前1小时加入液氮，并使探测器进入工作状态。
11、打开能谱部分的计算机进行谱收集和相应的分析。
12、需观察背散射电子像时，工作距离调整为15mm ，然后插入背散射电子探测器，用完后随时拔出。
更换样品1、点击“HTon ”,出现“HT Ready ”。
2、点击“Sample ”,再点击“Vent ”。
3、50秒后拉出样品台,从样品台架上取出样品台.4、更换样品后,关上样品室门,再点击“EVAC ”,真空系统开始工作,重复开机10.1.8、10.1.9。
关机1、点击［EXIT ］,再点击［OK ］,扫描电镜窗口关闭,回到视窗桌面上.2、电击桌面上的［Start ］。
3、退出视窗,关闭计算机.4、关闭控制面板上的电源开关.5、等待15分钟后关掉循环水.6、关掉总电源.二. 方法原理1、扫描电镜近况及其进展扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年已经被提出来了，直到1956年才开始生产商品扫描电镜。
商品扫描电镜的分辨率从第一台的25nm 提高到现在的0.8nm ，已经接近于透射电镜的分辨率，现在大多数扫描电镜都能同X 射线波谱仪、X 射线能谱仪和自动图像分析仪等组合，使得它是一种对表面微观世界能够进行全面分析的多功能的电子光学仪器。
数十年来，扫描电镜已广泛地应用在材料学、冶金学、地矿学、生物学、医学以及地质勘探，机械制造、生产工艺控制、产品质量控制等学科和领域中，促进了各有关学科的发展。
扫描电镜的结构、原理及其操作使用ppt课件
四、扫描电镜的调整
• 电子束合轴 • 放入试样 • 图像调整
四、扫描电镜的调整
• 电子束合轴
•
调整电子束对中〔合
轴〕的方法有机械式和电磁
式。
• ①机械式是调整合轴螺钉
• ②电磁式那么是调整电磁对 中线圈的电流，以此挪动电
四、扫描电镜的调整
• 放入试样
•
将试样固定在试样
盘上，并进展导电处置，使
试样处于导电形状。将试样
•
样品在入射电子束作
用下会产生各种物理信号，有
二次电子、背散射电子、特征
X射线、阴极荧光和透射电子。
•
不同的物理信号要用
不同类型的检测系统。它大致
二、扫描电镜的构造
常用的检测系统为闪烁计数器，它位于样 品上侧，由闪烁体，光导管和光电倍增器所组 成，如图5所示。
二、扫描电镜的构造
图5 电子检测器
三、扫描电镜的根本原理
二、扫描电镜的构造
构成： 电子光学系统，包括电子枪、电磁透镜和扫
描线圈等； 机械系统，包括支撑部分、样品室； 真空系统； 样品所产生信号的搜集、处置和显示系统。
二、扫描电镜的构造
图1 Sirion 200 扫描电镜外
观照片
二、扫描电镜的构造
图2 扫描电子显微镜
构造表示图 (a)系统方框图
二、扫描电镜的构造
六、实验报告要求
• 简要阐明扫描的原理及电镜各部分的作用。 • 根据他的了解，举例阐明扫描电镜的运用。 • 根据实验察看的断口特征，简述韧窝断口、
穿晶解理断口、脆性沿晶断口、疲劳断口的 典型形貌特征。
END！
角越小，在试样上扫描面积越小，其放大倍
率M越大。 A(CRT上 扫 描 振 幅 )
扫描电镜的结构和工作原理
一、扫描电子显微镜的工作原理扫描电镜(Scanning Electron Microscope)是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。
试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。
其中二次电子是最主要的成像信号。
由电子枪发射的能量为 5 ～35keV 的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。
聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。
二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。
二、扫描电镜具有以下的特点(1) 可以观察直径为0 ～30mm的大块试样(在半导体工业可以观察更大直径)，制样方法简单。
(2) 场深大、三百倍于光学显微镜，适用于粗糙表面和断口的分析观察；图像富有立体感、真实感、易于识别和解释。
(3) 放大倍数变化范围大，一般为15 ～200000 倍，对于多相、多组成的非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的观察分析。
(4) 具有相当高的分辨率，一般为3.5 ～6nm。
(5) 可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量，如通过调制可改善图像反差的宽容度，使图像各部分亮暗适中。
采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数的图像或不同形式的图像。
(6) 可进行多种功能的分析。
与X 射线谱仪配接，可在观察形貌的同时进行微区成分分析；配有光学显微镜和单色仪等附件时，可观察阴极荧光图像和进行阴极荧光光谱分析等。
(7) 可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察在不同环境条件下的相变及形态变化等。
三、扫描电镜的主要结构1.电子光学系统：电子枪；聚光镜（第一、第二聚光镜和物镜）；物镜光阑。
扫描电镜的结构原理
扫描电镜的结构原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高性能显微技术，能够提供高分辨率的表面形貌和表面元素的微区分析。
它通过扫描样品表面并采集电子信号，从而实现对样品的显微观察。
下面我将详细介绍扫描电镜的结构原理。
1.电子枪：电子枪是扫描电镜的核心部件，它负责产生高能电子束。
电子枪主要由阴极、阳极和加速电极等构成。
在电子枪中，阴极加热后释放出一个电子云，然后通过加速电极的作用，使电子云加速并形成高能电子束。
2.聚焦系统：聚焦系统包括透镜和聚焦电极。
透镜的角度和形状可以控制电子束的聚焦，从而提高图像的清晰度和分辨率。
聚焦电极则用于调节透镜的焦距。
3.扫描线圈：扫描线圈主要包括水平和垂直线圈。
水平线圈和垂直线圈通过产生调制磁场来控制电子束的扫描范围和速度。
通过改变磁场的传送效果，可以将电子束精确地扫描到样品的各个位置，从而实现对样品表面的显微观察。
4.样品台：样品台用于支撑和定位样品。
它通常是由导电材料制成，以便在样品表面引入扫描电子束所需的信号。
样品可以在样品台上进行旋转和倾斜，以获得不同角度的观察。
5.信号检测和显示系统：信号检测和显示系统是扫描电镜的输出部分。
扫描电子束在扫描样品表面时与样品相互作用产生的信号，通过探测器收集并转化为电信号。
然后，被放大和处理后的信号通过显示器显示出来，形成样品表面的图像。
除了上述组成部分，扫描电镜还可以配备其他的功能模块，例如能量散射谱仪和电子背散射仪等，以提供更全面的样品表征能力。
总之，扫描电镜通过电子束在样品表面的扫描来实现显微观察，并通过信号的检测和处理，最终呈现出高分辨率的样品表面形貌。
它在材料科学、生物学、化学等领域具有广泛应用，为科学研究和工程技术提供了强大的工具。
简述扫描电镜的构造及成像原理
简述扫描电镜的构造及成像原理，试分析其与透射电镜在样品表征方面的异同1、扫描电镜的构造扫描电镜由电子光学系统、信号收集与图像显示系统、与真空系统三部分组成。
1.1 电子光学系统（镜筒）电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈与样品室。
1.1.1 电子枪扫描电子显微镜中的电子枪与透射电镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电镜低。
1.1.2 电磁透镜扫描电子显微镜中各电磁透镜都不作成像透镜用，而是做聚光镜用，它们的功能只是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径约为50um的束斑缩小成一个只有数个纳米的细小斑点，要达到这样的缩小倍数，必须用几个透镜来完成。
扫描电子显微镜一般都有三个聚光镜，前两个聚光镜是强磁透镜，可把电子束光斑缩小，第三个聚光镜是弱磁透镜，具有较长的焦距。
布置这个末级透镜（习惯上称之物镜）的目的在于使样品室与透镜之间留有一定空间，以便装入各种信号探测器。
扫描电子显微镜中照射到样品上的电子束直径越小，就相当于成像单元的尺寸越小，相应的分辨率就越高。
采用普通热阴极电子枪时，扫描电子束的束径可达到6nm左右。
若采用六硼化镧阴极与场发射电子枪，电子束束径还可进一步缩小。
1.1.3 扫描线圈扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作与显像管上的扫描动作保持严格同步，因为它们是由同一扫描发生器控制的。
1.1.4 样品室样品室内除放置样品外，还安置信号探测器。
各种不同信号的收集与相应检测器的安放位置有很大关系，如果安置不当，则有可能收不到信号或收到的信号很弱，从而影响分析精度。
样品台本身是一个复杂而精密的组件，它应能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移、倾斜与转动等运动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。
新式扫描电子显微镜的样品室实际上是一个微型试验室，它带有许多附件，可使样品在样品台上加热、冷却与进行机械性能试验（如拉伸与疲劳）。
1.2 信号的收集与图像显示系统二次电子、背散射电子与透射电子的信号都可采用闪烁计数器来检测。
扫描电镜的工作原理和基本结构
扫描电镜的基本结构和工作原理扫描电子显微镜利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。
扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。
扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1～30kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。
扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内(几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。
扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。
扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。
扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统六大部分。
这一部分的实验内容可参照教材第十二章，并结合实验室现有的扫描电镜进行，在此不作详细介绍。
三、扫描电镜图像衬度观察1．样品制备扫描电镜的优点之一是样品制备简单，对于新鲜的金属断口样品不需要做任何处理，可以直接进行观察。
但在有些情况下需对样品进行必要的处理。
1) 样品表面附着有灰尘和油污，可用有机溶剂(乙醇或丙酮)在超声波清洗器中清洗。
2) 样品表面锈蚀或严重氧化，采用化学清洗或电解的方法处理。
清洗时可能会失去一些表面形貌特征的细节，操作过程中应该注意。
3) 对于不导电的样品，观察前需在表面喷镀一层导电金属或碳，镀膜厚度控制在5-10nm为宜。
2．表面形貌衬度观察二次电子信号来自于样品表面层5～l0nm，信号的强度对样品微区表面相对于入射束的取向非常敏感，随着样品表面相对于入射束的倾角增大，二次电子的产额增多。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，通过利用电子束与样品的相互作用来获取样品表面的形貌和成份信息。
其工作原理基于电子光学和电子物理的原理。
一、电子光学系统扫描电镜的电子光学系统由电子源、透镜系统和检测系统组成。
1. 电子源扫描电镜的电子源通常采用热阴极电子枪，通过加热阴极产生热电子。
热电子经过加速电压加速形成高速电子束。
2. 透镜系统透镜系统由几个磁透镜组成，包括聚焦透镜和扫描透镜。
聚焦透镜用于将电子束聚焦到极小的尺寸，提高分辨率。
扫描透镜用于控制电子束在样品表面的扫描。
3. 检测系统检测系统用于测量电子束与样品相互作用后的信号。
常用的检测器有二次电子检测器和反射电子检测器。
二次电子检测器用于观察样品表面形貌，反射电子检测器用于获得样品的成份信息。
二、扫描控制系统扫描控制系统由扫描线圈和扫描发生器组成。
扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描范围和速度。
扫描发生器则产生扫描信号，控制电子束的扫描。
三、样品准备在进行扫描电镜观察之前，样品需要进行一系列的准备工作。
首先，样品需要被固定在样品架上，以保持稳定。
然后，样品需要被表面处理，如金属镀膜或者碳镀膜，以提高导电性。
最后，样品需要被放置在真空环境中，以避免电子束与空气份子的相互作用。
四、工作过程1. 准备好样品并放置在样品架上。
2. 打开扫描电镜，并进行必要的预热和真空泵抽气。
3. 调整电子光学系统，使得电子束聚焦到最佳状态。
4. 设置扫描控制系统，确定扫描范围和速度。
5. 开始扫描，观察样品表面形貌和成份信息。
6. 根据需要，可以调整扫描参数和检测器，以获得更详细的信息。
7. 观察结束后，关闭扫描电镜并进行必要的清洁和维护。
五、应用领域扫描电镜在许多领域都有广泛的应用。
在材料科学中，它可以用于观察材料的晶体结构、表面缺陷和纳米结构。
在生物学中，它可以用于观察细胞和组织的形态和结构。
扫描电镜的结构、原理及其操作使用
扫描电镜的结构、原理及其操作使⽤扫描电镜的结构、原理及其操作使⽤⼀、实验⽬的了解扫描电镜的⼯作原理及构造。
?初步学习Sirion200场发射扫描电镜的操作⽅法。
利⽤⼆次电⼦像对断⼝形貌进⾏观察。
⼆、扫描电镜的构造优点：景深长、图像富有⽴体感；图像的放⼤倍率可在⼤范围内连续改变，⽽且分辨率⾼；样品制备⽅法简单，可动范围⼤，便于观察；?样品的辐照损伤及污染程度较⼩；可实现多功能分析。
⼆、扫描电镜的构造构成：电⼦光学系统，包括电⼦枪、电磁透镜和扫描线圈等；机械系统，包括⽀撑部分、样品室；真空系统；样品所产⽣信号的收集、处理和显⽰系统。
⼆、扫描电镜的构造图1Sirion 200扫描电镜外观照⽚⼆、扫描电镜的构造图2扫描电⼦显微镜构造⽰意图(a)系统⽅框图⼆、扫描电镜的构造图2扫描电⼦显微镜构造⽰意图(b) 电⼦光路图电⼦光学系统包括:电⼦枪电磁聚光镜扫描线圈光阑组件⼆、扫描电镜的构造?电⼦枪为了获得较⾼的信号强度和扫描像，由电⼦枪发射的扫描电⼦束应具有较⾼的亮度和尽可能⼩的束斑直径。
常⽤的电⼦枪有三种：普通热阴极三极电⼦枪、六硼化镧阴极电⼦枪和场发射电⼦枪，其性能如表1所⽰。
⼆、扫描电镜的构造表1 ⼏种类型电⼦枪性能⽐较⼆、扫描电镜的构造(a)热电⼦发射型电⼦枪(b)热阴极场发射电⼦枪图3 电⼦枪构造⽰意图⼆、扫描电镜的构造?电磁聚光镜其功能是把电⼦枪的束斑逐级聚焦缩⼩，因照射到样品上的电⼦束光斑越⼩，其分辨率就愈⾼。
扫描电镜通常都有三个聚光镜，前两个是强透镜，缩⼩束斑，第三个透镜是弱透镜，焦距长，便于在样品室和聚光镜之间装⼊各种信号探测器。
为了降低电⼦束的发散程度，每级聚光镜都装有光阑。
为了消除像散，装有消像散器。
扫描线圈其作⽤是使电⼦束偏转，并在样品表⾯作有规则的扫动，电⼦束在样品上的扫描动作和在显像管上的扫描动作由同⼀扫描发⽣器控制,保持严格同步。
当电⼦束进⼊偏转线圈时，⽅向发⽣转折，随后⼜由下偏转线圈使它的⽅向发⽣第⼆次转折,再通过末级透镜的光⼼射到样品表⾯。
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二、扫描电镜的构造
• 信号的收集、处理和显示系统
样品在入射电子束作用下会产生各种物理 信号，有二次电子、背散射电子、特征X射线、 阴极荧光和透射电子。 不同的物理信号要用不同类型的检测系统。 它大致可分为三大类，即电子检测器、阴 极荧光检测器和X射线检测器。
二、扫描电镜的构造
常用的检测系统为闪烁计数器， 它位于样品上侧，由闪烁体，光导 管和光电倍增器所组成，如图5所示。
图2 扫描电子显微镜 构造示意图 (a)系统方框图
二、扫描电镜的构造
图2 扫描电子显微镜构 造示意图 (b) 电子光路图
二、扫描电镜的构造
电子光学系统包括:
• 电子枪
• 电磁聚光镜
• 扫描线圈 • 光阑组件
二、扫描电镜的构造
• 电子枪
为了获得较高的信号强度和扫描像， 由电子枪发射的扫描电子束应具有较高 的亮度和尽可能小的束斑直径。 常用的电子枪有三种：普通热阴极三 极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发 射电子枪，其性能如表1所示。
化敏感的物理信号作为调制信号得到的一种像
衬度。二次电子像分辨率比较高，所以适用于 显示形貌衬度。
五、样品的观察
• 典型断口形貌观察
• 韧窝断口
• 穿晶解理断口
• 脆性沿晶断口 • 疲劳断口
六、实验报告要求
• 简要说明扫描的原理及电镜各部分的作用。
• 根据你的理解，举例说明扫描电镜的应用。 • 根据实验观察的断口特征，简述韧窝断口、 穿晶解理断口、脆性沿晶断口、疲劳断口的 典型形貌特征。
END！
四、扫描电镜的调整
• 电子束合轴
• 放入试样 • 图像调整
四、扫描电镜的调整
• 电子束合轴
调整电子束对中（合轴）的方法有 机械式和电磁式。 ①机械式是调整合轴螺钉 ②电磁式则是调整电磁对中线圈的电流， 以此移动电子束相对光路中心位置达到 合轴目的
四、扫描电镜的调整
• 放入试样
将试样固定在试样盘上，并进行导电处理， 使试样处于导电状态。将试样盘装入样品更换 室，预抽三分钟，然后将样品更换室阀门打开， 将试样盘放在样品台上，在抽出试样盘的拉杆 后关闭隔离阀。
二、扫描电镜的构造
• 真空系统
如果真空度不足，除样品被严重污染外， 还会出现灯丝寿命下降，极间放电等问题。
对于像Sirion200型这种场发射灯丝扫描 电镜而言，样品室的真空一般不得低于1×105Pa，它由机械真空泵和分子泵来实现；电镜镜 筒和灯丝室的真空不得低于4×10-7Pa，它由离 子泵来实现。
四、扫描电镜的调整
• 聚焦与像散校正
聚焦分粗调、细调两步。由于扫描电 镜景深大、焦距长，所以一般采用高于观 察倍数二、三档进行聚焦，然后再回过来 进行观察和照像。即所谓“高倍聚焦，低 倍观察”。 像散校正主要是调整消像散器，使其电 子束轴对称直至图像不飘移为止。
四、扫描电镜的调整 • 亮度与对比度的选择
• 样品的辐照损伤及污染程度较小；
• 可实现多功能分析。
二、扫描电镜的构造
构成：
• 电子光学系统，包括电子枪、电磁透镜和扫 描线圈等； • 机械系统，包括支撑部分、样品室；
• 真空系统；
• 样品所产生信号的收集、处理和显示系统。
二、扫描电镜的构造
图1 Sirion 200 扫描电镜外 观照片
二、扫描电镜的构造
扫描电镜 的结构、原理 及其操作使用
一、实验目的
• 了解扫描电镜的工作原理及构造。
• 初步学习Sirion200场发射扫描电镜 的操作方法。 • 利用二次电子像对断口形貌进行观 察。
二、扫描电镜的构造
优点：
• 景深长、图像富有立体感；
• 图像的放大倍率可在大范围内连续改变，而
且分辨率高；
• 样品制备方法简单，可动范围大，便于观察；
二、扫描电镜的构造
• 扫描线圈
其作用是使电子束偏转，并在样品表面作有 规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和在显 像管上的扫描动作由同一扫描发生器控制,保持严 格同步。 当电子束进入偏转线圈时，方向发生转折， 随后又由下偏转线圈使它的方向发生第二次转折, 再通过末级透镜的光心射到样品表面。在上下偏 转线圈的作用下，在样品表面扫描出方形区域， 相应地在样品上也画出一副比例图像。
(a) (b) 图 4 光 电 栅 子 扫 束 描 在 样 品 表 面 角 的 光 扫 栅 描 扫 方 描 式
二、扫描电镜的构造
机械系统包括：
• 支撑部分
• 样品室
样品室中有样品台和信号探测器，样品台 除了能夹持一定尺寸的样品，还能使样品作平 移、倾斜、转动等运动，同时样品还可在样品 台上加热、冷却和进行力学性能实验（如拉伸 和疲劳）。
四Hale Waihona Puke 扫描电镜的调整• 高压选择
• 聚光镜电流的选择
• 光阑选择
• 聚焦与像散校正
• 亮度与对比度的选择
四、扫描电镜的调整
• 高压选择
扫描电镜的分辨率随加速电压增大而 提高，但其衬度随电压增大反而降低，并 且加速电压过高污染严重，所以一般在 20kV下进行初步观察，而后根据不同的目 的选择不同的电压值。
二次电子像的对比度受试样表面形貌 凸凹不平而引起二次电子发射数量不同的影 响。反差与亮度的选择则是当试样凸凹严重 时，衬度可选择小一些，以达明亮对比清楚， 使暗区的细节也能观察清楚。也可以选择适 当的倾斜角，以达最佳的反差。
五、样品的观察
• 形貌衬度——二次电子像及其衬度 原理
表面形貌衬度是利用对样品表面形貌变
四、扫描电镜的调整
• 聚光镜电流的选择
聚光镜电流与像质量有很大关系，聚
光镜电流越大，放大倍数越高。同时，聚
光镜电流越大，电子束斑越小，相应的分 辨率也会越高。
四、扫描电镜的调整
• 光阑选择
光阑孔一般是400μ、300μ、200μ、 100μ四档，光阑孔径越小，景深越大，分辨 率也越高，但电子束流会减小。一般在二次 电子像观察中选用300μ或200μ的光阑。
二、扫描电镜的构造
图5
电子检测器
三、扫描电镜的基本原理
电子枪的热阴极或场发射阴极发出的电子 受阳极电压（1-50kV）加热并形成笔尖状电子 束。经过二或三个（电）磁透镜的作用，在样 品表面会聚成一个直径可小至10-100 Å的细束， 携带束流量为10-10～10-12A。在末透镜上部的扫 描线圈作用下，细电子束在样品表面作光栅状 扫描，即从左上方向右上方扫，扫完一行再扫 其下相邻的第二行，直到扫完一幅（或帧）。 如此反复运动。
二、扫描电镜的构造
表1 几种类型电子枪性能比较
二、扫描电镜的构造
(a)热电子发射型电子枪
(b)热阴极场发射电子枪 图3 电子枪构造示意图
二、扫描电镜的构造
• 电磁聚光镜
其功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小， 因照射到样品上的电子束光斑越小，其分辨率 就愈高。 扫描电镜通常都有三个聚光镜，前两个是 强透镜，缩小束斑，第三个透镜是弱透镜，焦 距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信 号探测器。 为了降低电子束的发散程度，每级聚光镜 都装有光阑。为了消除像散，装有消像散器。
二、扫描电镜的构造
扫描电镜的倍率放大是通过改变电子束偏转角 度来实现放大倍率的调节。因为观察用的荧光屏尺 寸是一定的，所以电子束偏转角越小，在试样上扫 描面积越小，其放大倍率M越大。
M
Ac (CRT 上扫描振幅) As (电子束在样品表面扫描振幅)
放大倍率一般是20～20×104倍。
二、扫描电镜的构造