扫描电子显微镜的构造和工作原理
扫描电子显微镜的构造和工作原理
扫描电子显微镜的构造和工作原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它通过使用聚焦的电子束来替代传统显微镜中使用的光束，从而能够观察到非常小尺寸的物体或细节。
SEM的构造和工作原理如下：构造：1.电子源：SEM使用热电子发射或场致发射的方式产生电子束。
常用的电子源是热丝电子枪，其中一个被称为热阴极的钨丝加热电子产生材料，产生电子束。
2. 电子透镜系统：SEM中有两个电子透镜，分别称为透镜1（即准直透镜）和透镜2（即聚经透镜）。
透镜1和透镜2的作用是使电子束呈现较小的束斑（electron beam spot），从而提高分辨率和放大率。
3. 检测系统：SEM的检测系统包括两个主要部分，即二次电子检测器（Secondary Electron Detector，SED）和回散射电子检测器（Backscattered Electron Detector，BED）。
SED主要用于表面形貌观察，它能够检测到由扫描电子激发的二次电子。
BED则用于分析样品的成分和区分不同物质的特性。
4.微控样品台：SEM中的样品台可以精确调整样品位置，使其与电子束的路径重合，并且可以在不同的方向上转动，以便于观察不同角度的样品。
5.显示和控制系统：SEM使用计算机控制系统来控制电子束的扫描和样品台的移动，并将观察结果显示在计算机屏幕上。
工作原理：1.电子束的生成：SEM中的电子源产生高能电子束。
电子源加热电子发射材料，如钨丝，产生高速电子束。
2.电子透镜系统的聚焦：电子束经过透镜1和透镜2的聚焦，使其呈现出较小的束斑。
3.样品的扫描：样品台上的样品被置于电子束的路径中，并通过微控样品台控制样品的位置和方向。
电子束扫描过样品表面，通过电磁透镜和扫描线圈控制电子束的位置。
4.二次电子和回散射电子的检测：电子束与样品相互作用时，会产生二次电子和回散射电子。
二次电子是由电子束激发样品表面产生的电子，可以用来观察样品的表面形貌。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种高分辨率的显微镜，利用电子束和样品之间的相互作用来获取样品表面的详细信息。
它在材料科学、生物学、纳米技术等领域具有广泛的应用。
一、工作原理概述扫描电镜的工作原理可以分为以下几个步骤：电子源产生电子束，电子束经过聚焦系统聚焦后，通过扫描线圈控制电子束的位置，然后电子束与样品表面发生相互作用，样品表面发射出的信号被探测器采集并转换成图象。
二、电子源扫描电镜使用的电子源通常是热阴极。
热阴极是由钨丝或者其他材料制成的，通过加热使其发射电子。
电子源的温度和电流可以调节，以控制电子束的强度和稳定性。
三、聚焦系统聚焦系统主要由透镜组成，用于聚焦电子束。
透镜可以是磁透镜或者电透镜，通过调节透镜的电流或者磁场来控制电子束的聚焦效果。
聚焦系统的作用是使电子束尽可能地细致和聚焦，以提高分辨率。
四、扫描线圈和扫描控制扫描线圈用于控制电子束的位置，使其按照一定的模式在样品表面挪移。
扫描控制系统可以根据需要调整扫描速度和扫描范围。
通过控制扫描线圈，可以在样品表面获取不同位置的信号，从而形成图象。
五、相互作用和信号检测电子束与样品表面发生相互作用时，会产生多种信号，包括二次电子、反射电子、散射电子、辐射等。
这些信号可以提供关于样品表面形貌、成份和结构的信息。
扫描电镜通常使用多种探测器来采集这些信号，并将其转换为图象。
六、图象处理和显示采集到的信号经过放大、滤波、增益等处理后，可以转换为数字信号，并通过计算机处理和显示。
图象处理软件可以对图象进行增强、测量和分析，以获取更多的样品信息。
七、应用领域扫描电镜在材料科学、生物学、纳米技术等领域具有广泛的应用。
在材料科学中，扫描电镜可以观察材料的表面形貌、颗粒分布、晶体结构等；在生物学中，扫描电镜可以研究细胞形态、细胞组织结构等；在纳米技术中，扫描电镜可以观察纳米材料的形貌和结构。
总结：扫描电镜通过利用电子束和样品之间的相互作用来获取样品表面的详细信息。
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。
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并通过感应信号形成显像的仪器。
其工作原理如下：
1. 电子源发射电子束：SEM中有一个电子枪，用于产生高能电子。
电子枪中通常会使用热阴极，通过加热或电子轰击方式将电子从阴极中释放出来。
2. 高能电子束聚焦：释放出来的电子会受到聚焦系统的控制，将电子束聚焦成一个非常细小的束斑。
聚焦系统通常包括透镜或电磁镜等。
3. 电子束扫描：经过聚焦的电子束被定向扫描到样品表面。
样品通常需要先制备成非导电表面或镀上导电层，以便电子束能够顺利地与样品相互作用。
4. 电子-样品相互作用：电子束与样品表面相互作用会产生多种效应，如散射、反射、透射等。
其中最常用的效应是二次电子发射（secondary electron emission）和后向散射电子（backscattered electron）的产生。
5. 信号收集：通过安装在SEM中的多种探测器，可以收集和测量与电子-样品相互作用相关的信号。
常用的探测器包括：二次电子探测器、后向散射电子探测器、X射线能谱仪等。
6. 信号转换和处理：收集到的信号会经过放大、滤波、数字化
等处理，并转化成图像或谱图。
7. 图像显示：最后，处理好的信号通过计算机和显示器进行图像重建和显示，使得研究人员可以观察到样品表面的微观结构和形貌。
扫描电子显微镜通过以上步骤实现样品表面的高分辨率成像，并能提供有关样品表面化学元素的分布信息。
它在材料科学、生物学、纳米学等领域发挥着重要作用。
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讲解扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，用于观察和研究微观世界中的样品。
它通过利用电子束与样品的相互作用，获取样品表面的形貌和成分信息。
本文将详细介绍扫描电镜的基本结构和工作原理。
一、基本结构扫描电镜主要由以下几个部分组成：1. 电子枪（Electron Gun）：电子枪是扫描电镜的核心部件之一，它产生高能电子束。
电子束的形成是通过热发射或场发射的方式，通过加热或加电场使金属阴极发射电子。
2. 准直系统（Condenser System）：准直系统用于聚焦和准直电子束。
它由准直透镜和聚焦透镜组成，能够将电子束聚焦成细小的束斑并准直。
3. 样品台（Sample Stage）：样品台是放置待观察样品的平台。
它通常具有微动装置，可以在水平和垂直方向上移动样品，以便于观察不同区域。
4. 扫描线圈（Scan Coils）：扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描。
通过调节扫描线圈的电流，可以控制电子束的位置和扫描速度。
5. 检测器（Detector）：检测器用于接收样品表面反射、散射或发射的信号。
常用的检测器包括二次电子检测器和反射电子检测器。
6. 显示器和计算机系统：显示器用于显示扫描电镜获取的图像，计算机系统用于图像的处理和分析。
二、工作原理扫描电镜的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 电子束的产生：电子束由电子枪产生，通过加热或加电场的方式使金属阴极发射电子。
电子枪通常采用热阴极或场发射阴极。
2. 电子束的准直和聚焦：电子束经过准直系统的聚焦透镜和准直透镜，被聚焦成细小的束斑并准直。
3. 电子束与样品的相互作用：准直后的电子束通过扫描线圈控制在样品表面的扫描。
当电子束与样品相互作用时，会发生多种相互作用，包括二次电子发射、反射电子、散射电子等。
4. 信号的检测：样品表面反射、散射或发射的信号被检测器接收。
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一
种利用电子束与样品相互作用，通过控制电子束扫描样品来获得高分辨率图像的仪器。
其工作原理可以概括如下：
1. 电子枪和聚焦系统：SEM中的电子枪产生高能量的电子束，通常使用热阴极或冷阴极发射电子。
聚焦系统根据需要将电子束聚焦成细束。
2. 射线系统：聚焦后的电子束进入射线系统，经过一系列的电磁透镜和偏转磁铁来控制和定位电子束的位置。
3. 样品台和扫描系统：待观察的样品放置于样品台上，样品台可以进行高精度的位置调整。
电子束从顶部进入，并通过电磁透镜附近的扫描线圈来控制水平和垂直方向的束斑位置，从而实现对样品表面的扫描。
4. 信号检测和图像重建：当电子束与样品相互作用时，会产生多种不同的信号。
最常用的信号有二次电子（SE）和背散射
电子（BSE）。
二次电子是由被电子束激发的表面原子或分子
所发射的电子。
背散射电子是由高能电子与样品原子核的相互作用而散射产生的电子。
这些信号被探测器捕捉，并转换为电信号传输到图像处理系统。
通过组合并处理这些信号，最终形成高分辨率的样品图像。
5. 系统控制和图像显示：扫描电子显微镜通常配备有相应的系统控制软件，可以实时调整电子束的参数、样品扫描范围和扫
描速度等。
图像可以通过电子束的扫描和控制以及信号检测系统的输出，转化为显示在显示器上的图像。
总结起来，扫描电子显微镜通过利用电子束与样品相互作用并检测所产生的信号，通过电子束的扫描和控制，最终生成高分辨率的样品图像。
扫描电子显微镜原理
扫描电子显微镜原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）是一种利用电子束照射样本表面，通过采集样本散射的次级电子、反射电子、透射电子等生成显微图像的设备。
其原理与传统光学显微镜不同，利用电子束的波粒二象性和电子与物质相互作用的性质来获得高分辨率的图像。
扫描电子显微镜由电子光源、电子光学系统、样本台以及信号检测和图像处理系统等组成。
首先，电子显微镜的电子光源发射出高能电子束，通常通过热丝发射电子的方式。
这些电子束会经过准直和聚焦装置，使其成为一束细且聚焦的电子束。
接下来，样本被放置在扫描电子显微镜的样本台上。
样本表面会与入射电子束相互作用，产生不同的信号。
其中，主要信号包括次级电子（Secondary Electron, SE）、反射电子（Backscattered Electron, BE）以及透射电子（Transmitted Electron, TE）。
次级电子主要由入射电子与样本表面原子的相互作用而产生，其被采集并转化为图像。
反射电子主要是在样本内部物质的相互作用下被散射回来的电子，同样被采集和转化为图像。
透射电子则是透过样本的电子，其传感元件可将其图像化。
这些信号被接收后，经过放大和转换为电子图像信号。
电子图像信号可以通过荧光屏或者光电二极管进行观测和记录。
最后，通过图像处理系统将电子信号转化为高分辨率的图像，该图像具有较高的对比度和分辨率，可以用来观察样本的细微特征。
扫描电子显微镜以其高分辨率和强大的观察能力被广泛应用于材料科学、生命科学、纳米技术以及表面科学等领域。
扫描电子显微镜原理
扫描电子显微镜原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）是一种利用电子束来观察样品表面微观形貌和成分的高分辨率显微镜。
与光学显微镜相比，扫描电子显微镜具有更高的放大倍数和更高的分辨率，可以观察到更小尺度的细微结构。
其原理主要包括电子源、电子透镜系统、样品台、探针和检测器等几个部分。
首先，电子源产生的电子束是扫描电子显微镜的核心。
电子源通常采用热阴极或冷阴极发射电子，产生的电子束经过加速器加速后，形成高速、高能的电子束。
这些电子束的能量通常在几千至几十万电子伏特之间，高能的电子束可以穿透样品表面，形成高分辨率的显微图像。
其次，电子透镜系统是控制和聚焦电子束的关键部分。
电子束经过电子透镜系统的聚焦和控制后，可以形成非常细小的探针，可以在样品表面进行扫描。
电子透镜系统通常包括几个磁场和电场透镜，通过调节透镜的参数可以实现对电子束的聚焦和控制，从而获得高分辨率的显微图像。
样品台是扫描电子显微镜中支撑样品的部分，样品通常需要制备成非常薄的样品片或者表面导电涂层，以便电子束可以穿透或者散射到样品表面。
样品台通常可以实现样品的旋转、倾斜和移动，以便观察样品的不同部位和角度。
探针是电子束在样品表面扫描时的实际作用部分，电子束在样品表面扫描时，会与样品表面发生相互作用，产生不同的信号。
这些信号包括二次电子、反射电子、X射线等，通过探针和样品表面的相互作用，可以获取样品表面的形貌和成分信息。
最后，检测器是扫描电子显微镜中用于接收和检测样品表面信号的部分，不同的检测器可以接收和检测不同类型的信号。
常见的检测器包括二次电子检测器、反射电子检测器和X射线能谱仪等，通过这些检测器可以获取样品表面的形貌和成分信息。
综上所述，扫描电子显微镜的原理主要包括电子源、电子透镜系统、样品台、探针和检测器等几个部分。
通过这些部分的协同作用，可以实现对样品表面微观形貌和成分的高分辨率观察和分析，为材料科学、生物科学和纳米科学等领域的研究提供了重要的工具和手段。
扫描电子显微镜的原理及应用
扫描电子显微镜的原理及应用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种使用电子束而不是光束的显微镜，它通过对被测样品表面进行扫描和检测，以获取高分辨率的图像。
SEM具有优秀的分辨率和放大倍数，被广泛应用于材料科学、生命科学、纳米技术、地质学等领域。
SEM的工作原理如下：1. 产生电子束：通过电子枪产生高能电子束，电子枪包括一个热阴极和一根聚焦的阳极。
电子束可以通过区域限制器（aperture）来控制束流的大小。
2.加速电子束：电子束通过电子镜来加速，这是一个由透镜组成的系统。
电子束在电子镜中得到聚焦，束流变窄，成为高能、高分辨率的束流。
3.扫描样品：样品被放置在SEM的样品台上，电子束通过磁场的作用进行X、Y方向扫描。
扫描电子镜的样品台通常也可以进行上下方向的运动，以获得不同深度的图像。
4.接收和检测：当电子束照射在样品表面上时，样品中发生的相互作用将会发射出各种信号，包括二次电子、透射电子、X射线以及退火融合过程产生的光谱信号等。
SEM通过收集并检测这些信号，并将其转化为电信号。
5.构建显像：电信号被转化为亮度信号，并用于构建图像。
SEM可以生成大量的图像类型，包括二次电子图像（SE图像）、透射电子图像（BSE图像）、X射线能谱图（EDS图像）等。
6.分析和测量：SEM可以提供非常详细的样品表面形貌信息，包括形貌、尺寸、形状、纹理等。
还可以使用EDS技术分析样品的化学元素组成。
SEM的应用范围十分广泛：1.材料科学：SEM可以研究材料的微观结构、相变过程、表面形貌以及晶格结构等。
它可以用于分析金属、陶瓷、纤维、塑料等材料的微观结构，从而改进材料的性能和开发新材料。
2.生命科学：SEM非常适合观察生物样品的微观结构，如昆虫、细胞、细菌等。
它可以研究生物样品的组织结构、表面形貌，以及细胞壁、细胞器等微观结构。
3.纳米技术：SEM可以观察和测量纳米级别的颗粒、膜、纳米线、纳米管等纳米材料。
扫描电镜的基本结构和工作原理
扫描电镜的基本结构和工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它通过扫描样品表面并利用电子束与样品相互作用来获取样品的表面形貌和成份信息。
下面将详细介绍扫描电镜的基本结构和工作原理。
一、基本结构1. 电子枪：扫描电镜的电子枪是电子束的发射源，它由热阴极和加速电极组成。
热阴极通过加热发射电子，加速电极则用于控制电子束的能量和聚焦。
2. 准直系统：准直系统包括准直磁铁和透镜，主要用于聚焦电子束并使其垂直于样品表面。
3. 扫描线圈：扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描范围，通过改变扫描线圈的电流，可以实现对样品不同区域的扫描。
4. 检测系统：检测系统主要包括二次电子检测器和后向散射电子检测器。
二次电子检测器用于检测样品表面的二次电子发射信号，后向散射电子检测器则用于检测样品表面的后向散射电子。
5. 显示和记录系统：显示和记录系统用于将检测到的信号转化为图象，并显示在显示器上或者记录在存储介质上。
二、工作原理扫描电镜的工作原理主要分为以下几个步骤：1. 电子束的发射：扫描电镜中的电子束是通过热阴极发射的。
热阴极受到加热，产生高能电子。
2. 电子束的聚焦：经过准直系统的调节，电子束被聚焦为一个细小的束流，并且垂直于样品表面。
3. 电子束的扫描：扫描线圈控制电子束在样品表面的扫描范围。
电子束按照预设的扫描模式在样品表面扫描，扫描过程中，电子束与样品表面相互作用。
4. 信号的检测：样品表面与电子束相互作用后，会产生一系列的信号，包括二次电子和后向散射电子。
二次电子检测器和后向散射电子检测器将这些信号转化为电信号。
5. 图象的生成：检测到的电信号经过放大和处理后，转化为图象信号。
这些图象信号经过显示和记录系统的处理，最平生成可见的样品表面形貌图象。
扫描电镜的基本结构和工作原理使其能够在高分辨率下观察样品的表面形貌和成份信息。
相比传统的光学显微镜，扫描电镜具有更高的放大倍数和更高的分辨率，可以观察到更细微的细节。
扫描电子显微镜的工作原理
扫描电子显微镜的工作原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用聚焦的电子束来观察和分析样品表面的工具。
其工作原理包括以下几个步骤：1. 电子源：SEM中使用的电子源通常是热阴极，通过加热产生的热电子会形成电子云。
2. 加速电压：电子源后面通常会设置一个加速电压系统，该系统将电子云加速至非常高的能量（通常在数千至数十万电子伏特之间）。
3. 准直和聚焦：加速后的电子束会通过一系列的电磁透镜（准直透镜和聚焦透镜），使电子束尽可能地准直和聚焦到一个非常小的焦斑上。
4. 扫描线圈：扫描线圈被用来扫描电子束在样品表面上画出一个二维的图像。
这个图像的每个点（像素）都对应着样品表面上的一个小区域。
5. 样品交互：扫描电子束与样品表面中的原子和分子相互作用，其中包括以下几种主要交互方式：- 静电吸引：电子束在样品表面被静电力吸引，使得电子被样品表面吸附，并且在扫描过程中产生二次电子（Secondary Electrons，SE）。
- 弹性散射：电子与样品表面原子核或电子之间发生碰撞，使得电子改变方向，称为弹性散射。
- 非弹性散射：电子与样品表面原子或分子碰撞时，部分能量被转移到样品中，使得样品原子处于激发或离子化状态。
6. 探测信号：SEM中通过多种探测器来记录和检测与样品交互的不同类型信号，包括二次电子、散射电子、放射性同位素、X射线等信号。
这些信号能够提供关于样品表面形貌、化学成分和晶体结构等信息。
7. 图像处理和显示：最后，SEM将接收到的探测信号转化为电信号，并进行信号放大、数字化处理和图像显示，使得用户能够观察和分析样品表面的细微结构。
扫描电子显微镜的原理
扫描电子显微镜的原理1 原理介绍扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是由欧洲科学家在1938年发明的，也叫做电子扫描显微镜。
这种显微镜利用一个高度密集的电子束来对样本的表面进行扫描和观察，因此，它能够产生几乎比透镜发生的放大率更大的放大图像。
2 运作机制SEM的运作机制基本上是先通过放电构建出一个紧凑的电子束，并将这个电子束穿过一个电子加速器；然后，将电子加速过后的束流称为衍射束，并将它导入扫描电子显微镜，对样品进行扫描，随后，经衍射束穿过样品表面之后会返回原处，完成了一次扫描；这个返回的束流称为收集束，是检测电子衍射信号的基本束流，其经过电子加速器放大数倍，并由探测器探测，此时，将此信号发送至实时控制系统处理，之后，由实时控制系统进行数字化和显示，从而利用显示屏来显示观测到的电子衍射信号。
3 作用及应用SEM可以观察到一定程度上原子与原子之间的关系，典型尺寸观测范围一般在1µm ~ 1000µm之间，可以表现出物质形状和特征；在放射物理、材料分析、生理学、医学、生物学、检验技术、有机化学等领域中，都发挥着重要的作用，可以将特征与工艺、产品的质量指标紧密联系起来。
根据特定领域的实际情况，使用扫描电子显微镜可以绞尽脑汁，结合多种方法，发现更多实用性有价值的技术突破口，获得关键科技信息；同时，扫描电子显微镜也可以检测小尺寸，较细的孔径，例如检测半导体器件的缺陷，以便及时确认隐藏的缺陷，提高产品质量等。
4 改进及展望在改进扫描电子显微镜的性能方面，减少扫描束是常用的方法，改进的圆偏转电子阵列（Circular Divergent）容易达到这一要求，并通过改善系统性能，提供更高的放大率、更低的画面噪声和更大的视野范围，以及改善薄样本检测能力。
改进的衍射束让研究者使用不同的放电电压、放电电流和控制参数，实现快速横向扫描，显示画面更为清晰，因而在细节上得以更大程度地体现出来。
扫描电子显微镜的结构与原理
信号的收集与处理
在相互作用过程中产生的二次电子和背反 射电子被信号检测器收集，然后通过一系 列的放大和滤波处理，将信号转换为电信 号。这些电信号再被送入显示系统进行处 理，最终形成可供观察和分析的图像
图像的形成与显示
显示系统通常由一台计算机和显示器组成。 计算机接收到来自信号检测器的电信号后， 将其转换为数字信号，再通过图像处理软件 进行进一步处理。处理后的图像被实时显示 在计算机屏幕上或存储在硬盘中以供后续分 析。用户可以通过调整显微镜的各种参数( 如扫描速度、分辨率等)来优化图像质量
3
电子束的产生与聚焦
在扫描电子显微镜中，电子枪产 生电子束，经过加速电压加速后 ，通过一系列电磁透镜将电子束 缩小并聚焦在样品表面。这些透 镜通常由多个电磁线圈组成，通 过调整线圈电流的大小来控制透 镜的焦距，进而改变电子束的大 小和形状
电子束与样品的相互作用
当电子束扫描到样品表面时，会 与样品产生多种相互作用。其中 最主要的是二次电子和背反射电 子的产生。二次电子是样品表面 受到电子束轰击后，从原子中释 放出的低能电子。背反射电子则 是从样品表面反射回的较高能量 的电子。这两种信号都可以用于 形成样品的形貌图像
导师:xxx
我们的目录
1
2
3
4
引言
基本结构 工作原理 结论
1
它利用电子束扫描样品表面， 产生多种相互作用，从而获得 样品的形貌、成分、晶体结构
等信息
扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，简称 SEM)是一种用于观察物质表面 微观结构的电子光学仪器 本文将介绍扫描电子显微镜的 基本结构和工作原理
2
扫描电子显微镜主要由 以下几个部分组成
扫描电子显微镜
第二十四章扫描电子显微镜扫描电子显微镜是一种大型精密仪器，它是机械学、光学、电子学、热学、材料学、真空技术等多门学科的综合应用。
本章主要介绍扫描电子显微镜的工作原理、主要结构、特点、影响图像形成和质量的因素、主要操作步骤及样品制备技术等。
24.1 工作原理扫描电镜由电子枪发射出来电子束（直径约50 µm），在加速电压的作用下经过磁透镜系统汇聚，形成直径为5 nm的电子束，聚焦在样品表面上，在第二聚光镜和物镜之间偏转线圈的作用下，电子束在样品上做光栅状扫描，电子和样品相互作用，产生信号电子。
这些信号电子经探测器收集并转换为光子，再经过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显示系统上。
试样可为块状或粉末颗粒，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 keV～35 keV 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信号，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，得到反应试样表面形貌的二次电子像。
24.2 主要结构扫描电子显微镜的结构分为电子光学系统、信号收集、图像显示和记录系统、真空系统。
图24-1、图24-2为扫描电镜外型图和主机构造示意图。
24.2.1电子光学系统这部分主要由电子枪、电磁透镜、扫描线圈、样品室组成。
电子枪提供一个稳定的电子源，形成电子束，一般使用钨丝阴极电子枪，用直径约为0.1 mm的钨丝，弯成发夹形，形成半径约为100 µm的V型尖端。
当灯丝电流通过时，灯丝被加热，达到工作温度后便发射电子，在阴极和阳极间加有高压，这些电子则向阳极加速运动，形成电子束。
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。
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。
扫描电子显微镜
多模式和多功能：未来 的扫描电子显微镜将具 备多种模式和功能，例 如在观察形貌的同时进 行成分分析、晶体结构 分析等。此外，还将开 发出更多的附属功能， 如样品制备、图像处理 和分析等
扫描电子显微镜的发展趋势
自动化和智能化：随着 自动化和智能化技术的 不断发展，未来的扫描 电子显微镜将更加智能 化，具备自动调整参数 、自动聚焦、自动扫描 等功能。同时，还将引 入人工智能和机器学习 等技术，提高图像处理 和分析的自动化程度
高分辨率和高质量图像 ：随着透射电镜等其他 电子显微技术的发展， 扫描电子显微镜的分辨 率和图像质量也将得到 进一步提高。同时，新 的探测器和信号处理技 术也将被引入，以提高 图像的信噪比和对比度
高速扫描和实时成像： 为了更好地观察动态过 程和实时变化，扫描电 子显微镜的扫描速度将 得到提高，同时配备更 快的电子束扫描系统和 更灵敏的探测器，实现 高速扫描和实时成像
扫描电子显微镜的应用领域
总之，扫描电子显微镜作为 一种高分辨率的电子显微技 术，在各个领域都有着广泛 的应用前景
随着技术的不断发展和进步， 相信它的应用领域将会越来 越广泛
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扫描电子显微镜的发展趋势
扫描电子显微镜的发展趋势
随着科技的不断发展，扫描电子显微镜也在不断发展和改进，未来将会呈现出以下发展趋 势
材料科学：材料科学领域 需要对金属、陶瓷、聚合 物等材料的结构和性能进 行研究。扫描电子显微镜 能够提供高分辨率和高对 比度的图像，帮助研究人 员了解材料的微观结构和 性能之间的关系
扫描电子显微镜的应用前景
总之，扫描电子显微镜作为一种高分辨率的电 子显微技术，在各个领域都有着广泛的应用前
景
随着技术的不断发展和进步，相信它的应用领 域将会越来越广泛，为科学研究和技术创新做
扫描电子显微镜原理
扫描电子显微镜原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种用电子束替代光束对样品进行成像的高分辨率显微镜。
SEM具有非常高的分辨率和放大倍数，可以观察到微米到纳米级的细节。
其原理基于电子束与样品之间的相互作用，通过感应和检测来生成图像。
SEM的原理可以分为三个主要步骤：电子束产生和加速，电子束与样品交互，以及图像检测和生成。
首先，电子束产生和加速过程。
SEM使用热阴极发射枪或场发射枪来产生一个稳定且高能的电子束。
热阴极发射枪通过加热钨丝，使其发射电子；场发射枪则利用电场来加速和发射电子。
发射枪后方的聚束系统将电子束聚束成一个窄束。
接下来，电子束与样品交互。
电子束从顶部照射到样品表面，与样品表面的原子和分子发生相互作用。
主要有三种相互作用：散射，逸出和激发。
散射是电子与样品原子发生碰撞后的改变方向，逸出是电子穿透样品表面，进入真空中，激发是样品中的原子和分子受到电子束的能量激发。
最后，图像检测和生成过程。
SEM通过检测电子束与样品交互的结果来生成图像。
其主要包括二次电子检测和后向散射电子检测。
二次电子检测器探测到从样品表面发射的二次电子，而后向散射电子检测器则探测到从样品表面散射回来的电子。
二次电子图像提供了样品表面形貌的图像，而后向散射电子图像提供了更深入的结构和成分信息。
在SEM中，电子束的聚焦和扫描是通过一组聚束和偏转电磁透镜来实现的。
聚束透镜可以将电子束聚焦到非常小的尺寸，从而提高分辨率。
扫描透镜则通过逐个偏转电子束到样品的不同位置，从而形成样品的图像。
此外，SEM还可以通过斑点和线扫描的方式进行图像获取。
斑点扫描即电子束在一点上停留一段时间，然后再移动到下一个点。
线扫描则是电子束在样品上移动成一条线，然后再移动到下一行。
通过这两种扫描方式，可以获得高分辨率和比较快速的图像。
总结起来，扫描电子显微镜利用电子束与样品的相互作用生成图像。
通过电子束产生和加速、电子束与样品交互，以及图像检测和生成等过程，可以获得高分辨率的样品表面形貌以及更深入的结构和成分信息。
电子显微镜工作原理
电子显微镜工作原理电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种利用电子束代替光束进行成像的强大的显微观察仪器。
与光学显微镜相比，电子显微镜具有更高的分辨率和更大的放大倍数，可以观察更小尺寸的物体并提供更详细的结构信息。
一、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）的工作原理：扫描电子显微镜主要由电子光源、电子透镜、样品台和检测器等组成。
其工作原理如下：1. 电子光源产生电子束：扫描电子显微镜使用热阴极或场发射阴极作为电子光源，通过加热或电场激发，在真空中产生高能的电子束。
2. 电子透镜对电子束进行聚焦：电子束通过一系列电磁透镜，包括透镜和磁透镜，使电子束聚焦成细且集中的束流。
3. 样品表面的电子信号检测：电子束照射到样品表面后，与样品原子和分子发生相互作用，产生多种信号，包括二次电子、反射电子、透射电子、俄歇电子等。
其中，二次电子信号是最常用的检测信号。
4. 信号的收集和放大：检测器收集样品表面反射的电子信号，并将其转换为电信号。
经过放大和处理后，可以得到样品表面的形貌和成分信息。
二、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）的工作原理：透射电子显微镜是一种通过样品的透射电子进行成像的显微镜，适用于观察非导电材料的细节结构。
其工作原理如下：1. 电子光源产生高速电子束：TEM使用高能电子束作为照射光源，通过电子枪产生电子束，并通过聚焦透镜将电子束聚焦到极小尺寸。
2. 透射电子与样品相互作用：电子束穿过样品，与样品内部原子和分子发生相互作用，发生散射和吸收。
3. 透射电子的成像：样品上的散射电子经过一系列透射器件进行聚焦和透射，最终形成衍射图像。
这些图像可以提供样品的形貌、结构和晶体学信息。
4. 检测和成像：衍射图像通过检测器接收，并经过处理和放大，最终形成样品的原子级图像。
结语：电子显微镜作为现代科学研究中不可或缺的工具，通过照射和探测物质中的电子信号，能够提供高分辨率和高放大倍数的显微观察效果。
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10
分辨率的测定
• 扫描电子显微镜的分辨率是通过测定图像中两 个颗粒（或区域）间的最小距离来确定的。 • 测定的方法是在已知放大倍数（一般在10万倍） 的条件下，把在图像上测到的最小间距除以放 大倍数就是分辨率。 • 图为真空蒸镀金膜样品测定分辨率的照片。
• 扫描电子显微镜二次电子像的分辨率已优于 5nm。
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点分辨率测定照片
真空蒸镀金膜表面金颗粒分布形态
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放大倍数
• 当入射电子束作光栅扫描时，若电子束在样品表面 扫描的幅度为AS，相应地在荧光屏上阴极射线同步 扫描的幅度是Ac， Ac和AS的比值就是扫描电子显微镜 的放大倍数，即 M=Ac/AS。
7
Hale Waihona Puke 真空系统• 为保证扫描电子显微镜电子光学系统的正常 工作，对镜筒内的真空度有一定的要求。一 般为10-4-10-5mmHg。
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扫描电子显微镜的主要性能
• 分辨率 • 放大倍数
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分辨率
• 扫描电子显微镜分辨率的高 低和检测信号的种类有关。 下面列出了扫描电子显微镜 主要信号的成像分辨率。
各种信号的成像分辨率 （nm)
扫描电子显微镜的构造和工作原理
• 电子光学系统 • 信号的收集和 图像显示系统 • 真空系统
扫描电镜结构原理示意图
1
电子光学系统
电子光学系统包括： • 电子枪 • 电磁透镜 • 扫描线圈 • 样品室
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电子枪
• 扫描电子显微镜中的电子枪与透射电子显微 镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电子 显微镜低。
• 由于扫描电子显微镜的荧光屏尺寸是固定不变的， 电子束在样品上扫描一个任意面积的矩形时，我们 看到的扫描图像都和荧光屏尺寸相同。因此只要减 小电子束的扫描幅度就可以得到高的放大倍数 。 • 扫描电子显微镜的放大倍数可从数倍到80万倍左右。
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3
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，而是作聚 光镜用。它们的功能是把电子枪的束斑（虚光源）逐级聚焦 缩小，使原来直径约为50μm的束斑缩小成一个只有数纳米的 细小斑点。 • 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，用于缩小电子束光斑；第三个聚光镜是弱磁透镜（称 为物镜），具有较长的焦距。目的是使样品室和透镜之间留 有一定的空间，以便装入各种探测器。 • 扫描电子显微镜照射到样品上的电子束直径越小，相当于成 像单元的尺寸越小，相应的分辨率就越高。 • 普通热阴极电子枪的束径可达到6nm左右。
4
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。图示为电子束在样品表 面进行扫描的两种方式。 • 进行形貌分析时采用光栅扫描方式（a），当电子束 进入上偏转线圈时，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，发生二次偏转的电 子束通过物镜照射到样品表面。 • 如果电子束方向经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈 改变方向，而直接由物镜折射到入射点位置，称为角 光栅扫描（b）,在进行电子通道花样分析时采用这种 操作方式。
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样品室
• 样品室内除放置样品外，还安置信号探测 器。
• 样品台能使样品作平移、倾斜和转动等运 动。 • 样品室可带有多种附件，如加热、冷却、 拉伸等。
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信号的收集和图像显示系统
• 二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用 闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即 引起电离，当离子和自由电子复合后产生可见光。 可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放 大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放 大器放大后就成为调制信号。 • 由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫 描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上被激 发出来的信号强度来调制的，因样品上各点的状态 各不相同，所以接收到的信号也不相同，于是就可 以在显像管上看到一幅反映试样各点状态的扫描电 子显微图像。