实验五 扫描电子显微镜的结构原理及图像衬度观察
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。
实验五 扫描电子显微镜的结构原理及图像衬度观察
实验五扫描电子显微镜的结构原理及图像衬度观察一、实验目的1．了解扫描电镜的基本结构和工作原理。
2．通过实际样品观察与分析，明确扫描电镜的用途。
二、基本结构与工作原理简介扫描电镜利用细聚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、放大倍数范围大且连续可调、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六大部分，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。
图5-1是扫描电镜主机构造示意图。
试验时将根据实际设备具体介绍。
这一部分的实验内容可参照教材内容，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。
扫描电子显微镜(SEM)-PPT课件
特征X射线发射
五、特征X射线 （characteristic X-ray）
• 若这一能量以X射线形式放出，这就是该元素的K辐射， hc 此时X射线的波长为： K EK EL2 式中，h为普朗克常数，c为光速。对于每一元素，EK、EL2 都有确定的特征值，所以发射的X射线波长也有特征值， 这种X射线称为特征X射线。 K • X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律： 2 Z
三、吸收电子 （absorption electron）
• 入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量 损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子 产生），最后被样品吸收。 • 若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表， 就可以测得样品对地的信号，这个信号是由吸收 电子提供的。 • 入射电子束与样品发生作用，若逸出表面的背散 射电子或二次电子数量任一项增加，将会引起吸 收电子相应减少，若把吸收电子信号作为调制图 像的信号，则其衬度与二次电子像和背散射电子 像的反差是互补的。
• 背散射电子是指被固体样品中的原子反弹回来的一部分入 射电子。 • 其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。 • 弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大 于90的那些入射电子，其能量基本上没有变化。 • 弹性背散射电子的能量为数千到数万电子伏。 • 非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹 性散射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变化。 • 如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形 成非弹性背散发固体产生的 四种电子信号强度与入射电子强度之间必然满足以下 关系： i0=ib+is+ia+it 式中：ip ib is ia it 是透射电子强度。
将上式两边同除以i0 η+δ+a+τ =1 式中：η= ib/i0 δ= is/i0，为二次电子发射系数； a = ia/i0 τ = it/i0，为透射系数。
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
一、实验目的与任务
1.了解扫描电镜的基本结构和原理。
2..掌握扫描电镜试样的制备方法。
3. 熟悉利用二次电子信号拍摄扫描电镜照片。
二、扫描电镜的基本结构和原理
扫描电镜由电子光学系统、扫描系统、信号收集处理显示系统、真空系统、供电控制系统和冷却系统等六部分组成。
图1为其结构原理示意图。
图1 扫描电镜机构原理图
扫描电镜成像原理与闭路电视非常相似，显像管上图像的形成是靠信息的传送完成的。
电子束在样品表面逐点逐行扫描，依次记录每个点的二次电子、背散射电子或X射线等信号强度，经放大后调制显像管上对应位置的光点亮度。
扫描发生器所产生的同一信号又被用于驱动显像管电子束实现同步扫描，样品表面与显像管上图像保持逐点逐行一一对应的几何关系。
因此，扫描电子图像所包含的信息能很好地反映样品的表面形貌。
三、实验内容：
1.介绍扫描电子显微镜的生产厂家型号构造和工作原理.
2.讲解并演示扫描电镜试样的制备方法
3.讲解什么是二次电子，演示利用二次电子信号拍摄扫描电镜照片。
四、实验数据及处理
1、简述扫描电子显微镜的基本组成和工作原理。
2. 什么是二次电子？如何利用二次电子信号拍摄扫描电镜照片？
3. 扫描电镜对试样有何要求？应如何制备？。
实验五 扫描电子显微镜的结构原理及图像衬度观察
实验五扫描电子显微镜的结构原理及图像衬度观察一、实验目的1．了解扫描电镜的基本结构和工作原理。
2．通过实际样品观察与分析，明确扫描电镜的用途。
二、基本结构与工作原理简介扫描电镜利用细聚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、放大倍数范围大且连续可调、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六大部分，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。
图5-1是扫描电镜主机构造示意图。
试验时将根据实际设备具体介绍。
这一部分的实验内容可参照教材内容，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。
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。
扫描电子显微镜的原理及应用实验
扫描电子显微镜的原理及应用实验1. 简介扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并获取图像的仪器。
相比传统的光学显微镜，扫描电子显微镜具有更高的分辨率和更大的深度视野，能够观察到更加细微的结构和表面形貌。
2. 原理扫描电子显微镜的工作原理是利用电子束与样品相互作用并产生不同信号的原理。
主要包括以下几个步骤：2.1 电子束产生扫描电子显微镜使用热阴极或场发射阴极产生电子束。
电子束经过聚焦系统的聚焦后，形成一个细小的束斑。
2.2 电子束扫描和探测电子束通过扫描线圈进行水平和垂直方向的扫描。
样品的表面与电子束相互作用，产生多种信号，如二次电子（Secondary Electrons，SE）、反射电子（Backscattered Electrons，BSE）等。
2.3 信号响应与检测不同的信号在显微镜中被收集和检测。
二次电子主要用于获得样品表面拓扑信息，反射电子则用于获取样品的组成成分和晶体结构信息。
2.4 图像重建和显示收集到的信号经过放大、调制、转换等处理后，通过显示器显示出样品的图像。
图像的亮度和对比度可以通过调节各种参数来优化。
3. 应用实验3.1 表面形貌观察利用扫描电子显微镜可以观察到样品表面的形貌特征，例如微观纹理、晶体结构等。
这对于材料科学、地球科学以及生物学等领域的研究具有重要意义。
3.2 粒径测量通过扫描电子显微镜观察样品表面的颗粒，可以进行颗粒的粒径测量。
结合适当的图像处理软件，可以对颗粒的大小、形状等进行分析。
3.3 成分分析通过检测反射电子信号，可以分析样品的成分和元素分布情况。
利用能谱仪，可以进行能谱特征分析，获得样品中元素的种类和含量。
3.4 结构分析扫描电子显微镜可以观察到样品的晶体结构和纹理信息。
结合电子衍射技术，可以进一步分析样品中的晶体结构、晶体取向以及晶界等细节。
3.5 故障分析对于材料科学和工程领域的故障分析，扫描电子显微镜是一种常见且有效的工具。
扫描电子显微镜 引言扫描电镜结构原理扫描电镜图象及衬扫描电镜结果分析示例扫描电镜的主要特点PPT课件
电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样
分析后，可以完好保存或继续进行其它方面的分
析测试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证
据等的稀有试样分析尤为重要。
第38页/共77页
返回
5. 微区离子迁移研究
多年来，还用电子探针的入射电子 束注入试样来诱发离子迁移，研究了固 体中微区离子迁移动力学、离子迁移机 理、离子迁移种类、离子迁移的非均匀 性及固体电解质离子迁移损坏过程等， 已经取得了许多新的结果。
二次电子
入射电子与样品相互作用后，使样品原子较外层电子（价带或导带电 子）电离产生的电子，称二次电子。二次电子能量比较低，习惯上把能量 小于50eV电子统称为二次电子，仅在样品表面5nm－10nm的深度内才 能逸出表面，这是二次电子分辨率高的重要原因之一。
第11页/共77页
结论
背散射电子与二次电子 的信号强度与Z的关系
粉体形貌观察
(a) 300×
(b) 6000×
α—Al203团聚体(a)和 团聚体内部的一次粒子结构形态(b)
第24页/共77页
钛酸铋钠粉体的六面体形貌 20000×
第25页/共77页
返回
扫描电镜的主要性能与特点
▪放大倍率高（M=Ac/As）
▪分辨率高（d0=dmin/M总） ▪景深大（F≈ d0/β）
第43页/共77页
能谱定性分析主要是根据不同元素之 间的特征X 射线能量不同，即E＝hν，h 为普朗克常数，ν为特征X 射频率， 通过 EDS 检测试样中不同能量的特征X 射线， 即可进行元素的定性分析，EDS 定性速度 快，但由于它分辨率低，不同元素的特征 X 射线谱峰往往相互重叠，必须正确判断 才能获得正确的结果，分析过程中如果谱 峰相互重叠严重，可以用WDS和EDS联合 分析，这样往往可以得到满意的结果。
电镜图像衬度的原理及应用
电镜图像衬度的原理及应用1. 电镜图像衬度的定义电镜图像衬度是通过改变电子束的相位和幅度，来增强样品中激发电子的图像的一种技术。
它分析物体中的相位差，使得低对比度的物体部分得以清晰可见，提供更详细的信息。
2. 电镜图像衬度的原理电子的相位和幅度信息是通过载波电子束与样品中的电子相互作用得到的。
电子束在样品中传播时，与样品中的原子和电子发生相互作用。
相位差会改变入射电子的波前，从而对样品中电子的传播产生影响。
For example: - 圆盘状的器件，在传输电子显微镜中通常会出现相位包结构。
这个包结构出现的原因是因为在平面内，入射电子与样品原子相互作用后，改变了入射电子的相位。
进而使部分入射电子在特定位置上相消，这就导致了衬度的增加。
这种衬度的改变通过调节载波电子束的相位差和幅度差来实现。
衬度的衡量由电子的幅度差决定，幅度差决定了样品中物体的对比度。
3. 电镜图像衬度的应用电镜图像衬度技术在材料科学、生物学和纳米科学等领域有着广泛的应用。
以下是一些具体的应用案例：3.1 纳米材料的缺陷分析通过电子衬度技术，我们可以观察和分析纳米材料中的缺陷。
纳米材料的微小尺寸和复杂表面结构使得使用传统的显微镜观察难以获得足够的细节信息。
电镜图像衬度技术能够提供更清晰、更详细的图像，帮助科学家们研究纳米材料中的缺陷，并进一步改进材料的性能。
3.2 生命科学中的细胞研究在生物学研究中，电子显微镜图像衬度技术可以用于观察细胞的结构和功能。
通过增强低对比度的结构，如细胞器和蛋白质聚集，科学家们可以更好地了解细胞的内部结构和功能，从而为疾病的诊断和治疗提供重要的参考依据。
3.3 材料科学中的表面形貌研究电子显微镜图像衬度技术能够帮助科学家们观察材料表面的形貌。
通过增强图像的衬度，科学家们可以更清晰地观察材料表面的微观结构和纳米尺度的特征。
这对于研究材料的物理性质和表面反应具有重要意义。
3.4 半导体产业中的工艺控制电子显微镜图像衬度技术在半导体产业中也有重要应用。
扫描电镜实验报告
扫描电镜实验报告姓名：日期：2011年6月2日一、实验目的1、结合扫描电镜（SEM）实物，介绍其基本结构和工作原理，加深对扫描电镜结构及原理的了解。
2、应用SEM扫描观察实验样品的表面形貌。
二、实验仪器JEOL JSM-6490LV型扫描电子显微镜三、实验原理及内容扫描电子显微镜(SEM)的设计思想和工作原理，早在1935年便已被提出来了。
1942年，英国首先制成一台实验室用的扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不大。
经过各国科学工作者的努力，尤其是随着电子工业技术水平的不断发展，1956年开始生产商品扫描电镜。
近数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。
1、扫描电镜的基本结构（如图1所示）1）电子光学系统：电子枪、聚光镜、物镜光阑；2）扫描系统：扫描信号发生器、扫描放大控制器、扫描偏转线圈；3）信号探测放大系统：探测二次电子、背散射电子等信号；4）图像显示和记录系统：早期SEM采用显像管、照相机等，数字式SEM采用电脑系统进行图像显示和记录管理；5）真空系统：真空泵高于10-4Torr，常用机械真空泵、扩散泵、涡轮分子泵；6）电源系统：高压发生装置、高压油箱。
图1 扫描电镜成像原理图1—电子枪；2—镜筒；3—试样室；4—脉冲多道分析器；5—计算机；6—数据储存；7—视频放大器；8—信号处理系统；9—显象管；10—扫描发生器；11—Si （Li ）检测器L —电磁透镜；C —扫描线圈；S —试样；D1—二次电子检测器；D2—背反射电子检测器；SE —二次电子；BSE —背反射电子；SC —试样电流；EBIC —电子感生电流电子枪提供一个稳定的电子源，以形成电子束。
灯丝加热到工作温度后，出射的电子便离开V 型尖端。
由于阴极（灯丝）和阳极间加有1~30KV （一般20KV左图2 自偏压电子枪结构图右）的高压，这些电子则向阳极加速运动。
扫描电子显微镜基本原理和应用
扫描电子显微镜基本原理和应用扫描电子显微镜的基本原理和结构下图为扫描电子显微镜的原理结构示意图。
由三极电子枪发出的电子束经栅极静电聚焦后成为直径为50mm的电光源。
在2-30KV的加速电压下，经过2-3个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成孔径角较小，束斑为5-10m m的电子束，并在试样表面聚焦。
末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束在试样表面扫描。
高能电子束与样品物质相互作用产生二次电子，背反射电子，X射线等信号。
这些信号分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。
由于经过扫描线圈上的电流与显象管相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样表面任意点发射的信号与显象管荧光屏上相应的亮点一一对应。
也就是说，电子束打到试样上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。
换言之，扫描电镜是采用逐点成像的图像分解法进行的。
光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最後一行右下方的像元扫描完毕就算完成一帧图像。
这种扫描方式叫做光栅扫描。
扫描电镜由电子光学系统，信号收集及显示系统，真空系统及电源系统组成。
1 电子光学系统电子光学系统由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。
其作用是用来获得扫描电子束，作为产生物理信号的激发源。
为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。
<1>电子枪：其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。
目前大多数扫描电镜采用热阴极电子枪。
其优点是灯丝价格较便宜，对真空度要求不高，缺点是钨丝热电子发射效率低，发射源直径较大，即使经过二级或三级聚光镜，在样品表面上的电子束斑直径也在5-7nm，因此仪器分辨率受到限制。
现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，使二次电子像的分辨率达到2nm。
但这种电子枪要求很高的真空度。
扫描电子显微镜的原理和结构示意图<2>电磁透镜其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50m m 的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。
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 )
扫描电镜工作原理及其构造.
二次电子信号主要来自样品表层5~10nm深度范围，能量较低(小于 50eV)。 影响二次电子产额的因素主要有： (1)二次电子能谱特性； (2)入射电子的能量； (3)材料的原子序数； (4)样品倾斜角。
二次电子像的衬度可以分为以下几类：
(1)形貌衬度 (2)成分衬度 (3)电压衬度 (4)磁衬度(第一类)
背散射电子衬度有以下几类：
(1)成分衬度 (2)形貌衬度 (3)磁衬度(第二类)
背散射电子像的衬度特点：
（1）分辩率低 （2）背散射电子检测效率低，衬度小 （3）主要反应原子序数衬度
二次电子运动轨迹 背散射电子运动轨迹 图10-7 二次电子和背散射电子的运动轨迹
二、应用
1．断口形貌观察 2．显微组织观察 3．其它应用（背散射电子衍射花样、电子通道花样等用于晶体学取 向测定）
3．信号检测放大系统
作用：收集(探测)样品在入射电子束作用下产生的各种物理信号，并 进行放大。 不同的物理信号，要用不同类型的收集系统。 闪烁计数器是最常用的一种信号检测器，它由闪烁体、光导管、光电 倍增管组成。具有低噪声、宽频带(10Hz~1MHz)、高增益(106)等 特点，可用来检测二次电子、背散射电子等信号。
第三节 电子探针X射线显微分析（EPMA）
EPMA的构造与SEM大体相似，只是增加了接收记录X射线的谱仪。 EPMA使用的X射线谱仪有波谱仪和能谱仪两类。
图10-17 电子探针结构示意图
一、能谱仪
能谱仪全称为能量分散谱仪(EDS)． 目前最常用的是Si(Li)X射线能谱仪，其关键部件是Si(Li)检测器， 即锂漂移硅固态检测器，它实际上是一个以Li为施主杂质的n-i-p型 二极管。
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。
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。
实验5 扫描电镜及其观察
实验5扫描电镜及其观察一、实验目的和任务1 .了解扫描电镜的基本结构和原理2 .了解扫描电镜试样的制备方法3 .了解二次电子象，被散射电子像和吸收电子像观察记录操作的全过程机及其在形貌组织观察中的应用二、扫描电镜的构造扫描电镜是由电子枪发射并经过聚焦的电子束在样品表面扫描，激发样品产生各种物理信号，经过检测、视频放大和信号处理，在荧光屏上获得能反映样品表面各种特征的扫描图像。
扫描电镜由下列五部分组成，如图1(a )所示。
各部分主要作用简介如下：b )图1扫描电子显微镜构造示意图1. 电子光学系统a ) 第嗥比镜I 備转挾圍、F 偏转珏隆它由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成，如图1(b)所示。
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形式：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。
前两种属于热发射电子枪，后一种则属于冷发射电子枪，也叫场发射电子枪。
由表可以看出场发射电子枪的亮度最高、电子源直径最小，是高分辨本领扫描电镜的理想电子源。
电磁透镜的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斑越小，其分辨率就越高。
扫描电镜通常有三个磁透镜，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，每级磁透镜都装有光阑；为了消除像散，装有消像散器。
2.扫描系统扫描系统的作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧光屏上的同步扫描信号。
3.信号检测、放大系统样品在入射电子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。
4.真空系统镜筒和样品室处于高真空下，一般不得高于1x10-2Pa,它由机械泵和分子涡轮泵来实现。
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）是一种利用电子束来观察样品表面形貌和成分的仪器。
它采用电子束代替传统显微镜中的光线，利用电子和样品之间的相互作用产生的信号来形成显微图像。
扫描电子显微镜的工作原理可简要描述如下：
1. 电子源：SEM使用热阴极电子源或场发射电子源产生高能散射电子束。
这些电子通过加速装置加速，形成高速电子束。
2. 减束系统：电子束通过减束系统聚焦，使其在样品表面形成细小的束斑。
3. 样品：待观察的样品通常需要经过预处理，如金薄层涂覆或真空处理。
当电子束照射到样品表面时，样品会与电子相互作用。
4. 信号检测：与样品表面相互作用的电子将产生多种信号，包括二次电子、反射电子、透射电子等。
这些信号将被探测器捕捉并转换为电信号。
5. 图像生成：转换后的电信号被发射到显示屏或计算机上，并由图像生成系统处理，形成二维或三维的显微图像。
扫描电子显微镜具有较大的深度和表面对比度，可以观察到非常小的细节，甚至可以达到纳米级别的分辨率。
由于其工作原
理的特殊性，SEM常被应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域，为科学研究和技术发展提供了强有力的工具。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实验五扫描电子显微镜的结构原理及图像衬度观察
一、实验目的
1．了解扫描电镜的基本结构和工作原理。
2．通过实际样品观察与分析，明确扫描电镜的用途。
二、基本结构与工作原理简介
扫描电镜利用细聚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、放大倍数范围大且连续可调、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六大部分，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。
图5-1是扫描电镜主机构造示意图。
试验时将根据实际设备具体介绍。
这一部分的实验内容可参照教材内容，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5~10nm，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。
因此，二次电子像适合于显示表面形貌衬度。
二次电子像的分辨率较高，一般约在3~6nm。
其分辨率的高低主要取决于束斑直径，而实际上真正达到的分辩率与样品本身的性质、制备方法，以及电镜的操作条件如高压、扫描速度、光强度、工作距离、样品的倾斜角等因素有关。
在最理想的状态下，目前可达到的最佳分辨率为1nm。
扫描电镜图像表面形貌衬度几乎可以用于显示任何样品表面的超微信息，其应用已渗透到许多科学研究领域，在失效分析、刑事案件侦破、病理诊断等技术部门也得到广泛应用。
材料科学研究领域，表面形貌衬度在断口分析等方面显示有突出的优越性。
下面就以断口分析等方面的研究为例说明表面形貌衬度的应用。
利用试样或构件断口的二次电子像所显示的表面形貌特征，可以获得有关裂纹的起源、裂纹扩展的途径以及断裂方式等信息，根据断口的微观形貌特征可以分析裂纹萌生的原因，裂纹的扩展途径以及断裂机制。
图5-2是比较常见的金属断口形貌二次电子像。
较典型的解理断口形貌如图5-2a所示，在解理断口上存在有许多台阶。
在解理裂纹扩展过程中，台阶相互汇合形成河流花样，这是解理断裂的重要特征。
准解理断口的形貌特征见图5-2b，准解理断口与解理断口有所不同，其断口中有许多弯曲的撕裂棱，河流花样由点状裂纹源向四周放射。
沿晶断口特征是晶粒表面形貌组成的冰糖状花样，见图5-2c。
图5-2d显示的是韧窝断口的形貌，在断口上分布着许多微坑，在一些微坑的底部可以观察到夹杂物或第二相粒子。
由图5-2e可以看出，疲劳裂纹扩展区断口存在一系列大致相互平行、略有弯曲的条纹，称为疲劳条纹，这是疲劳断口在扩展区的主要形貌特征。
图5-2示出的具有不同形貌特征的断口，若按裂纹扩展途径分类，其中解理、准解理和韧窝型属于穿晶断裂。
显然沿晶断口的裂纹扩展是沿晶表面进行的。
图5-1 扫描电镜主机构造示意图
图5-2 几种具有典型形貌特征的断口二次电子像
a) 解理断口b) 准解理断口 c)沿晶断口d) 韧窝断口e) 疲劳断口
图5-3是显示灰铸铁显微组织的二次电子像，基体为珠光体加少量铁素体，在基体上分布着较粗大的片状石墨，与光学显微镜相比，利用扫描电镜表面形貌衬度显示材料的微观组织，具有分辨率高和放大倍数大的优点，适合于观察光学显微镜无法分辨的显微组织。
为了提高表面形貌衬度，在腐蚀试样时，腐蚀程度要比光学显微镜使用的金相试样适当的深一些。
表面形貌衬度还可用于显示表面外延生长层(如氧化膜、镀膜、磷化膜等)的结晶形态。
这类样品一般不需进行任何处理，可直接观察。
图5-4是低碳钢板表面磷化膜的二次电子像，它清晰地显示了磷化膜的结晶形态。
3．原子序数衬度观察原子序数衬度是利用对样品表层微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号，如背散射电子、吸收电子等作为调制信号而形成的一种能反映微区化学成分差别的像衬度。
实验证明，在实验条件相同的情况下，背散射电子信号的强度随原子序数增大而增大。
在样品表层平均原子序数较大的区域，产生的背散射信号强度较高，背散射电子像中相应的区域显示较亮的衬度；而样品表层平均原子序数较小的区域则显示较暗的衬度。
由此可见，背散射电子像中不同区域衬度的差别，实际上反映了样品相应不同区域平均原子序数的差异，据此可定性分析样品微区的化学成分分布。
吸收电子像显示的原子序数衬度与背散射电子像相反，平均原子序数较大的区域图像衬度较暗，平均原子序数较小的区域显示较亮的图像衬度。
原子序数衬度适合于研究钢与合金的共晶组织，以及各种界面附近的元素扩散。
图5-3 灰铸铁显微组织二次电子像图5-4 低碳钢板磷化膜结晶形态二次电子像图5-5是Al-Li合金铸态共晶组织的背散射电子像。
由图可见，基体α-Al固溶体由于其平均原子序数较大，产生背散射电子信号较强，显示较亮的图像衬度。
在基体种平行分布的针状相为铝锂化合物，因其平均原子序数小于基体而显示较暗的衬度。
图5-5 Al-Li合金铸态共晶组织的背散射电子像
a) 横截面b) 纵截面
在此顺便指出，由于背散射电子是被样品原子反射回来的入射电子，其能量较高，离开样品表面后沿直线轨迹运动，因此，信号探测器只能检测到直接射向探头的背散射电子，有效收集立体角小，信号强度较低。
尤其是样品中背向探测器的那些区域产生的背散射电子，因无法到达探测器而不能被接收。
所以利用闪烁体计数器接收背散射电子信号时，只适合于表面平整的样品，实验前样品表面必须抛光而不需腐蚀。
四、实验报告要求
1．扫描电镜的基本结构及特点
2．说明扫描电镜表面形貌衬度和原子序数衬度的应用。