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-highresolution）扫描电镜，加速电压为1kV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。提高角分辨率。

被聚光镜缩小的光斑再由物镜进一步缩小，使光斑直径为几十埃。然后汇聚在样品上。

物镜有两个极靴，分别为上级靴和下级靴。上下级靴的形状不对称，极靴孔径也不同，以适应不同需要。为在物镜上级靴孔内装扫描线圈、消像散器，也为降低球差和色差，上级靴孔径稍大些。为避免透镜磁场对二次电子图像及磁性材料观察的影响，下级靴孔径稍小些。

物镜可动光栅用于调整电子探针孔径角，缩小电子束斑直径，以获得最大探针电流。在观察二次电子图像时，调整物镜可动光栅可获得焦深大的电子显微图像。

②电子探针扫描偏转系统

电子探针扫描偏转系统是扫描电镜特殊部件。采用上下两对偏转线圈，放在物镜上级靴孔中，其中上下各有一对线圈产生X方向扫描，成为行扫，另外上下各有一对线圈产生Y方向扫描，成为帧扫。因要求电子探针在样品上扫描，与电子束在显像管荧光屏上扫描同步，通常用一个扫描发生器驱动扫描线圈及显像管扫描偏转线圈。

（2）电子讯号收集、处理和显示

扫描电镜束与样品作用后可产生多种讯号：①二次电子②背散射电子③X射线④吸收电子⑤俄歇电子⑥阴极发光⑦电子-空穴对⑧透射电子。各种讯号由特定的检测系统收集检测，形成不同电子图像。

二次电子探测器是扫描电镜的重要部件之一，结构图如下：

二次电子收集系统的组成：①栅网②聚焦环③闪烁体

栅网上加+250V电压，用来吸引二次电子。通过调整聚焦环位置可改变闪烁体前加速电场分布，使二次电子比较集中打到加有+12kV 的高压的闪烁体上。

二次电子大部分信号穿过栅网，打到闪烁体上，转换成光信号，经光导管传递到光电倍增管进行信号放大，将光电倍增管输出的电流信号接到视频放大器，再稍加放大后即可用来调制显像管亮度，从而

获得图像。

扫描电镜图像显示在显像管上并由照相机记录。扫描电镜一般有两个显示通道，一个用于观察，一个用于照相记录。用于观察的显像管分辨率较低，边长10cm荧光屏上有500条线。用于照相记录的显像管分辨率较高，边长10cm荧光屏上有800～1000条。

（3）样品室、真空及电气系统

扫描电镜样品室位于镜筒下方，装有冷阱附件，冷阱内冷却片端部位于样品与物镜极靴之间。工作时放入液氮以冷却冷却片，在样品周围造成低温环境，减少污物污染镜筒及样品。冷阱主要在X射线分析时使用。

扫描电镜真空系统与透射电镜基本相同。包括机械泵扩散泵、气动碟阀、真空管道和真空测量装置等。机械泵与油扩散泵串接，将镜筒抽成高真空状态，真空要求高于1.33×10-4Pa。

电气系统有高压电源、透射电源、光电倍增管电源，扫描部件、微电流放大器和低电压电源等，要求具有高稳定度。

三、扫描电镜的工作原理

在5～30 KV 加速电压作用下，电子枪发出几十微米直径的电子束，经第一、第二光镜及末透镜缩小成直径约几十埃的电子探针，会聚在样品上。在位于第二聚光镜和物镜之间的扫描线圈作用下，电子探针在样品表面作光栅状扫描并激发多种电子信号。这些电子信号被相应地收集检测系统收集，经放大并转换成电信号，被送到显像管栅极用以调制显像管的亮度。显像管中的电子束在荧光屏上也作光栅

状扫描，这种扫描运动与样品表面电子束扫描运动严格同步。所以，由探测器逐点检测的电子信号，将一一对应调制显像管相应点的亮度。即电子束在样品表面与显像管的严格同步扫描，使得电子像衬度与所接收信号强度一一对应，由此获得反应样品表面形貌或成分特征的扫描电子显微图像。