电子显微镜的结构与工作原理

也有EPMA装配了WDS，也装配了EDX，主要是为了分析效率的提高。
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EPMA结构与工作原理
镜 筒 部 分
（1）镜筒部分：与扫描电子显微镜基本相同。 （2）样品室：也与SEM无分别。 （3）信号检测系统：EDS和WDS（前述）
扫面电子显微镜（JSM-35CF) 日本电子公司 分辨率：6nm
电子探针（JCXA-733) 日本电子公司
样品室中还安 置各种信号检测 器。
样品台还可以 带有多种附件， 如加热，冷却或 拉伸，可进行动 态观察。
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2、信号检测、收集和图像显示系统 （1）信号检测器 ➢ 二次电子检测器， ➢ 背散射电子检测器 ➢ X射线检测器。
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a.二次电子检测器
二次电子检测器及检测原理示意图
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b.背散射电子检测器
第一聚光镜 一次像（交叉斑）
第二聚光镜 二次像（交叉斑）
物镜 三次像（束斑）
缩小了M1倍 缩小了M2倍
样品
缩小了M3倍
电磁透镜工作原理
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（3）消像散器 当电子光学系统的磁场或电场的轴对称性被破
坏时，原来应该是圆的交叉点像变为细长的,荧光 屏上的图像好像流水一样，向一个方向模糊。
像散使图像模糊或重影，它直接影响仪器的分 辨率。
6、能进行动态观察
在扫描电子显微镜上安装不同类型的样品台，可 直接观察处于不同环境（加热、冷却、拉伸等） 中样品结构、形态的变化。
7、自动化程度高
自动控制系统：停水、停电具有安全装置。 图像调试方面：自动调焦、自动调节亮度、对比 度，自动照相，自动编录等。
目前性能良好的扫描电子显微镜，整个调试系 统实行微机控制，提高了图像质量。
试样
扫描系统示意图
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扫描速度可通过改变扫描线圈电源的锯齿波电 流周期实现。
快速扫描：0.02s、0.5s等，多用于寻找视场， 5s、10s ，用于一般观察，
慢速扫描：40-50s，用于扫描图像采集。 放大倍数调节：改变锯齿波振幅（电流量）。
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（4）样品室
样品室中主要部件是样品台：移动，0－50° 倾斜，360 °转动。
三种电子枪的性能比较
类型 热电子发射
参数
发叉式钨丝
亮度（A/cm·sr） 105
光源大小（μm） 20
寿命（h）
40-100
工作温度（K） 2600
真空度（mmHg） 10-5
发射电流（μA） 100
能量范围（eV） 3-4
熔点（℃）
3370
仪器分辨率（Å） 60
六硼化镧 106 10 1000 1800-1900 10-6 250 2-3 2200 35
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（2）电磁透镜 作用:把电子枪的束斑逐渐缩小，使原来直径约
为50μm的束斑聚焦成一个只有数nm的细小束斑。 工作原理：电磁聚焦。 三组透镜：前两个为强磁透镜，用来缩小电子
束光斑直径。第三个是弱磁透镜，具有较长的焦距， 在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹 的干扰。
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Байду номын сангаас
电子枪交叉斑 “物”
场发射
109 5-10 >1000 加热器温度 10-9－10-10 5-20 0.2 3370 10
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三种电子束的束斑直径与灯丝电流的关系
电流的增加，意味着束斑直径的加大，电子显微镜的分辨 率降低。
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加速电压与束斑直径的关系，
加速电压越大，作用深度、作用范围也加大。横向作用范围的 扩大，意味着束斑直径的自然加大、电子显微镜的分辨率降低。
第3章 电子显微镜的结构与工作原理
§3.1 SEM的结构及工作原理 §3.2 EPMA及TEM的结构及工作原理
§3.1 SEM的结构及工作原理
3.1.1 SEM的结构及工作原理
镜筒 (电子光学系统)
探 测 器 系 统
样品室
显示和控制系统
机柜(电路板、真空系统）
SU8010
JSM-35CF
2
各
部
结构组成：
EPMA成分分析 1. 定量分析相对容易。 比如要分析样品中的Zn，则可选用TAP晶体检测Zn的 Lα射线，或采用LiF晶体分析Zn的L α 射线。 分析时，只需要把晶体转动到该射线对应的衍射角度， 即可方便快速地分析是否含有该元素、含量是多少。
定量分析一种元素，仅需几秒钟。 定量分析采用有标样比对的分析，即有标定量分析，或 绝对成分分析。
试样 操作
薄片或实体 一般工作条件
实体等 高真空条件
超薄切片，薄膜等， 厚度小于1000Å
高真空条件
主要为WDS设计电子显微镜称电子探针(EPMA)，否则称扫描电镜(SEM)
EPMA Electron Probe Microscopic Analyzer
SEM Scanning Electron Microscopy
当然也有的SEM也装配了WDS，但仪器设计不是主要针对WDS分析， 依然称为SEM。
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扫 描 电 子 显 微 镜 的 成 像 原 理
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3.1.2 扫描电子显微镜的性能 1、分辨率 分辨率是电镜的主要性能指标。 微区成分分析：指能分析的最小区域； 成像：它是指能分辨两点之间的最小距离。 分辨率的影响因素：束斑直径、检测信号类型
及原子序数共同决定。
（1）电子束直径越小，分辨率越高。 ➢ 热钨丝电子枪：100-60Å； ➢ 六硼化镧/场发射电子枪:10-30Å； ➢ 超高真空扫描电子显微镜：5Å。 （2）信号不同，分辨率不同
分
的
➢电子光学系统，
功 能
➢信号收集处理系统
及
➢图像显示和记录系统
工 作
➢真空系统及电源供给
原
理
3
1、电子光学系统
功能：产生具有一定能量、强度和直径的电子束， 并将其照射到样品表面上。
组成：电子枪、电磁透镜、扫描线圈、消像散器、 样品室和有关电源组成。
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(1)电子枪 作用：产生连续不断的稳定的电子流。
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F NF
e
S
S
F FN
像散校正装置工作原理图
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（4）扫描线圈 通过双偏转扫描线
圈的作用，使电子束 在试样表面和荧光屏 上实现同步水平（行 扫）和同步垂直（帧 扫）二维扫描。
入射电子束 会聚透镜
X1’ y1’
X2’ y2’
y1 偏转线圈
X1 （上层）
y2 偏转线圈
X2 （下层）
像散校正线圈 偏转中心
液氮 Si（Li）
多道脉冲 分析器
电传打字机
X射线
样品
前置放大器
偏压电源
能谱仪框图
记录器
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（2）图像显示和记录系统 ➢ 样品表面和荧光屏上同步扫描 ➢ 亮度、对比度、放大倍数调节 ➢ 照相和图像数字输出
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3、电源系统和真空系统
电源系统：提供扫描电镜各部分所需的电能。 真空系统：采用不同的电子枪的扫描电子显微镜 对真空度的要求不同。
100Å),扫描电子显微镜只要具备2万倍的放大能力就 够了。
3、图像景深大（焦深）大、立体感强
4、观测视场大
扫描电子显微镜中，能同时观察试样的视场范 围F由下式决定：
F=L/M L－荧光屏尺寸，M－放大倍数 低倍观察样品全貌，而高倍观察样品局部现象。
5、综合分析能力强
扫描电子显微镜若安装其它附件，如X射线能 谱仪、吸收电子探测器、扫描透射电子探测器等， 则可以综合进行观测。
在扫描电子显微镜中，通常背散射电子与二 次电子通用一个检测器，一般通过改变检测器电 压实现，即将二次电子收集极电压改为负的 250V左右，以阻挡二次电子进入检测器，接收 背散射电子。获得背散射电子图像。
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c. 特征X射线检测器
能量色散谱仪（简称能谱仪EDS）
电子束 Be窗 场效应晶体管
主放大器
CRT
各种信号成像的分辨率（nm）
信号 分辨率
俄歇电子 <2
二次电子 背散射电子 吸收电子 特征X射线
<10
50－200 100－1000 100－1000
（3）元素不同，分辨率不同
➢对轻元素而言：滴漏状
➢对重元素而言：半球状，即 使束斑直径很小，也不能达到 很高的分辨率
2、 放大倍数 入射电子束在样品表面扫描的幅度为As，在荧光
2. 定性分析相对困难 若样品中所含元素未知，则需选用所有的分光晶体，扫 描各自波段的全部特征X射线。一般完成一个这样的完 整过程，约需2小时。
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3.2.2 TEM
TEM:是以波长极短的电子束作为照明源， 用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、 高放大倍数的电子光学仪器。
主要用途：微区结构分析
组成：电子光学系统、电源、控制系统及 真空系统。电子光学系统通常称镜筒，是 透射电子显微镜的核心。它分为三部分： 照明系统、成像系统和观察记录系统。
屏阴极射线同步扫描的幅度为Ac，则扫描电镜的放 大倍数为: M=Ac/As
当Ac=100mm时，若改变扫描线圈的电流， 若As=5mm，M=20; 若As=0.05mm，M=2000。
有效放大倍数:将样品细节放大到人眼刚能看清楚时 的放大倍数。
若仪器的分辨率为100Å，则有效放大倍数为：
M有效＝人眼分辨率/仪器分辨率＝0.2mm/100Å=2×104 显然，观察100Å的细节（仪器的分辨率为
结构
（1）照明系统： 电子枪和聚光镜
（2）成像系统： 物镜、中间镜和 投影镜
（3）观察和记 录系统：荧光屏 和照相机构。
几种显微镜的性能比较
项目
光学显微镜
扫描电子显微镜 透射电子显微镜
最高（特殊） 分
0.1μm（紫外光） 5Å（超高真空）
辨 率
一
般
熟练操作 者可达到
0.2μm
产品 容易达到 5μm
100=60 Å 1000 Å
放大倍数
10-2000
20-200，000
1-2Å（特殊试样）
5-7 Å 50-70Å 100-800，000
景深
0.1mm（10倍） 1μm（100倍）
10mm（10倍） 1mm（100倍） 0.1mm（1000倍） 一般小于1000Å 10 μ m （ 10 ， 000 倍 ） 1 μ m （ 100 ， 000 倍 ）
8、样品制备简单
制备简单，用量少，一般不破坏样品表面。
§3.2 EPMA及TEM的结构及工作原理
3.2.1 EPMA
功能：主要是进行微区成分分析。 原理：用细聚焦电子束入射到样品表面，激发出样品 元素的特征X射线，分析特征X射线的波长（或者特征 能量）即可知道样品中所含元素的种类（定性分析）， 分析X射线的强度，则可知道样品中对应元素含量的多 少（定量分析）。