扫描电镜的结构与操作

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1、扫描电镜的结构与操作透射电子显微镜与光学显微镜一样，照明束穿过样品経过透镜的放大后，整个像是同时形成的。而扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，简称扫描电镜或SEM)则以完全不同的方式成像。其基本要点是：用极狭窄的电子束去扫描样品，即电子束在样品上作光栅运动。电子束与样品相互作用将会产生各种信息，例如样品的二次电子发射，发射出来的电子称为二次电子。使用我们下面将讨论的方法，二次电子能产生样品表面放大的形貌像。这个像是在样品被扫描时按时序地建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大的像。早在1935年，透

2、射电镜发明后不久，Knoll就提出利用一个扫描电子束从固体表面获得图像的原理。但由于技术上的原因，直至1965年扫描电镜才成为商品而被利用。此后，由于扫描电镜具有许多优点，使它在许多学科包括生物学的各个方面获得广泛的应用，成为极有价值的工具。结构扫描电镜主要是由电子光学系统和显示单元组成，电子光学系统也称为镜筒，它的外观与透射电镜的镜筒相似，实际上相当于透射电镜的照明系统(SEM不需要成像系统)，它是由电子枪、几个磁透镜、扫描线圈以及样品室组成(见图2-1)电子枪与透射电镜的电子枪基体相同，只是加速电压较低，一般在40kV以下。磁透

3、镜一般有三个：第一、二聚光镜和物镜，其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。这是因为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上使它在样品上扫描。扫描的区域、扫描速率和每厘米的扫描线数都可以选择。这个电路同时输送锯齿波电流给显示部分的显像管(CRT)的偏转线圈，所以镜筒的电子束与显像管的电子束是严格同步的

4、。出于与透射电镜同样的理由，镜筒也是被真空系统排气至高真空，一般为10-3Pa的真空度。扫描电镜的真空系统也与透射电镜的真空系统相似，由机械泵、扩散泵、检测系统、管道及阀门等组成。样品室位于镜筒的底部，样品放于样品台上，样品台带有使样品移动(前后、左右、上下)、倾斜和旋转的控制杆。为了能观察大块样品，样品室是大于透射电镜的。与透射电镜一样，扫描电镜的镜筒也有一套合轴调整装置，但相对比较简单。显示单元包括信号的收集、放大、处理、显示与记录部分(见图2—2)。信号的收集是由探测器(或称收集器,见图2—3)完成，二次电子的探头是一个闪烁片

5、，这是一个圆形玻璃片，其上镀有约0.07μm厚的铝导电层，在导电层上加上+10kY的高压。入射电子射到样品上引起的二次电子发射,二次电子被高压吸引射到闪烁片上使其发光，在闪烁片后面接上一光导棒，用它把闪烁片产生的光信号送到它后面的光电倍增管。经光电倍增管放大接到后面的前置放大器和视频放大器，最后接到显像管的栅极。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。为了完成聚焦、消散以及放大率，视野和加速电压的选择以及反差与亮度的调节，需一系列的电路以及相应的调节旋钮。[编

6、辑]成像原理扫描电镜的工作过程是这样的：从电子枪灯丝发出的直径约20～35μm的电子束，受到阳极的1—40kV高压的加速射向镜筒，并受到第一、二聚光镜(或单一聚光镜)和物镜的会聚作用，缩小成直径约几十埃的狭窄电子束射到样品上。与此同时，偏转线圈使电子束在样品上作光栅状的扫描。电子束与样品相互作用将产生多种信号，其中最重要的是二次电子。各种信息的探测要用不同的探测器，二次电子探测器如上所述，二次电子能量很低(小于50eV)，受到闪烁片上的高压(+10kV)的吸引而加速射向闪烁片，闪烁片受到二次电子的冲击把电子的动能转变成可见光，光通过

7、光导棒送到光电倍增管，在那里光被高倍放大并转换成为电流。这个电信号经过前置放大、视频放大后，用它去调制显像管的亮度。由于控制镜筒入射电子束的扫描线圈的电路同时也控制显像管的电子束在屏上扫描，因此两者是严格同步的，在样品上被扫描的区域与显像管的屏是点点对应的。在样品上任何一点上的二次电子发射的强度的任何变化将表现为在屏上对应点的亮度的变化，用这种方法就如电视机屏上的像一样，一点一点，一线一线地组成了像。这个像可以在观察显像管的屏上观察，也可以把照相显像管屏上的像拍摄记录下来。由二次电子所形成的像——二次电子像，反映了样品表面的形貌。我

8、们可以这样理解：二次电子像每一点的相对亮度取决于样品对应点的二次电子发射率，每点的二次电子发射率取决于电子束的加速电压、束流、电子束的入射角(即入射束与样品表面法线间的夹角)和样品原子序数。对于加速电压和束流给定的电子束，二次电子发射