金属材料扫描电镜观察及分析

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1、金属材料扫描电镜观察及分析机械工程实验教学中心了解扫描电子显微镜的基本工作原理；了解扫描电子显微镜的基本操作；对扫描电子显微镜照片能作基本分析。实验目的机械工程实验教学中心在结构研究中，大量的样品需要在高放大倍数、更多细节的水平上进行观察和分析。同时，随着样品种类的不断增多（如：低原子序数材料，不导电材料等），需要扫描电子显微镜提供优异的低加速电压性能，以获得高质量的真实表面图像。SEM－6460扫描电子显微镜就是根据这一要求而设计的。它还提供了低加速电压的背散射电子图象，同时安装了能谱仪器仪系统，可对材料

2、进行形貌观察、能量散射X射线分析和二元合金组成的背散射电子图像分析，其最新应用还包括：计量分析、立体观察、图像分析与处理、半导体结晶学和缺陷探测等。扫描电镜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

3、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。实验原理机械工程实验教学中心扫描电子显微镜主要由两部分组成：电子光学系统和信号检测系统。（一）电子光学系统　　电子光学系统根据电子的波粒二重性，把电子当作一种波来处理，把发射的电子流作为一种光源，利用运动电子在电磁场在会发生偏转的原理，制成晓以电磁透镜来控制光路，把电子束会聚或发散，

4、制成扫描电子显微镜。扫描电子显微镜的电子光路及对应的镜筒装置如右图。扫描电子显微镜组成机械工程实验教学中心电子光学系统的基本组成有：由电子枪、电磁聚光镜、物镜、样品台、真空系统。电子枪。电子枪是发射电子的电子源，通常是钨灯丝或六硼化斓灯丝。在高温加热时，其表层电子活跃，很容易被外加的强电场拉走，飞逸出灯丝表面而形成电子束流。聚光镜。电子枪发射的电子流是发散的，必须把它们收集汇聚才能作为一束光来使用。一般电镜至少有一级聚光镜。电磁透镜实质上是一组线圈，绕在软铁芯上。通电后产生环形磁场，控制电子的偏转运动，使之

5、会聚或发散。软铁芯的中心轴孔部分称作极靴，其加工精度将直接影响透镜的球差和像散，是电镜中最精密的部分。偏移系统的作用是使电子束产生横向偏移，包括用于形成光栅状扫描的扫描系统，以及使样品上的电子束间断性消隐或截断的偏转系统。偏转系统可以采用横向静电场，也可采用横向磁场。物镜。物镜是最靠近样品的透镜，它把电子束会聚成一个非常尖的电子探针，其针尖约2nm，在偏转线圈的推动下，此针尖在样品上逐点扫描，从而把样品上的信息反映出来。样品台。样品台是放置样品的一个机械工作台，可以作x、y、z二个方向的移动，也可作旋转和倾

6、斜运动。真空系统。电子必须在高真空条件下才能作线性运动，所以电镜配备有高真空系统，一般由机械泵和扩散泵二级组成。如真空度不够，一方面电子束在运动中会碰撞空气分子面产生电离辉光，根本不能形成光路；另方面灯丝在空气中很快就被氧化烧坏。扫描电子显微镜组成机械工程实验教学中心（二）信号检测放大系统　　高能电子轰击在样品上，把原子中各层轨道上电子轰出轨道，从而激发出各种信息，配上适当的探头，便可把这些信息检测出来，经过系统的放大和处理，便可形成图像和曲线。通常扫描电镜用得最多的是二次电子探头和X射线能量谱探头。扫描

7、电子显微镜组成机械工程实验教学中心二次电子探头。它的功能是完成电一光一电转换，主要由栅网，荧光玻璃和光电倍增管组成。栅网上加有300V的正电压，以收集从样品上飞出的二次电子，二次电子穿过栅网后打在荧光玻璃上，便激发出荧光，此亮度被光电倍增管接收转换成电信号，输入到前置放大器，再进入系统处理放大，形成计算机显示器上的亮度信号。X射线能量谱探头。它的功能是完成光一电转换。它的主要元件是一块硅渗铿半导体，平时保持中性，不带电荷，当样品上被轰出X射线光子打在半导体上，便激发产生电子一空穴对，此电子一空穴对的数量与入

8、射的x好线光子的能量成正比，大约每4ev的能量产生一对电子一空穴对，在半导体的两端分别接有正负电压，收集这些电子一空穴对的正负电荷，经前置放大器的放大，形成电脉冲，再经过系统的放大处理，便形成X射线光子的能量谱图。扫描电子显微镜组成机械工程实验教学中心（三）扫描电镜图像反差原理样品表面凹凸的影响：样品表面的凹凸对探头吸收二次电子有阻挡效应。所以样品上的凸的地方激发的二次电子能被探头全部接收，信号就强，图像就亮；面