掃描電子顯微鏡的原理結(jié)構(gòu)

        掃描電子顯微鏡是由三極電子槍發(fā)出的電子束經(jīng)柵網(wǎng)靜電聚焦成為直徑為50mm的電光源。在2-30KV的加速電壓下，通過2-3個(gè)電磁透鏡組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會聚成小孔徑角、5-10mm束斑的電子束，并聚焦在物體表面。樣品。掃描線圈安裝在最終透鏡上，在其作用下，電子束掃描樣品表面。高能電子束與樣品材料相互作用，產(chǎn)生二次電子、背反射電子和 X 射線等信號。這些信號分別被不同的接收器接收，放大后用于調(diào)制熒光屏的亮度。由于通過掃描線圈的電流與顯像管相應(yīng)偏轉(zhuǎn)線圈上的電流同步，因此樣品表面任一點(diǎn)發(fā)射的信號與顯像管熒光屏上相應(yīng)的亮點(diǎn)一一對應(yīng).換句話說，當(dāng)電子束擊中樣品上的一個(gè)點(diǎn)時(shí)，熒光屏上就會有一個(gè)與之對應(yīng)的亮點(diǎn)，其亮度與激發(fā)的電子能量成正比。也就是說，掃描電子顯微鏡采用的是逐點(diǎn)成像的圖像分解方法。光斑成像的順序是從左上到右下，直到最后一行右下的像素都被掃描完，即使完成一幀圖像。這種掃描方式稱為光柵掃描。
        掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號采集與顯示系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成。
         （下面提到的掃描電子顯微鏡用SEM代替） 真空系統(tǒng)主要包括真空泵和真空柱。真空柱是密封的圓柱形容器。
        真空泵用于在真空塔內(nèi)產(chǎn)生真空。分為機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵和渦輪分子泵三大類。機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵的組合可以滿足配備鎢槍的SEM的真空要求，但對于配備場發(fā)射槍或六硼化鑭槍的SEM，則需要機(jī)械泵和渦輪分子泵的組合。
        成像系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內(nèi)置于真空柱中。真空柱的底部是右側(cè)所示的密封室，放置樣品的地方。
        之所以采用真空，主要基于以下兩個(gè)原因：
        電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會很快氧化失效，所以使用SEM時(shí)除了真空外，通常還需要用純氮?dú)饣蚨栊詺怏w充滿整個(gè)真空柱。
        為了增加電子的平均自由程，使更多的電子用于成像。電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室組成。它的作用是獲取掃描電子束用作激發(fā)源以產(chǎn)生物理信號。為了獲得更高的信號強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有更高的亮度和盡可能小的束斑直徑。
        電子槍
        它的作用是利用陰極和陽極燈絲之間的高壓產(chǎn)生高能電子束。目前，大多數(shù)掃描電子顯微鏡使用熱陰極電子槍。優(yōu)點(diǎn)是燈絲價(jià)格相對便宜，對真空度沒有要求。缺點(diǎn)是鎢絲熱電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑大。即使經(jīng)過二級或三級聚光鏡，樣品表面電子束光斑的直徑也在5-7nm，儀器的分辨率是有限的。目前，高級掃描電子顯微鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場發(fā)射電子槍，使二次電子圖像的分辨率達(dá)到2nm。但是，這種類型的電子槍需要很高的真空度。
        電磁透鏡
        其主要作用是逐漸減小電子槍的束斑。原來直徑約 50mm 的束斑縮小到只有幾納米的小束斑。其工作原理與透射電子顯微鏡中的電磁透鏡相同。掃描電子顯微鏡一般有三個(gè)聚光鏡，前兩個(gè)透鏡是強(qiáng)透鏡，用來縮小電子束光斑的尺寸。第三個(gè)聚光鏡是焦距較長的弱透鏡。將樣品置于透鏡下方，可以避免磁場對二次電子軌跡的干擾。
        掃描線圈
        其作用是提供入射到樣品表面的電子束和陰極射線管中的電子束在熒光屏上的同步掃描信號。改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻娴膾呙璺?，以獲得所需放大倍數(shù)的掃描圖像。掃描線圈試圖掃描點(diǎn)狀晶體的一個(gè)重要組成部分。一般放在最后兩個(gè)鏡頭之間，有的放在最后一個(gè)鏡頭的空間里。
        樣品室
        樣品室的主要部分是樣品臺。它可以在三維空間中移動(dòng)，也可以傾斜和旋轉(zhuǎn)。樣品臺的移動(dòng)范圍一般可達(dá)40mm，傾斜范圍至少50度左右，旋轉(zhuǎn)360度。樣品室中還安裝了各種類型的檢測器。信號采集效率與相應(yīng)探測器的放置位置有很大關(guān)系。樣品臺還可配備多種附件，如加熱、冷卻或拉伸樣品臺上的樣品，進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。近年來，為了滿足破碎物體等大型零件的需求，還開發(fā)了可放置125mm以上尺寸的大型樣品臺。它的作用是檢測樣品在入射電子的作用下產(chǎn)生的物理信號，然后將視頻放大作為成像系統(tǒng)的調(diào)制信號。不同的物理信號需要不同類型的檢測系統(tǒng)，大致可以是分為三類：電子探測器、應(yīng)急熒光探測器和X射線探測器。掃描電子顯微鏡中zui常用的是電子探測器，它由閃爍體、光管和光電倍增管組成。
        當(dāng)信號電子進(jìn)入閃爍體時(shí)，會引起電離；當(dāng)離子與自由電子復(fù)合時(shí)，會產(chǎn)生可見光。光子沿光管傳輸，不被吸收到光電倍增管放大，轉(zhuǎn)換成電流信號輸出。電流信號經(jīng)過視頻放大器放大后成為調(diào)制信號。該檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)是在較寬的信號范圍內(nèi)具有與原始信號成正比的輸出，具有寬頻帶（10Hz-1MHz）和高增益（105-106），噪聲極小。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描的，熒光屏上的亮度根據(jù)樣品上激發(fā)的信號強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，探測器接收到的信號強(qiáng)度隨條件而變化樣品表面。然后將信號監(jiān)測系統(tǒng)輸出的抗?fàn)I養(yǎng)物表面狀態(tài)的調(diào)制信號在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換成與樣品表面特征一致的放大掃描圖像。