掃描電鏡的儀器結構和工作原理

從結構上看，如下圖所示，掃描電鏡主要由七大系統組成，即電子光學系統、探測、信號處理、顯示系統、圖像記錄系統、樣品室、真空系統、冷卻循環(huán)水系統、電源供給系統。

     掃描電子顯微鏡結構圖

電子光學系統由電子槍，電磁透鏡、掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為產生物理信號的激發(fā)源。為了獲得較高的信號強度和圖像分辨率，掃描電子束應具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。 

<1> 電子槍：其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產生高能量的電子束。目前大多數掃描電鏡采用熱陰極電子槍。其優(yōu)點是燈絲價格較便宜，對真空度要求不高，缺點是鎢絲熱電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑較大，即使經過二級或三級聚光鏡，在樣品表面上的電子束斑直徑也在5-7nm，因此儀器分辨率受到限制?，F在，高等級掃描電鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度。

<2> 電磁透鏡：其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，是原來直徑約為50m m的束斑縮小成一個只有數nm的細小束斑。其工作原理與透射電鏡中的電磁透鏡相同。 掃描電鏡一般有三個聚光鏡，前兩個透鏡是強透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個聚光鏡是弱透鏡，具有較長的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場對二次電子軌跡的干擾。 

<3> 掃描線圈：其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內電子束在熒光屏上的同步掃描信號。改變入射電子束在樣品表面掃描振幅，以獲得所需放大倍率的掃描像。

<4> 樣品室：主要部件是樣品臺。它能進行三維空間的移動，還能傾斜和轉動，樣品臺移動范圍一般可達40毫米，傾斜范圍至少在50°左右，轉動360°。 樣品室中還要安置各種型號檢測器。信號的收集效率和相應檢測器的安放位置有很大關系。近年來，為適應斷口實物等大零件的需要，還開發(fā)了可放置尺寸在Φ125mm以上的大樣品臺。 

 

其作用是檢測樣品在入射電子作用下產生的物理信號，然后經視頻放大作為顯像系統的調制信號。不同的物理信號需要不同類型的檢測系統，大致可分為三類：電子檢測器，應急熒光檢測器和X射線檢測器。 在掃描電子顯微鏡中最普遍使用的是電子檢測器，它由閃爍體，光導管和光電倍增器所組成。 

當信號電子進入閃爍體時將引起電離；當離子與自由電子復合時產生可見光。光子沿著沒有吸收的光導管傳送到光電倍增器進行放大并轉變成電流信號輸出，電流信號經視頻放大器放大后就成為調制信號。這種檢測系統的特點是在很寬的信號范圍內具有正比與原始信號的輸出，具有很寬的頻帶（10Hz-1MHz），而且噪音很小。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是根據樣品上被激發(fā)出來的信號強度來調制的，而由檢測器接收的信號強度隨樣品表面狀況不同而變化，那么由信號監(jiān)測系統輸出的反營養(yǎng)品表面狀態(tài)的調制信號在圖像顯示和記錄系統中就轉換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。

 

真空系統的作用是為保證電子光學系統正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，一般情況下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。 電源系統由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應的安全保護電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。

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