掃描電子顯微鏡SEM的結構及原理

結構功能 

掃描電鏡主要由電子光學系統，顯示系統，真空及電源系統組成。

一、電子光學系統

包括電子槍，聚光鏡（*、第二聚光鏡和物鏡），物鏡光闌和掃描系統。其作用是產生直徑為幾十埃的掃描電子束，即電子探針，使其在樣品表面作光柵狀掃描電子槍與透射電鏡的電子槍基本相同，只是加速電壓較低，一般在40kV以下。磁透鏡有*、二聚光鏡和物鏡，其作用與透射電鏡的聚光鏡相同：縮小電子束的直徑，把來自電子槍的約30μm大小的電子束經過*、二聚光鏡和物鏡的作用，縮小成直徑約為幾十埃的狹窄電子束。這是由于掃描電鏡的分辨率主要取決于電子束的直徑，所以要盡可能縮小它，為此，物鏡還裝備有物鏡可動光闌和消散器。一個帶有掃描電路的偏轉線翻通以鋸齒波的電流，產生的磁場作用于電子束使它在樣品上掃描。

二、顯示系統

包括信號的收集、放大、處理、顯示與記錄部分。顯示和記錄部分包括兩個顯像管和照相機。一個顯像管是長余輝的，用于觀察；另一顯像管是高分辨率的、短余輝的，用于照相。

三、樣品室、真空及電源系統

樣品室位于鏡筒下方，裝有冷阱附件，冷阱內冷卻片端部位于樣品與物鏡極靴之間。工作時放入液氮以冷卻冷卻片，在樣品周圍造成低溫環境，減少污物污染鏡筒及樣品。冷阱主要在X射線分析時使用。為了能觀察大塊樣品，樣品室是大于透射電鏡的。

掃描電鏡的真空系統由機械泵、油擴散泵、檢測系統、真空管道及閥門等組成。機械泵與油擴散泵串聯，將鏡筒抽成高真空狀態，真空度要求高于1.33 X 10^-4Pa。

電源系統有高壓電源、透鏡電源、光電倍增管電源，掃描部件、微電流放大器和低電壓電源等，要求具有高穩定性。

成像原理  

從電子槍燈絲發出的直徑20～35μm的電子束，受到陽極的1～40kV高壓的加速射向鏡筒，并受到*、二聚光鏡（或單一聚光鏡）和物鏡的會聚作用，縮小成直徑約幾十埃的狹窄電子束射到樣品上。與此同時，偏轉線圈使電子束在樣品上作光柵狀的掃描。電子束與樣品相互作用將產生多種信號，其中zui重要的是二次電子。二次電子能量很低（小于50eV），受到閃爍片上的高壓（＋10kV）的吸引和加速射向閃爍片。閃爍片受到二次電子的沖擊把電子的動能轉變成可見光，光通過光導棒送到光電倍增管，在那里光被高倍放大并轉換成為電流。這個電信號經過前置放大、視頻放大后，用它去調制顯像管的電子束強度。由于控制鏡筒入射電子束的掃描線圈的電路同時也控制顯像管的電子束在屏上的掃描，因此，兩者是嚴格同步的，并且樣品上被掃描的區域與顯像管的屏是點點對應的。在樣品上任何一點上的二次電子發射的強度的任何變化將表現為在屏上對應點的亮度的變化，組成了像。可在觀察顯像管的屏上觀察；也可把照相顯像管屏上的像拍攝記錄下來。

掃描電鏡二次電子像的放大倍率由屏上圖像的大小與電子束在樣品上掃描區域的大小的比例決定：M=像的大小/掃描區域的大小。通常顯像管屏的大小是固定的，例如多用9寸或12寸顯像管，而電子束掃描區域大小很容易通過改變偏轉線圈的交變電流的大小來控制。因此，掃描電鏡的放大倍數很容易從幾倍一直達到幾十萬倍，而且可以連續的迅速的改變，這相當于從放大鏡到透射電鏡的放大范圍。