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2023-06-23
SEM的原理和结构分析
【摘要】：电子枪是扫描电镜的电子源，其作用是产生稳定的电子束。物镜光阑除了有限制不需要电子的作用外，还具有将入射到样品上的电子束限制在相当小的张角内，以减少球差影响的作用。
扫描电镜的工作原理可以简单地归纳为“光栅扫描，逐点成像”，工作原理如图3-5所示。在高电压作用下，从电子枪射出来的电子束经聚光镜和物镜聚焦成很细的高能电子束，在扫描线圈的作用下，在样品的表面进行逐点扫描。电子束与样品表面物质相互作用产生背散射电子、二次电子和吸收电子等各种信息，这些信号被探测器接收，经放大器放大去调节显像管的栅极，并在荧光屏上显示出衬度。其中二次电子是最主要的成像信号。
扫描电镜的结构主要包括电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、电源和真空系统等。
1.电子光学系统
电子光学系统的作用是产生足够细的电子束照射到样品表面。它由电子枪、电磁透镜（包括聚光镜和物镜）、光阑、样品室等组成。
（1）电子枪。电子枪是扫描电镜的电子源，其作用是产生稳定的电子束。扫描电镜的电子枪主要有两种类型：热阴极电子枪和场发射电子枪。场发射电子枪又分为冷场发射和热场发射两种，它是扫描电镜获得高分辨率、高质量图像的理想电子枪。
（2）电磁透镜。电磁透镜用来将电子枪发出的电子束缩聚成足够细的入射电子束轰击样品表面。一般分为三级透镜，第一级和第二级为聚光镜，第三级是物镜。聚光镜是将电子枪发出的电子束会聚到样品平面上，并调节样品平面处的孔径角、束流密度和束斑大小。物镜是末级聚光镜，将样品形成一次放大像，因为紧靠样品上方，在结构设计等方面有一定的特殊性。由于物镜下面有样品，样品到物镜的距离不能太小，所以物镜的焦距也不能太小，通常样品放在物镜焦点附近，因此物镜的缩小作用不会太强，这就要求前面两级聚光镜有较强的缩小作用。
（3）光阑。在聚光镜和物镜前面一般装有光阑，光阑的作用是限量去掉一些不需要的电子，以减少对电子光学系统的污染，具有不同孔径的光阑可以提高束流或增大景深，从而改善图像质量。物镜光阑除了有限制不需要电子的作用外，还具有将入射到样品上的电子束限制在相当小的张角内，以减少球差影响的作用。物镜光阑一般为可移动式，工作时可根据不同条件选择不同尺寸的光阑孔径。
（4）样品室。扫描电镜的样品室比透射电镜复杂，其最重要部件是样品台，它能容纳大的样品，还要能进行三维空间的移动、倾斜和转动，活动范围很大，要求精度很高。样品室四壁有数个备用窗口可以安装各种检测器，如二次电子检测器、背散射电子检测器、能谱仪探头、波谱仪探头等，以适应多种多样的分析要求。
样品座有很多种，可适用于不同观察要求和形状的样品，图3-6为各种样品座。
图3-6 各种样品座
（a）普通样品座 （b）斜面样品座 （c）夹持样品座 （d）普通样品台
2.扫描系统
扫描系统由扫描信号发生器、扫描放大控制器和扫描偏转线圈等组成。扫描偏转线圈是扫描电镜的一个十分重要的部件，它使电子束偏转，并在样品表面做光栅扫描，它与阴极射线管（CRT）的扫描线圈由同一锯齿波发生器控制，从而保证镜筒中的电子束与显示系统中的电子束偏转严格同步。
3.信号检测放大系统
信号检测和放大系统的作用是收集样品在入射电子束作用下产生的各种物理信号，并进行放大。不同的物理信号，要用不同类型的收集系统。对扫描电镜来说，最重要的检测信号是二次电子和背散射电子，通常用闪烁体计数器测量，它是由闪烁体、光导管、光电倍增管组成，具有低噪声、宽频带、高增益等特点。扫描电镜一般配有两个检测器：二次电子检测器和背散射电子检测器，也可使用同一个检测器检测。二次电子检测器和背散射电子检测器的主要区别在于加在捕集器上的偏压不同：当收集二次电子信号时，一般加250 V左右的正偏压以吸引能量较低的二次电子，并加大有效的检测角；而当收集背散射电子信号时，则加50 V左右的负偏压将二次电子排斥使背散射电子成为图像主要来源。
4.图像显示和记录系统
显示系统的作用是将信号检测放大系统输出的调制信号转换为能显示在阴极射线管荧光屏上的图像，供观察或记录用。显示装置一般有两个显示通道：一个用来观察，另一个用来记录（照相）。观察用显像管采用长余辉显像管，记录用显像管采用短余辉显像管，分辨率较高。观察时为了便于调焦，采用尽可能快的扫描速度；而拍照时为了得到分辨率高的图像，要尽可能采用慢的扫描速度。
5.电源系统
电源系统的作用是为扫描电镜各部分提供所需的电源，由稳压、稳流及相应的安全保护电路组成。
6.真空系统
真空系统的作用是确保电子光学系统正常工作、防止样品污染、保证灯丝的工作寿命等。在任何电镜中，都必须尽量避免和减少电子与气体分子的碰撞，这就意味着电镜的真空度必须在10-2 Pa以上。如果是场发射扫描电镜则需要超高真空，即真空度在10-4 Pa以上。但真空度过高会使真空系统变得很复杂。实际上，一般电镜真空系统采用的方法是既满足真空度的要求，又不致使真空系统过于复杂。一般来说，电镜的真空由机械泵、扩散泵（有些SEM中已取消）和离子泵或分子泵的联用来实现。
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