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(guò)2-3個(gè)電磁透鏡組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)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(xiàn)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(xiàn)等信號(hào)。這些信號(hào)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(guò)掃描線(xiàn)圈的電流與顯像管相應(yīng)偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈上的電流同步，因此樣品表面任一點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)與顯像管熒光屏上相應(yīng)的亮點(diǎn)一一對(duì)應(yīng).換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)電子束擊中樣品上的一個(gè)點(diǎn)時(shí)，熒光屏上就會(huì)有一個(gè)與之對(duì)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(shuō)，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(chēng)為光柵掃描。
        掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)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(lèi)。機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵的組合可以滿(mǎn)足配備鎢槍的SEM的真空要求，但對(duì)于配備場(chǎng)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(huì)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(mǎn)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(xiàn)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(hào)。為了獲得更高的信號(hào)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(yáng)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(duì)便宜，對(duì)真空度沒(méi)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(guò)二級(jí)或三級(jí)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(jí)掃描電子顯微鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場(chǎng)發(fā)射電子槍?zhuān)苟坞娮訄D像的分辨率達(dá)到2nm。但是，這種類(lèi)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(lái)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(lái)縮小電子束光斑的尺寸。第三個(gè)聚光鏡是焦距較長(zhǎng)的弱透鏡。將樣品置于透鏡下方，可以避免磁場(chǎng)對(duì)二次電子軌跡的干擾。
        掃描線(xiàn)圈
        其作用是提供入射到樣品表面的電子束和陰極射線(xiàn)管中的電子束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)。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(xiàn)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(tái)。它可以在三維空間中移動(dòng)，也可以?xún)A斜和旋轉(zhuǎn)。樣品臺(tái)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(lèi)型的檢測(cè)器。信號(hào)采集效率與相應(yīng)探測(cè)器的放置位置有很大關(guān)系。樣品臺(tái)還可配備多種附件，如加熱、冷卻或拉伸樣品臺(tái)上的樣品，進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀(guān)察。近年來(lái)，為了滿(mǎn)足破碎物體等大型零件的需求，還開(kāi)發(fā)了可放置125mm以上尺寸的大型樣品臺(tái)。它的作用是檢測(cè)樣品在入射電子的作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，然后將視頻放大作為成像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)。不同的物理信號(hào)需要不同類(lèi)型的檢測(cè)系統(tǒng)，大致可以是分為三類(lèi)：電子探測(cè)器、應(yīng)急熒光探測(cè)器和X射線(xiàn)探測(cè)器。掃描電子顯微鏡中zui常用的是電子探測(cè)器，它由閃爍體、光管和光電倍增管組成。
        當(dāng)信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體時(shí)，會(huì)引起電離；當(dāng)離子與自由電子復(fù)合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)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(hào)輸出。電流信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻放大器放大后成為調(diào)制信號(hào)。該檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是在較寬的信號(hào)范圍內(nèi)具有與原始信號(hào)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(hào)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，探測(cè)器接收到的信號(hào)強(qiáng)度隨條件而變化樣品表面。然后將信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出的抗?fàn)I養(yǎng)物表面狀態(tài)的調(diào)制信號(hào)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。