扫描电子显微镜工作原理及主要结构(一)
来源/作者:中国标准物质网  日期:2017-12-21

扫描电子显微镜(简称扫描电镜)是一种大型精密仪器,它是机械学、光学、电子学、热学、材料学、真空技术等多门学科的综合应用。

1.工作原理

扫描电镜由电子枪发射出电子束(直径约50um),在加速电压的作用下经过磁透镜系统汇聚,形成直径为5 nm的电子束,聚焦在样品表面上,在第二聚光镜和物镜之间偏转线圈的作用下,电子束在样品上做光栅状扫描,电子和样品相互作用产生信号电子。这些信号电子经探测器收集并转换为光子,再经过电信号放大器加以放大处理,最终成像在显示系统上。

试样可为块状或粉末颗粒,成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的能量为5~35keV的电子,以其交叉斑作为电子源,经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束,在扫描线圈驱动下,于试样表面按一定时间、空间顺序做栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用,产生二次电子发射(以及其他物理信号),二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电信号,经视频放大后输入到显像管栅极,调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度,可得到反应试样表面形貌的二次电子像。

2.主要结构

扫描电子显微镜的结构包括电子光学系统、信号收集、图像显示和记录系统、真空系统。图24-1、图24-2为扫描电子显微镜外形图和主机构造示意图。

2.1电子光学系统

这部分主要由电子枪、电磁透镜、扫描线圈、样品室组成。电子枪提供一个稳定的电子源,形成电子束,一般使用钨丝阴极电子枪,用直径约为0.1 mm的钨丝,弯成发夹形,形成半径约为100um的V形尖端。当灯丝电流通过时,灯丝被加热,达到工作温度后便发射电子,在阴极和阳极间加有高压,这些电子则向阳极加速运动,形成电子束。电子束在高压电场作用下,被加速通过阳极轴心孔进入电磁

图24-1     JEOLJSM-6380LV型扫描电子显微镜外形图

透镜系统。该系统由聚光镜和物镜组成,其作用是依靠透镜的电磁场与运动电子相互作用使电子束聚焦,将电子枪发射的电子束10~50um压缩成5~20nm,缩小到约1/10000。聚光镜可以改变入射到样品上电子束流的大小,物镜决定电子束束斑的直径。电子光学系统中存在的球差、色差、像散等,都会影响最终图像的质量。球差的产生使远离光轴轨迹上运动的电子比近轴电子受到的聚焦作用更强。克服的方法是在电子光学的光轴中加三级固定光阑挡住发散的电子束,光阑通常采用厚度为0.05mm的钼片制作,物镜消像散器提供一个与物镜不均匀磁场相反的校正磁场,使物镜最终形成一个对称磁场,产生一束细聚焦的电子束。

扫描系统主要包括扫描发生器、扫描线圈和放大倍率变换器,扫描发生器由X扫描发生器和Y扫描发生器组成,产生的不同频率的锯齿波信号被同步送入镜筒中的扫描线圈和显示系统CRT中的扫描线圈上。镜筒的扫描线圈分上、下双偏转扫描装置,其作用是使电子束正好落在物镜光阑孔中心,并在样品上进行光栅扫描。

扫描方式分点扫描、线扫描、面扫描和Y调制扫描。扫描电镜图像的放大倍率是通过改变电子束偏转角度来调节的。放大倍数等于CRT面积与电子束在样品上扫描的面积之比,减小样品上扫描的面积,就可增加放大倍率。不同放大倍率在样品上扫描的面积见表24-1。

图24-2     扫描电子显微镜主机结构示意

表24-1     不同放大倍率在样品上扫描的面积

电子束在样品上扫描的面积,由扫描线圈产生的激励磁场控制,可以连续调节,所以扫描电镜的放大倍率是可以连续调节的。

样品室内除放置样品外,还安置信号探测器。不同信号的收集和相应探测器的安放位置有很大的关系,如果安置不当,则有可能收不到信号或收到的信号很弱,从而影响分析精度。样品台本身是一个复杂而精密的组件,它应能夹持一定尺寸的样品,并能使样品平移、倾斜和转动,以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。新式扫描电子显微镜的样品室实际上是一个微型试验室,它带有多种附件,可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验(如拉伸和疲劳)。

【关键词】中国标准物质