掃描電子顯微鏡的原理結構

　　掃描電子顯微鏡具有由三極電子槍發出的電子束經柵極靜電聚焦后成為直徑為50mm的電光源。在2-30KV的加速電壓下，經過2-3個電磁透鏡所組成的電子光學系統，電子束會聚成孔徑角較小，束斑為5-10mm的電子束，并在試樣表面聚焦。末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下，電子束在試樣表面掃描。高能電子束與樣品物質相互作用產生二次電子，背反射電子，X射線等信號。這些信號分別被不同的接收器接收，經放大后用來調制熒光屏的亮度。由于經過掃描線圈上的電流與顯象管相應偏轉線圈上的電流同步，因此，試樣表面任意點發射的信號與顯象管熒光屏上相應的亮點一一對應。也就是說，電子束打到試樣上一點時，在熒光屏上就有一亮點與之對應，其亮度與激發后的電子能量成正比。換言之，掃描電鏡是采用逐點成像的圖像分解法進行的。光點成像的順序是從左上方開始到右下方，直到最後一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幀圖像。這種掃描方式叫做光柵掃描。

　　掃描電子顯微鏡由電子光學系統，信號收集及顯示系統，真空系統及電源系統組成。

　　（以下提到掃描電子顯微鏡之處，均用SEM代替）真空系統主要包括真空泵和真空柱兩部分。真空柱是一個密封的柱形容器。

　　真空泵用來在真空柱內產生真空。有機械泵、油擴散泵以及渦輪分子泵三大類，機械泵加油擴散泵的組合可以滿足配置鎢槍的SEM的真空要求，但對于裝置了場致發射槍或六硼化鑭槍的SEM，則需要機械泵加渦輪分子泵的組合。

　　成像系統和電子束系統均內置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用于放置樣品。

　　之所以要用真空，主要基于以下兩點原因：

　　電子束系統中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時需要用真空以外，平時還需要以純氮氣或惰性氣體充滿整個真空柱。

　　為了增大電子的平均自由程，從而使得用于成像的電子更多。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射效率低，發射源直徑較大，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。現在，高等級掃描電鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場發射電子槍，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50mm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。掃描線圈試掃描點晶的一個重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級透鏡的空間內。

　　<4>樣品室

　　樣品室中主要部件是樣品臺。它出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度左右，轉動360度。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。樣品臺還可以帶有多種附件，例如樣品在樣品臺上加熱，冷卻或拉伸，可進行動態觀察。近年來，為適應斷口實物等大零件的需要，還開發了可放置尺寸在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）和高的增益(105-106),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，那么由信號監測系統輸出的反營養品表面狀態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。