掃描電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱掃描電鏡)是一種大型精密儀器，它是機(jī)械學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、熱學(xué)、材料學(xué)、真空技術(shù)等多門(mén)學(xué)科的綜合應(yīng)用。

1.工作原理

掃描電鏡由電子槍發(fā)射出電子束(直徑約50um)，在加速電壓的作用下經(jīng)過(guò)磁透鏡系統(tǒng)匯聚，形成直徑為5 nm的電子束，聚焦在樣品表面上，在第二聚光鏡和物鏡之間偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，電子束在樣品上做光柵狀掃描，電子和樣品相互作用產(chǎn)生信號(hào)電子。這些信號(hào)電子經(jīng)探測(cè)器收集并轉(zhuǎn)換為光子，再經(jīng)過(guò)電信號(hào)放大器加以放大處理，*終成像在顯示系統(tǒng)上。

試樣可為塊狀或粉末顆粒，成像信號(hào)可以是二次電子、背散射電子或吸收電子。其中二次電子是*主要的成像信號(hào)。由電子槍發(fā)射的能量為5～35keV的電子，以其交叉斑作為電子源，經(jīng)二級(jí)聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強(qiáng)度和束斑直徑的微細(xì)電子束，在掃描線圈驅(qū)動(dòng)下，于試樣表面按一定時(shí)間、空間順序做柵網(wǎng)式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產(chǎn)生二次電子發(fā)射(以及其他物理信號(hào))，二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化。二次電子信號(hào)被探測(cè)器收集轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)視頻放大后輸入到顯像管柵極，調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，可得到反應(yīng)試樣表面形貌的二次電子像。

2.主要結(jié)構(gòu)

掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)包括電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)收集、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)。圖24-1、圖24-2為掃描電子顯微鏡外形圖和主機(jī)構(gòu)造示意圖。

2.1電子光學(xué)系統(tǒng)

這部分主要由電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、樣品室組成。電子槍提供一個(gè)穩(wěn)定的電子源，形成電子束，一般使用鎢絲陰極電子槍，用直徑約為0.1 mm的鎢絲，彎成發(fā)夾形，形成半徑約為100um的V形**。當(dāng)燈絲電流通過(guò)時(shí)，燈絲被加熱，達(dá)到工作溫度后便發(fā)射電子，在陰極和陽(yáng)極間加有高壓，這些電子則向陽(yáng)極加速運(yùn)動(dòng)，形成電子束。電子束在高壓電場(chǎng)作用下，被加速通過(guò)陽(yáng)極軸心孔進(jìn)入電磁

圖24-1     JEOLJSM-6380LV型掃描電子顯微鏡外形圖

透鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)由聚光鏡和物鏡組成，其作用是依靠透鏡的電磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)電子相互作用使電子束聚焦，將電子槍發(fā)射的電子束10～50um壓縮成5～20nm，縮小到約1/10000。聚光鏡可以改變?nèi)肷涞綐悠飞想娮邮鞯拇笮?，物鏡決定電子束束斑的直徑。電子光學(xué)系統(tǒng)中存在的球差、色差、像散等，都會(huì)影響*終圖像的質(zhì)量。球差的產(chǎn)生使遠(yuǎn)離光軸軌跡上運(yùn)動(dòng)的電子比近軸電子受到的聚焦作用更強(qiáng)?？朔姆椒ㄊ窃陔娮庸鈱W(xué)的光軸中加三級(jí)固定光闌擋住發(fā)散的電子束，光闌通常采用厚度為0.05mm的鉬片制作，物鏡消像散器提供一個(gè)與物鏡不均勻磁場(chǎng)相反的校正磁場(chǎng)，使物鏡*終形成一個(gè)對(duì)稱磁場(chǎng)，產(chǎn)生一束細(xì)聚焦的電子束。

掃描系統(tǒng)主要包括掃描發(fā)生器、掃描線圈和放大倍率變換器，掃描發(fā)生器由X掃描發(fā)生器和Y掃描發(fā)生器組成，產(chǎn)生的不同頻率的鋸齒波信號(hào)被同步送入鏡筒中的掃描線圈和顯示系統(tǒng)CRT中的掃描線圈上。鏡筒的掃描線圈分上、下雙偏轉(zhuǎn)掃描裝置，其作用是使電子束正好落在物鏡光闌孔中心，并在樣品上進(jìn)行光柵掃描。

掃描方式分點(diǎn)掃描、線掃描、面掃描和Y調(diào)制掃描。掃描電鏡圖像的放大倍率是通過(guò)改變電子束偏轉(zhuǎn)角度來(lái)調(diào)節(jié)的。放大倍數(shù)等于CRT面積與電子束在樣品上掃描的面積之比，減小樣品上掃描的面積，就可增加放大倍率。不同放大倍率在樣品上掃描的面積見(jiàn)表24-1。

圖24-2     掃描電子顯微鏡主機(jī)結(jié)構(gòu)示意

表24-1     不同放大倍率在樣品上掃描的面積

電子束在樣品上掃描的面積，由掃描線圈產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)，所以掃描電鏡的放大倍率是可以連續(xù)調(diào)節(jié)的。

樣品室內(nèi)除放置樣品外，還安置信號(hào)探測(cè)器。不同信號(hào)的收集和相應(yīng)探測(cè)器的安放位置有很大的關(guān)系，如果安置不當(dāng)，則有可能收不到信號(hào)或收到的信號(hào)很弱，從而影響分析精度。樣品臺(tái)本身是一個(gè)復(fù)雜而精密的組件，它應(yīng)能夾持一定尺寸的樣品，并能使樣品平移、傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)，以利于對(duì)樣品上每一特定位置進(jìn)行各種分析。新式掃描電子顯微鏡的樣品室實(shí)際上是一個(gè) 微型試驗(yàn)室，它帶有多種附件，可使樣品在樣品臺(tái)上加熱、冷卻和進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)(如拉伸和疲勞)。