掃描電子顯微鏡工作原理及主要結構(一)
來源/作者:中國標準物質網  日期:2017-12-21

掃描電子顯微鏡(簡稱掃描電鏡)是一種大型精密儀器,它是機械學、光學、電子學、熱學、材料學、真空技術等多門學科的綜合應用。

1.工作原理

掃描電鏡由電子槍發射出電子束(直徑約50um),在加速電壓的作用下經過磁透鏡系統匯聚,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生信號電子。這些信號電子經探測器收集并轉換為光子,再經過電信號放大器加以放大處理,最終成像在顯示系統上。

試樣可為塊狀或粉末顆粒,成像信號可以是二次電子、背散射電子或吸收電子。其中二次電子是最主要的成像信號。由電子槍發射的能量為5~35keV的電子,以其交叉斑作為電子源,經二級聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束,在掃描線圈驅動下,于試樣表面按一定時間、空間順序做柵網式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用,產生二次電子發射(以及其他物理信號),二次電子發射量隨試樣表面形貌而變化。二次電子信號被探測器收集轉換成電信號,經視頻放大后輸入到顯像管柵極,調制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度,可得到反應試樣表面形貌的二次電子像。

2.主要結構

掃描電子顯微鏡的結構包括電子光學系統、信號收集、圖像顯示和記錄系統、真空系統。圖24-1、圖24-2為掃描電子顯微鏡外形圖和主機構造示意圖。

2.1電子光學系統

這部分主要由電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、樣品室組成。電子槍提供一個穩定的電子源,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,彎成發夾形,形成半徑約為100um的V形尖端。當燈絲電流通過時,燈絲被加熱,達到工作溫度后便發射電子,在陰極和陽極間加有高壓,這些電子則向陽極加速運動,形成電子束。電子束在高壓電場作用下,被加速通過陽極軸心孔進入電磁

圖24-1     JEOLJSM-6380LV型掃描電子顯微鏡外形圖

透鏡系統。該系統由聚光鏡和物鏡組成,其作用是依靠透鏡的電磁場與運動電子相互作用使電子束聚焦,將電子槍發射的電子束10~50um壓縮成5~20nm,縮小到約1/10000。聚光鏡可以改變入射到樣品上電子束流的大小,物鏡決定電子束束斑的直徑。電子光學系統中存在的球差、色差、像散等,都會影響最終圖像的質量。球差的產生使遠離光軸軌跡上運動的電子比近軸電子受到的聚焦作用更強。克服的方法是在電子光學的光軸中加三級固定光闌擋住發散的電子束,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與物鏡不均勻磁場相反的校正磁場,使物鏡最終形成一個對稱磁場,產生一束細聚焦的電子束。

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

掃描方式分點掃描、線掃描、面掃描和Y調制掃描。掃描電鏡圖像的放大倍率是通過改變電子束偏轉角度來調節的。放大倍數等于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表24-1。

圖24-2     掃描電子顯微鏡主機結構示意

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,由掃描線圈產生的激勵磁場控制,可以連續調節,所以掃描電鏡的放大倍率是可以連續調節的。

樣品室內除放置樣品外,還安置信號探測器。不同信號的收集和相應探測器的安放位置有很大的關系,如果安置不當,則有可能收不到信號或收到的信號很弱,從而影響分析精度。樣品臺本身是一個復雜而精密的組件,它應能夾持一定尺寸的樣品,并能使樣品平移、傾斜和轉動,以利于對樣品上每一特定位置進行各種分析。新式掃描電子顯微鏡的樣品室實際上是一個微型試驗室,它帶有多種附件,可使樣品在樣品臺上加熱、冷卻和進行機械性能試驗(如拉伸和疲勞)。

【關鍵詞】中國標準物質
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