扫描电镜的构造及原理解析

扫描电镜包括以下几部分。

1.电子光学系统

该系统由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成（如图2―4所示）。它的作用与透射电镜不同，仅仅用来获得扫描电子束。显然，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。目前使用中的扫描电镜大多为普通热阴极电子枪，由于受到钨丝阴极发射率较低的限制，需要较大的发射截面，才能获得足够的电子束强度。采用钨丝阴极发射的电子光源扫描电子束直径一般可达20～50μm，六硼化镧阴极发射率比较高，有效发射截面可以做到直径为20μm左右，比钨丝阴极要小得多。以上两种电子枪都属于热发射电子枪，而场发射电子枪分为冷场和热场发射两种，一般在扫描电镜中采用冷场发射。如图2―5所示，它是利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场使阴极尖端发射电子的，所以叫作场致发射（简称场发射）。如果阴极尖端半径为100～500nm，若在尖端与第一阳极之间加3～5kV的电位差，那么在阴极尖端附近建立的强电场就足以使它发射电子。在第二阳极几十千伏甚至几百千伏正电位作用下，阴极尖端发射的电子会聚在第二阳极孔的下方（即场发射电子枪第一交叉点位置上），电子束直径小至20nm（甚至10nm）。可见场发射电子枪是扫描电镜获得高分辨率、高质量图像较为理想的电子源。此外，场发射扫描电镜还有在低电压下仍保持较高的分辨率和电子枪寿命长等优点。

图2―4　扫描电子光学系统示意图

图2―5　场发射电子枪原理示意图

在光学系统中，扫描电镜的最后一个透镜的结构有别于透射电镜，它是采用上下极靴不同孔径不对称的磁透镜，这样可以大大减小下极靴的圆孔直径，从而减少样品表面的磁场，避免磁场对二次电子轨迹的干扰，不影响对二次电子的收集。另外，末级透镜中要有一定的空间，用来容纳扫描线圈和消像散器。扫描线圈是扫描电镜的—个十分重要的部件，它使电子作光栅扫描，与显示系统的CRT扫描线圈由同一锯齿波发生器控制，以保证镜筒中的电子束与显示系统CRT中的电子束偏转严格同步。

扫描电镜的样品室要比透射电镜复杂，它能容纳大的试样，并在三维空间进行移动、倾斜和旋转。目前的扫描电镜样品室在空间设计上都考虑了多种信号收集器安装的几何尺寸，以使用户根据自己的意愿选择不同的信息方式。

2.信号收集和显示系统(www.xing528.com)

（1）二次电子和背反射电子收集器。图2―6是这种收集器的示意图，它由闪烁体、光电倍增管和前置放大器组成，这是扫描电镜中最主要的信号检测器。从试样出来的电子，撞击并进入闪烁体，当金属圆筒加+250V电压时，能接收低能二次电子；当加―250V电压时，能接收背反射电子。在闪烁体表面喷涂一层40～80nm的铝膜作为导电层，在这个导电层上加有10～12kV的高压。试样产生的二次电子（或背反射电子）被这个高压加速，并被收集列闪烁体上。当电子打到闪烁体上，产生出光子，而光子通过光导管传送到光电倍增管的阴极上。通过光电倍增管，信号被放大为微安数量级，再送至前置放大器放大成足够功率的输出信号，送至视频放大器，而后可直接调制CRT的栅极电位，这样即可得到一幅供观察和照相的图像。

图2―6　二次电子和背反射电子收集器示意图

（2）显示系统。显示装置一般有两个显示通道：一个用来观察，另一个供记录（照相）。观察用的显像管采用长余辉显像管，扫描一帧有0.2s，0.5s，1s，…。最快可以达到电视速度。对于记录用的管子要求有较高的分辨率，通常10cm×10cm的荧光屏要求有800～1000条线并且只能用短余晖的管子。在观察时为了便于调焦，采用尽可能快的扫描速度，而拍照时为了得到分辨率高的图像，要尽可能采用慢的扫描速度（多用50～100s）。

（3）吸收电子检测器。试样不直接接地，而与一个试样电流放大器相接，可检出被测试样吸收的电子。它是一个高灵敏度的微电流放大器，能检测到10―6～10―12A这样小的电流。吸收电流信号一般为10―7～10―9A，在较好的信噪比下，可得到所需要吸收电流图像。吸收电子图像是扫描电镜分析中一个很重要的手段。

（4）X射线检测器。它是检测试样发出的元素特征X射线波长和光子能量，从而实现对试样微区进行成分分析。

此外，扫描电镜也像透射电镜一样，需配备真空系统和电源系统。