环境扫描电子显微镜的原理|结构|应用

　　环境扫描电子显微镜，是指扫描电子显微镜的一个重要分支。具有以下特点：放大倍数可调范围宽、图像分辨率高和景深大等，现已被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造等各个研究领域。

环境扫描电子显微镜的工作原理

　　环境扫描电子显微镜(ESEM)采用多级真空系统、气体二次电子信号探测器等独特设计。观察不导电样品不需要镀导电膜，可以在控制温度、压力、相对湿度和低真空度的条件下进行观察分析含水的、含油的、已污染的、不导电的样品，减少了样品的干燥损伤和真空损伤。

　　环境扫描电子显微镜有三种工作方式：①高真空方式(常规方式);②低真空方式0.1~1Torr;③环境方式:0.1~20Torr。

　　在高真空的常规扫描电镜中，用标准的Everhart Thornley探测器来接受被高能入射电子激发的样品的信号电流(二次电子和部分背散射电子)，经放大后形成图像。

　　在低真空及环扫模式下，由电子枪发射的高能入射电子束穿过压差光阑进入样品室，射向被测定的样品，从样品表面激发出信号电子:二次电子-SE和背散射电子-BSE。由于样品室内有气体存在，入射电子和信号电子与气体分子碰撞，使之电离产生电子和离子。如果我们在样品和电极板之间加一个稳定电场，电离所产生的电子和离子会被分别引往与各自极性相反的电极方向，非导体表面积累的负电荷会与电离出来的正电荷中和而消除荷电。

　　其中电子在途中被电场加速到足够高的能量时，会电离更多的气体分子，从而产生更多的电子，如此反复倍增。环境扫描电子显微镜探测器正是利用此原理来增强信号的，这又称气体放大原理。LFD(低真空度模式下使用的探测器)和GSED(环扫模式下使用的探测器)探头接收这些信号并将其直接传到电子放大器放大成电信号去调制显象管或其它成像系统。

环境扫描电子显微镜的结构

　　环境扫描电子显微镜在普通扫描电镜的基础上环扫实现较高的低真空，其核心技术就是采用两级压差光栅和气体二次电子探测器，还有一些其它相关技术也相继得到完善。

　　环境扫描电子显微镜是使用1个分子泵和2个机械泵，2个压差(压力限制)光栅将主体分成3个抽气区，镜筒处于高真空，样品周围为环境状态，样品室、光路和电子枪室的真空度P0、P1和P2分别相差一至两个数量级，允许样品室内有气体流动，Zgao达50Torr，一般1Torr-20Torr，样品室的温度、气压和相对湿度可以调节，样品室和镜筒之间存在一个缓冲过渡状态。附加一个环境预处理室，把样品进行完全或部分处理后，通过门阀再转置到显微镜的观察室中。

　　在观察过程中，还可以通过特殊的操作器系统，对样品进一步处理，并配有一个气氛检测装置，对环境气氛的压力大小进行测量和控制使用时，高真空、低真空和环境3个模式可根据情况任意选择，并且在3种情况下都配有二次电子探测器，都能达到3.5nm的二次电子图像分辨率。

环境扫描电子显微镜的应用

　　1、在矿物学的领域的应用

　　不同矿物在环境扫描电子显微镜中会呈现出其特征的形貌，这是在扫描电镜中鉴定矿物的重要依据。如高岭石在环境扫描电子显微镜中常呈假六方片状、假六方板状、假六方似板状;埃洛石常呈管状、长管状、圆球状;蒙脱石为卷曲的薄片状;绿泥石单晶呈六角板状，集合体呈叶片状堆积或定向排列等。

　　2、在岩矿学中的应用

　　岩石经过多次强烈的区域变质作用后，其原岩的结构、构造均已改变，常常很难恢复其原岩的状况，环境扫描电子显微镜可对矿物的结构和成分进行分析，为推断矿物的成岩环境和搬运演化历史提供基础资料。

　　3、在矿物加工中的应用

　　环境扫描电子显微镜在矿物加工中的主要应用是分析矿物表面形态、产状、微观性质，配合线能谱仪(EDS)对矿物成分进行定性和定量分析研究矿物表面性质及成分对选矿效果的影响，提供元素赋存状态、成矿信息等。

　　4、在材料学上的应用

　　环境扫描电子显微镜的另一个重要特点是景深大，图象富立体感，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息，这个特点对使用者很有价值，在材料学上主要用于纳米材料分析、材料断面分析。

　　环境扫描电子显微镜所显示的断口形貌从深层次，高景深的角度呈现材料断裂的本质，在教学、科研和生产中，有不可替代的作用，在材料断裂原因的分析、事故原因的分析以及工艺合理性的判定等方面是一个强有力的手段。而环境扫描电子显微镜的动态观察功能扩大了应用范围。

　　5、生物学上的应用

　　环境方式下Z适宜观察的生物样品应是那些表面有角质层覆盖的样品和含水量很低的样品，比如植物的叶片、动物中的昆虫、作物的籽粒等，这类样品易于保持新鲜度;环境方式下对样品的观察和图像的记录等操作应尽快完成，这样可减少样品内水分蒸发而使样品变形降至Zdi。

　　综上所述，环境扫描电子显微镜的主要特点是：①非导电材料不需喷镀导电膜，可直接观察，分析简便迅速，不破坏原始形貌;②可保证样品在1**%湿度下观察，即可进行含油含水样品的观察，能够观察液体在样品表而的蒸发和凝结以及化学腐蚀行为;③可进行样品热模拟及力学模拟的动态变化实验研究，也可以研究微注入液体与样品的相互作用等。因为这些过程中有大量气体释放，只能在环扫状态下进行观察。

　　环境扫描电子显微镜技术拓展了电子显微学的研究领域，是扫描电子显微镜领域的一次重大技术革命，是研究材料热模拟、力学模拟、氧化腐蚀等过程的有力工具，受到了国内广大科研工作者的广泛关注，具有广阔的应用前景。