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扫描电子显微镜利用极细电子束在被观测样品表面上进行扫描,通过分别收集电子束与样品相互作用产生的一系列电子信息,经转换、放大而成像的电子光学仪器。是研究三维表层构造的有利工具。
扫描电子显微镜由电子枪发射出电子束(直径约50um),在加速电压的作用下经过磁透镜系统汇聚,形成直径为5 nm的电子束,聚焦在样品表面上,在第二聚光镜和物镜之间偏转线圈的作用下,电子束在样品上做光栅状扫描,电子和样品相互作用产生信号电子。这些信号电子经探测器收集并转换为光子,再经过电信号放大器加以放大处理,成像在显示系统上。
试样可为块状或粉末颗粒,成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是主要的成像信号。由电子枪发射的能量为5~35keV的电子,以其交叉斑作为电子源,经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束,在扫描线圈驱动下,于试样表面按一定时间、空间顺序做栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用,产生二次电子发射(以及其他物理信号),二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电信号,经视频放大后输入到显像管栅极,调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度,扫描电子显微镜得到反应试样表面形貌的二次电子像。
扫描电子显微镜是一种大型精密仪器,它是机械学、光学、电子学、热学、材料学、真空技术等多门学科的综合应用。扫描电子显微镜采用多接口的大样品室和艺术级的物镜设计,提供高低真空成像功能,可对各种材料表面作分析,并且具有X射线分析技术,确保在低电压条件下提供高分辨率的锐利图像,同时还可以进行准确的能谱分析。
扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时,被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子,以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时,也可产生电子-空穴对、晶格振动 (声子)、电子振荡 (等离子体)。原则上讲,利用电子和物质的相互作用,可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息,如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。
扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理,采用不同的信息检测器,使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集,可得到有关物质微观形貌的信息;对X射线的采集,可得到物质化学成分的信息。正因如此,根据不同需求,可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。
1、电子光学系统
①电子枪:作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大多数扫描电子显微镜采用热阴极电子枪。
②电磁透镜:作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小,是原来直径约为5um的束斑缩小成一个只有数um的细小束斑。
③扫描线圈:作用是提供入射电子束在样品表面上和荧光屏上的同步扫描信号。
④样品室:样品台能进行三维空间的移动、倾斜和转动,并安置各种型号检测器。
2、信号检测放大系统
作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号,然后经视频放大作为显像系统的调制信号。
3、真空系统和电源系统
作用是为保证电子光学系统正常工作,防止样品污染提供高的真空度。电源系统由稳压,稳流及相应的安全保护电路所组成,其作用是提供扫描电子显微镜各部分所需稳定电源。
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