扫描电子显微镜结构

　　扫描电子显微镜是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。扫描电子显微镜可粗略分为镜体和电源电路系统两部分。

真空系统

　　真空系统在电子光学仪器中十分重要，这是因为电子束只能在真空下产生和操纵。对于扫描电子显微镜来说，通常要求真空度优于10^-3～10^-4Pa。任何真空度的下降都会导致电子束散射加大，电子枪灯丝寿命缩短，产生虚假的二次电子效应，使透镜光阑和试样表面受碳氢化合物的污染加速等等，从而严重的影响成像的质量。因此，真空系统的质量是衡量扫描电子显微镜质量的参考指标之一。

　　常用的高真空系统有如下三种：

　　①油扩散泵系统。这种真空系统可获得10^-3～10^-5Pa的真空度，基本能满足扫描电子显微镜的一般要求，其缺点是容易使试样和电子光学系统的内壁受污染。

　　②涡轮分子泵系统。这种真空系统可以获得10^-4Pa以上的真空度，其优点是属于一种无油的真空系统，故污染问题不大，但缺点是噪音和振动较大，因而限制了它在扫描电子显微镜中的应用。

　　③离子泵系统。这种真空系统可以获得10^-7～10^-8Pa的极高真空度，可满足在扫描电子显微镜中采用LaB6电子枪和场致发射电子枪对真空度的要求。

　　目前商品生产的扫描电子显微镜，多采用油扩散泵系统，为了减轻污染程度和提高真空度，常在油扩散泵上方安装一个液氮冷阱，从而大大改善真空系统的质量。

电子枪

　　电子枪的作用是产生电子照明源，它的性能决定了扫描电子显微镜的质量，商业生产扫描电子显微镜的分辨率可以说是受电子枪亮度所限制。

　　目前，应用于电子显微镜的电子枪可以分为三类。

　　①直热式发射型电子枪。阴极材料是钨丝(直径大约0.1～0.15mm)，制成发夹式或针尖式形状，并利用直接电阻加热来发射电子，它是一种Z常用的电子枪。

　　②旁热式发射型电子枪。阴极材料式用电子逸出功小的材料如LaB6，YB6，TiC或ZrC等制造，其中LaB6应用Z多，它是用旁热式加热阴极来发射电子的。

　　③场致发射型电子枪。阴极材料是用(310)位向的钨单晶针尖，针尖的曲率半径大约为100nm。它是利用场致发射效应来发射电子的。

　　目前商业生产的扫描电子显微镜大多是采用发夹式钨灯丝电子枪的。

　　影响电子枪发射性能的因素：

　　①灯丝阴极本身的热电子发射性质(如电子逸出功，几何形状等);

　　②灯丝阴极的加热电流。试验表明，发射电流强度是随着阴极加热电流的增加而增加的;

　　③一般来说α角越大，故可以获得较大的电子束强度，但灯丝的寿命却越短;

　　④阳极的加速电压Vo。因为灯丝的亮度是同加速电压Vo成正比的，故高的加速电压可以获得较大的发射电流强度。

透镜系统

　　1、基本要求

　　透镜系统的作用有三：①把虚光源的尺寸从几十微米缩小到5nm(或更小)，并且从几十微米到几个纳米间连续可变;②控制电子束的开角，可以在0.01~0.001rad范围内可变;③所形成的聚焦电子束可以在试样的表面上作光栅状扫描，且扫描角度范围可变。

　　为了获得上述扫描电子束，其透镜系统通常是由电磁透镜，扫描线圈和消像散器等组成。采用电磁透镜的优点是：这种透镜可以安置在镜筒外面，可避免污染和减小真空系统的体积，而且透镜的球像差系数较小。

　　2、透镜系统的结构类型

　　目前扫描电子显微镜的透镜系统有三种结构：①双透镜系统;②双级励磁的双级透镜系统;(c)三级励磁的三级透镜系统。其中以三级励磁透镜系统具有较多优点，其理由如下：①多一级透镜的效果是使电子束的收缩能力更强，对原始光源的尺寸要求不高，仍可以获得小于5nm的电子束斑;②电子光学系统具有较大的灵活性，便于形成各种扫描式的光路，特别是要形成单偏转摇摆扫描式的光路(这是一种获得选区电子通道花样的光路)，只有用三个独立可调的透镜系统才有可能做到。

　　3、末级透镜的结构

　　在扫描电子显微镜中，前级透镜的作用是聚光镜，把从电子枪所发射出的电子束聚成足够细的束斑，而末级透镜的作用是物镜，末级透镜的像差直接影响成像的分辨率，因此，在末级透镜的设计上，如何降低其球像差是主要任务。

　　装在末级透镜中的像散校正装置是采用八极式电磁消像散器，其用途是消除由于透镜污染(其效果是导致像场的畸变)所产生的像散。

　　在扫描电子显微镜中，从下极件到试样上表面的距离(沿光轴方向量)习惯称为工作距离。经验表明，工作距离对扫描电子像的像差有很大影响。

　　因此，双偏转线圈的安装位置十分重要。为了可以获得小的工作距离，Z好把扫描线圈装在透镜中物空间的位置。

　　末级透镜光阑的作用是控制电子束的开角，从而控制图像的景深(它与电子束开角的大小成反比)。如果观察图像时所采用的工作距离为D，光阑孔径为a，则电子束的开角2α由下式来确定：2α=a/D;扫描电子显微镜的工作距离越大，2α越小，相应焦深越大。由于扫描电子显微镜的焦深大，故所得图像Z富有立体感，特别宜于观察高低不平表面。

样品室

　　在扫描电子显微镜中，一个理想的样品室，在设计上要求如下：①为了试样能进行立体扫描，样品室空间应足够大，以便放进试样后还能进行旋转、倾斜和沿三度空间做平移动作，并且能动范围越大越好;②在试样台中试样能进行拉伸、压缩、弯曲、加热或深冷等，以便研究一些动力学过程;③样室四壁应有数个备用窗口，除安装电子检测器外，还能同时安装其它检测器和谱仪，以便进行综合性研究;④备有与外界接线的接线座，以便研究有关电场和磁场所引起的衬度效应。

　　近代的大型扫描电子显微镜均备有各种高温、拉伸、弯曲等试样台，试样Zda直径可达100mm。此外，在样品室的各窗口还能同时联接X射线波谱仪、X射线能谱仪、二次离子质谱仪和图像分析仪等。