扫描电镜成像原理

　　扫描电镜即扫描电子显微镜(SEM)。主要用于观察样品的表面形貌、割裂面结构、管腔内表面的结构等。是利用电子射线轰击样品表面，引起二次电子等信号的发射，经检测装置接收后成像的一类电镜。

扫描电镜的基本结构

　　扫描电镜主要是由电子光学系统和显示单元组成，它是由电子枪、磁透镜、扫描线圈以及样品室组成。

　　扫描电镜电子枪与透射电镜的电子枪基本相同，只是加速电压较低，一般在40kV以下。磁透镜有diyi、二聚光镜和物镜，其作用与透射电镜的聚光镜相同：缩小电子束的直径，把来自电子枪的约30μm大小的电子束经过diyi、二聚光镜和物镜的作用，缩小成直径约为几十埃的狭窄电子束。这是由于扫描电镜的分辨率主要取决于电子束的直径，所以要尽可能缩小它，为此，物镜还装备有物镜可动光栏和消散器。一个带有扫描电路的偏转线翻通以锯齿波的电流，产生的磁场作用于电子束使它在样品上扫描。

　　扫描电镜的真空系统也与透射电镜的真空系统相似，由机械泵、扩散泵、检测系统、管道及阀门等组成。样品室位于镜筒的底部。为了能观察大块样品，样品室是大于透射电镜的。与透射电镜一样，扫描电镜的镜筒也有一套合轴调整装置，但相对比较简单。

　　扫描电镜显示系统包括信号的收集、放大、处理、显示与记录部分。显示和记录部分包括两个显像管和照相机。一个显像管是长余辉的，用于观察;另一显像管是高分辨率的、短余辉的，用于照相。

扫描电镜成像原理

　　从扫描电镜电子枪灯丝发出的直径20～35μm的电子束，受到阳极的1～40kV高压的加速射向镜筒，并受到diyi、二聚光镜 (或单一聚光镜)和物镜的会聚作用，缩小成直径约几十埃的狭窄电子束射到样品上。与此同时，偏转线圈使电子束在样品上作光栅状的扫描。电子束与样品相互作用将产生多种信号，其中Z重要的是二次电子。二次电子能量很低(小于50eV)，受到闪烁片上的高压(+10kV)的吸引和加速射向闪烁片。闪烁片受到二次电子的冲击把电子的动能转变成可见光，光通过光导棒送到光电倍增管，在那里光被高倍放大并转换成为电流。这个电信号经过前置放大、视频放大后，用它去调制显像管的电子束强度。

　　由于控制镜筒入射电子束的扫描线圈的电路同时也控制显像管的电子束在屏上的扫描，因此，两者是严格同步的，并且样品上被扫描的区域与显像管的屏是点点对应的。在样品上任何一点上的二次电子发射的强度的任何变化将表现为在屏上对应点的亮度的变化，组成了像。可在观察显像管的屏上观察;也可把照相显像管屏上的像拍摄记录下来。

　　扫描电镜二次电子像的放大倍率由屏上图像的大小与电子束在样品上扫描区域的大小的比例决定：M=像的大小/扫描区域的大小。通常显像管屏的大小是固定的，例如多用9寸或12寸显像管，而电子束扫描区域大小很容易通过改变偏转线圈的交变电流的大小来控制。因此，扫描电镜的放大倍数很容易从几倍一直达到几十万倍，而且可以连续地迅速地改变，这相当于从放大镜到透射电镜的放大范围。

扫描电镜的主要类型

　　扫描电镜依据性能不同主要分为：

　　1、一般扫描电镜：

　　目前一般扫描电镜采用热发射电子枪，分辨率为6nm左右，若采用六硼化镧电子枪，分辨率可提高到4～5nm。我校有这样的设备。

　　2、场发射电子枪扫描电镜：

　　由于场发射电子枪具有亮度高、能量分散少，阴极源尺寸小等优点，这种电镜的分辨率已达到3nm。场发射电子枪扫描电镜的另一个优点是可以在低加速电压下进行高分辨率观察，因此可以直接观察绝缘体而不发生充、放电现象。

　　3、生物用扫描电镜：

　　这种扫描电镜备有冰冻冷热样品台，可把含水生物样品迅速冷冻并对冰冻样品进行观察，可以减少化学处理引起的人为变化，使观察样品更接近于自然状态。如要观察内部结构，还可用冷刀把样品进行切开，加温使冰升华，并在其上喷镀一层金属再进行观察，所有这些过程都在扫描电镜中不破坏真空的状态下进行。