扫描电子显微镜的工作原理和构造

20.1.1 工作原理

图20-1（a）是扫描电子显微镜的系统方框图。从电子枪阴极发射出的电子受1至50k V高压加速，经过三个磁透镜的三级缩小，形成束斑直径为5～10nm的细电子束聚焦在样品表面。在第二聚光镜和第三聚光镜（又称物镜）之间有一组扫描线图，使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与固体样品的相互作用产生各种信号：二次电子、背散射电子、吸收电子、特征X射线等。这些信号被相应的检测器检测，经视频放大器进一步放大后再调制阴极射线管的亮度，由于阴极射线管偏转线圈和镜筒中扫描线圈的扫描电流是严格同步的，因此样品表面任意点发射的信号与阴极射线管的荧光屏上相应亮点的亮度是一一对应的。也就是说，电子打到试样上的一点时，在阴极射线管的荧光屏上就出现一个对应亮点。我们观察样品上的一定范围的区域，扫描电子显微镜像电视一样采用逐点扫描法将图像显示出来。

图20-1 扫描电子显微镜构造示意

（a）系统方框图；（b）电子光学系统（镜筒）

扫描电子显微镜改变倍率很方便。由于阴极射线管的荧光屏宽度尺寸（Ac）是固定值，一般为100mm，如果调节扫描线圈电流，从而改变入射电子在样品上的扫描范围As（也称为扫描振幅），则可获得不同的放大倍率：

M=Ac／As=常数／As（20-1）

当扫描范围减小，则倍率提高，反之则降低。

扫描电子显微镜有一个显著特点就是景深（场深）很大。这是由于扫描电子束发射度β很小所致，从图20-2可看出：

式中d0是扫描像分辨率；Ff是景深。景深Ff是指在保持像清晰度的前提下，即不降低分辨率的前提下，样品在物平面上下沿光轴可移动的最大距离。

图20-2 扫描电子显微镜景深与束发散度的关系

表20-1给出了在不同放大倍率下，扫描电子显微镜分辨率和相应的景深值（β=1× 10-3rad）。为了便于比较，也给出了相应放大倍率下光学显微镜的景深值。表中的分辨率d0被定义为；

d0=肉眼分辨率／仪器放大倍率 （20-3）

在表中肉眼的分辨率取值为0.1mm。在上述定义中的放大倍率又称为有效放大倍率。从表中可知，扫描电子显微镜的景深比光学显微镜大得多，所以它特别适用于粗糙表面的观察和分析。

表20-1 扫描电子显微镜的分辨率和景深

20.1.2 构造

扫描电子显微镜由电子光学系统（镜筒）、信号检测放大系统、图像显示和记录系统以及电源系统和真空系统等部分组成。主要部分简介如下：

1）电子光学系统

电子光学系统由电子枪、聚光镜、扫描线圈、光栏、样品室等部件组成，如图20-1（b）所示。它的作用与透射电子显微镜不一样，仅仅用来获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。为了获得较高的信息强度和扫描像（尤其是二次电子像）分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

普通热阴极电子枪由于受到钨丝阴极发射率较低的限制，当经三个聚光镜缩小后照射到样品表面的束流强度为10-11～10-13A时，扫描电子束最小直径才能达到5～7nm。由此可见，要尽可能减小扫描电子束斑直径，只有在确保适当的扫描电子束流强度前提下才有实际意义。因此，为了获得一种亮度更高、直径更小的电子流，以后相继出现了六硼化镧（La B6）和场发射电子枪。

以扫描线圈为核心组成的扫描系统，其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧屏上的同步扫描信号；改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率的扫描像。

样品室中主要部件之一是样品台。它除了能进行二维平面上的移动，还能倾斜和转动，样品台移动范围一般可达40mm，倾动范围至少±50°左右，转动360°。样品台还可带有多种附件，例如使样品在样品台上加热、冷却，或拉伸等，可进行动态观察。

2）信号检测放大系统

其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。不同的物理信号，要用不同类型的检测系统。它大致可分为三类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X射线检测器。

在扫描电子显微镜中最普遍使用的电子检测器是由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成，如图20-3所示。闪烁体多由含磷光物质的闪烁塑料制成。在闪烁体上加上约10k V的正高压来加速电子。因塑料闪烁不导电，故在其上面喷镀几十纳米厚的铝膜作为高压电极，又可作为反光层阻挡杂散光的干扰。闪烁体上的正高压会使入射束位移或引起像散，为此其外套着一个有栅网的法拉第罩，其电位接近零电压.在法拉第罩栅网上接+200V左右的正偏压（相对样品）可以进一步有效地吸收二次电子。若要排斥二次电子，则在法拉第罩栅网上加50V负偏压。法拉第罩栅网上施加这样低的正负偏压不会给入射电子束带来明显的不利影响。

图20-3 电子检测器

当信号电子撞击并进入闪烁体时，将引起电离，当离子与自由电子复合时产生可见光，其沿无吸收的光导管送到光电倍增器进行放大，输出电信号可达10m A左右，经视频放大器放大后作为调制信号。这种检测系统的特点是在很宽的信号范围内具有正比于原始信号的输出，具有很宽的频带（10Hz～1MHz）和高的增益（105～106），而且噪声很小。

阴极荧光检测器由光谱仪、光导管和光电倍增器所组成。当半导体、磷光体和一些绝缘体在高能电子照射下产生阴极荧光时，由样品发射的阴极荧光信号通过椭圆镜面反射聚焦到光导管上，然后通过光导管直接送到光电倍增器进行放大，再经视频放大器放大后即可作为调制信号。阴极荧光信号主要用于矿物、半导体和生物样品的研究。

在扫描电子显微镜中可配备X射线检测仪，它分为能谱仪和波谱仪，有关内容在下一章电子探针X射线显微仪中详细介绍。

3）显示与记录系统

该系统的作用是把信号检测系统输出的调制信号，转换为在阴极射线管荧光屏上显示样品某种特征的放大像，供观察和照相记录。

扫描电子显微镜的扫描速度可以变化，从数十秒的慢速扫描变到快速的电视扫描，其间分成几档，供不同操作目的使用。显示装置一般有两个显示通道：一个用来观察，另一个供照相记录。前者采用长余辉显像管，便于观察；后者则为高分辨率的短余辉管子。观察时为便于调焦，采用相对快的扫描速度，而拍照时为了得到分辨高的图像，要求采用尽可能慢的扫描速度。