扫描电子显微镜( 三 ) _电子显微镜原理

扫描电子显微镜的原理及应用扫描电子显微镜工作原理
（1）扫描
电子枪产生的高能电子束入射到样品的某个部位时，在相互作用区内发生弹性散射和非弹性散射事件，从而产生背散射电子、二次电子、吸收电子、特征和连续谱X射线、俄歇电子、阴极荧光等各种有用的信号，利用合适的探测器检测这些信号大小，就能够确定样品在该电子入射部位内的某些性质，例如微区形貌或成分等。
为了研究样品上更多部位的特征，必须利用扫描系统移动入射电子到样品上的不同位置。
（2）成像
扫描电镜的成像是靠扫描作用实现的。扫描发生器同时控制高能电子束和荧光屏中的电子束“同步扫描”，当电子束在样品上进行栅格扫描时，在荧光屏上也以相同的方式同步扫描，因此“样品空间”上的一系列点就与“显示空间”逐点对应。
换言之，样品上电子束的各个位置与荧光屏上的各点确立了严格的对应关系。样品表面被电子束扫描，激发出各种物理信号，其强度与样品的表面特征有关，这些信号通过探测器按顺序、成比例地转为视频信号，经过放大，用来调制荧光屏对应点的电子束强度，即光点的亮度，这就形成了扫描电镜的图像。而图像上强度的变化反映出样品的特性。
扫描电镜成像虽然不同光镜和透射电镜那样直接由物体发出的光线或电子束成像，这种成像过程如同利用信号探测器作为摄像机，对样品表面逐点拍摄，把各点产生的信号转换到荧光屏上成像。
荧光屏上的图像实际上是由一系列灰度不同的亮点组成，这个亮点称为像素(Pixle) 。像素点数越多，则图像的分辨率越高。
主要用途及适用范围
扫描电镜可应用于陶瓷材料分析、金属材料失效分析。在石油、地质、矿物领域，电子、半导体领域，医学、生物学领域，化工、高分子材料领域，公安刑侦工作领域，以及农、林业等方面都有广泛应用。
扫描电镜可进行显微形貌分析，如果配备了其它分析仪器也可进行成分的常规微区分析，包括元素定量、定性成分分析。进行显微形貌分析时，空间分辨率可达亚微米级；能够进行晶界的状态测量，或者晶体/晶粒的相鉴定，以及晶体、晶粒取向测量等；进行微区成分分析时，能够通过快速的多元素面扫描和线扫描进行分布测量。
在现代产业化生产和科学研究中，扫描电镜发展成为材料分析、监控工农业生产、保证产品质量、保障大生产流程安全高效的必要手段；同时在生物、环保、医学等有关人类的生存、发展领域的应用也日新月异；在军事现代高科技方面的发展（例如生物武器、化学武器战争、现场毒物检测、生命保障任务等）发挥了巨大的作用。
扫描电镜扫描电子显微镜(SEM)是1965年以后才迅速发展起来的新型电子仪器。其主要特点可归纳为：①仪器分辨率高；②仪器的放大倍数范围大，一般可达15～180000倍，并在此范围内连续可调；③图像景深大，富有立体感；④样品制备简单，可不破坏样品；⑤在SEM上装上必要的专用附件——能谱仪(EDX)，以实现一机多用，在观察形貌像的同时，还可对样品的微区进行成分分析。
一、扫描电子显微镜(SEM)的基本结构及原理
扫描电镜基本上是由电子光学系统、信号接收处理显示系统、供电系统、真空系统等四部分组成。图13-2-1是它的前两部分结构原理方框图。电子光学部分只有起聚焦作用的汇聚透镜，它们的作用是用信号收受处理显示系统来完成的。
图13-2-1 SEM的基本结构示意图
在扫描电镜中，电子枪发射出来的电子束，经3个电磁透镜聚焦，成直径为20 μm～25 ?的电子束。置于末级透镜上部的扫描线圈能使电子束在试样表面上做光栅状扫描。试样在电子束作用下，激发出各种信号，信号的强度取决于试样表面的形貌、受激区域的成分和晶体取向。试样附近的探测器把激发出的电子信号接受下来，经信号处理放大系统后，输送到阴极射线管(显像管)的栅极以调制显像管的亮度。由于显像管中的电子束和镜筒中的电子束是同步扫描的，显像管亮度是由试样激发出的电子信号强度来调制的，由试样表面任一点所收集来的信号强度与显像管屏上相应点亮度一一对应，因此试样状态不同，相应的亮度也必然不同。由此，得到的像一定是试样形貌的反映。若在试样斜上方安置的波谱仪和能谱仪，收集特征X射线的波长和能量，则可做成分分析。
值得注意的是，入射电子束在试样表面上是逐点扫描的，像是逐点记录的，因此试样各点所激发出来的各种信号都可选录出来，并可同时在相邻的几个显像管上或X—Y记录仪上显示出来，这给试样综合分析带来极大的方便。