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。

1、扫描电子显微镜是一种大型分析仪器, 它广泛应用于观察各种固态物质的表面超微结构的形态和组成。

2、所谓扫描是指在图象上从左到右、从上到下依次对图象象元扫掠的工作过程。它与电视一样是由控制电子束偏转的电子系统来完成的, 只是在结构和部件上稍有差异而已。

3、在电子扫描中, 把电子束从左到右方向的扫描运动叫做行扫描或称作水平扫描, 把电子束从上到下方向的扫描运动叫做帧扫描或称作垂直扫描。两者的扫描速度完全不同, 行扫描的速度比帧扫描的速度快, 对于1000条线的扫描图象来说, 速度比为1000。

4、扫描电镜成像过程与电视成像过程有很多相似之处, 而与透射电镜的成像原理完全不同。透射电镜是利用成像电磁透镜一次成像, 而扫描电镜的成像则不需要成象透镜, 其图象是按一定时间、空间顺序逐点形成并在镜体外显像管上显示。

5、二次电子成象是使用扫描电镜所获得的各种图象中应用最广泛, 分辨本领最高的一种图象。我们以二次电子成象为例来说明扫描电镜成象的原理。

6、由电子枪发射的电子束最高可达30keV, 经会聚透镜、物镜缩小和聚焦, 在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束。在扫描线圈的磁场作用下, 入射电子束在样品表面上按照一定的空间和时间顺序做光栅式逐点扫描。由于入射电子与样品之间的相互作用, 将从样品中激发出二次电子。由于二次电子收集极的作用, 可将各个方向发射的二级电子汇集起来, 再将加速极加速射到闪烁体上, 转变成光信号, 经过光导管到达光电倍增管, 使光信号再转变成电信号。这个电信号又经视频放大器放大并将其输送至显像管的栅极, 调制显像管的亮度。因而, 再荧光屏上呈现一幅亮暗程度不同的、反映样品表面形貌的二次电子象。

7、在扫描电镜中, 入射电子束在样品上的扫描和显像管中电子束在荧光屏上的扫描是用一个共同的扫描发生器控制的。这样就保证了入射电子束的扫描和显像管中电子束的扫描完全同步, 保证了样品上的“物点”与荧光屏上的“象点”在时间和空间上一一对应, 称其为“同步扫描”。一般扫描图象是由近100万个与物点一一对应的图象单元构成的, 正因为如此, 才使得扫描电镜除能显示一般的形貌外, 还能将样品局部范围内的化学元素、光、电、磁等性质的差异以二维图象形式显示。

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