掃瞄電鏡的結構及原理

一、簡介

1特點：掃瞄電子顯微鏡主要特點是電子束在樣品上進行逐點掃瞄，獲得三維立體影象，影象觀察視野大、景深長、富有立體感。在觀察樣品表面形貌的同時，進行晶體學分析及成分分析。

常規的掃瞄電鏡分辨本領通常為7～10nm,加速電壓在1～50 kv範圍。生物樣品一般用10～20kv,成像放大率幾十倍至幾十萬倍。

2用途：掃瞄電鏡可對樣品進行綜合分析，已成為重要分析工具，纖維、紙張、鋼鐵質量等，觀察礦石結構、檢測催化劑微觀結構、**癌細胞與正常細胞差異等。

3日本日立公司產品s-5200型為超高解析度（ultra-highresolution）掃瞄電鏡，加速電壓為1kv時，解析度可達1.8nm,加速電壓為30kv時，解析度高達0.5nm。

此外，還具有獨特的電子訊號探測系統，不但能觀察樣品三維形態結構甚至能看到樣品的原子或分子結構，在使用效能方面已超越任何一種常規掃瞄電鏡。

二、掃瞄電鏡的結構

掃瞄電鏡的組成 :

（1）、電子光學系統：

組成：①電子槍與透鏡系統；②電子探針掃瞄偏轉系統

作用：產生直徑為幾十埃的掃瞄電子束，即電子探針，使樣品表面作光柵狀掃瞄。

①電子槍組成：陰極、陽極、柵極。直徑約為0.1mm鎢絲製成，加熱後發射的電子在柵極和陽極作用下，在陽極孔附近形成交叉點光斑，其直徑約幾十微公尺。

掃瞄電鏡沒有成像電鏡，成像原理與透射電鏡截然不同。所有透鏡皆為縮小透鏡，起縮小光斑的作用。縮小透幾十鏡將電子槍發射的直徑約為30μm電子束縮小成幾十埃，由兩個聚光鏡和乙個末透鏡完成三個透鏡的總縮小率為2000～3000倍。

兩個聚光鏡分別是第一聚光鏡和第二聚光鏡，可將在陽極孔附近形成的交叉點縮小。

聚光鏡可動光闌位於第二聚光鏡和物鏡之間，用於控制選區衍射時電子書的發散角。提高角解析度。

被聚光鏡縮小的光斑再由物鏡進一步縮小，使光斑直徑為幾十埃。然後匯聚在樣品上。

物鏡有兩個極靴，分別為上級靴和下級靴。上下級靴的形狀不對稱，極靴孔徑也不同，以適應不同需要。為在物鏡上級靴孔內裝掃瞄線圈、消像散器，也為降低球差和色差，上級靴孔徑稍大些。

為避免透鏡磁場對二次電子影象及磁性材料觀察的影響，下級靴孔徑稍小些。

物鏡可動光柵用於調整電子探針孔徑角，縮小電子束斑直徑，以獲得最大探針電流。在觀察二次電子影象時，調整物鏡可動光柵可獲得焦深大的電子顯微影象。

②電子探針掃瞄偏轉系統

電子探針掃瞄偏轉系統是掃瞄電鏡特殊部件。採用上下兩對偏轉線圈，放在物鏡上級靴孔中，其中上下各有一對線圈產生x方向掃瞄，成為行掃，另外上下各有一對線圈產生y方向掃瞄，成為幀掃。因要求電子探針在樣品上掃瞄，與電子束在映象管螢光屏上掃瞄同步，通常用乙個掃瞄發生器驅動掃瞄線圈及映象管掃瞄偏轉線圈。

（2）電子訊號收集、處理和顯示

掃瞄電鏡束與樣品作用後可產生多種訊號：①二次電子②背散射電子③x射線④吸收電子⑤俄歇電子 ⑥陰極發光⑦電子-空穴對⑧透射電子。各種訊號由特定的檢測系統收集檢測，形成不同電子影象。

二次電子探測器是掃瞄電鏡的重要部件之一，結構圖如下：

二次電子收集系統的組成：①柵網②聚焦環③閃爍體

柵網上加+250v電壓，用來吸引二次電子。通過調整聚焦環位置可改變閃爍體前加速電場分布，使二次電子比較集中打到加有+12kv 的高壓的閃爍體上。

二次電子大部分訊號穿過柵網，打到閃爍體上，轉換成光訊號，經光導管傳遞到光電倍增管進行訊號放大，將光電倍增管輸出的電流訊號接到**放大器，再稍加放大後即可用來調製映象管亮度，從而獲得影象。

掃瞄電鏡影象顯示在映象管上並由照相機記錄。掃瞄電鏡一般有兩個顯示通道，乙個用於觀察，乙個用於照相記錄。用於觀察的映象管解析度較低，邊長10cm螢光屏上有500條線。

用於照相記錄的映象管解析度較高，邊長10cm螢光屏上有800～1000條。

（3）樣品室、真空及電氣系統

掃瞄電鏡樣品室位於鏡筒下方，裝有冷阱附件，冷阱內冷卻片端部位於樣品與物鏡極靴之間。工作時放入液氮以冷卻冷卻片，在樣品周圍造成低溫環境，減少汙物汙染鏡筒及樣品。冷阱主要在x射線分析時使用。

掃瞄電鏡真空系統與透射電鏡基本相同。包括機械幫浦擴散幫浦、氣動碟閥、真空管道和真空測量裝置等。機械幫浦與油擴散幫浦串接，將鏡筒抽成高真空狀態，真空要求高於1.33×10-4pa。

電氣系統有高壓電源、透射電源、光電倍增管電源，掃瞄部件、微電流放大器和低電壓電源等，要求具有高穩定度。

三、掃瞄電鏡的工作原理

在5～30 kv 加速電壓作用下，電子槍發出幾十微公尺直徑的電子束，經第

一、第二光鏡及末透鏡縮小成直徑約幾十埃的電子探針，會聚在樣品上。在位於第二聚光鏡和物鏡之間的掃瞄線圈作用下，電子探針在樣品表面作光柵狀掃瞄並激發多種電子訊號。這些電子訊號被相應地收集檢測系統收集，經放大並轉換成電訊號，被送到映象管柵極用以調製映象管的亮度。

映象管中的電子束在螢光屏上也作光柵狀掃瞄，這種掃瞄運動與樣品表面電子束掃瞄運動嚴格同步。所以，由探測器逐點檢測的電子訊號，將一一對應調製映象管相應點的亮度。即電子束在樣品表面與映象管的嚴格同步掃瞄，使得電子像襯度與所接收訊號強度一一對應，由此獲得反應樣品表面形貌或成分特徵的掃瞄電子顯微影象。