扫描电镜的结构、原理及其操作使用

1、 一、实验目的一、实验目的 了解扫描电镜的工作原理及构造。 初步学习Sirion200场发射扫描电镜 的操作方法。 利用二次电子像对断口形貌进行观 察。 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 优点：优点： 景深长、图像富有立体感；景深长、图像富有立体感； 图像的放大倍率可在大范围内连续改变，而图像的放大倍率可在大范围内连续改变，而 且分辨率高；且分辨率高； 样品制备方法简单，可动范围大，便于观察；样品制备方法简单，可动范围大，便于观察； 样品的辐照损伤及污染程度较小；样品的辐照损伤及污染程度较小； 可实现多功能分析。可实现多功能分析。 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 构成：构成： 电子光

2、学系统，包括电子枪、电磁透镜和扫 描线圈等； 机械系统，包括支撑部分、样品室； 真空系统； 样品所产生信号的收集、处理和显示系统。 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 图1 Sirion 200 扫描电镜外 观照片 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 图2 扫描电子显微镜 构造示意图 (a)系统方框图 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 图2 扫描电子显微镜构 造示意图 (b) 电子光路图 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 电子光学系统电子光学系统包括: 电子枪 电磁聚光镜 扫描线圈 光阑组件 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 电子枪 为了获得较高的信号强度和扫描像， 由电子枪发

3、射的扫描电子束应具有较高 的亮度和尽可能小的束斑直径。 常用的电子枪有三种：普通热阴极三 极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发 射电子枪，其性能如表1所示。 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 表1 几种类型电子枪性能比较 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 (a)热电子发射型电子枪 (b)热阴极场发射电子枪 图3 电子枪构造示意图 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 电磁聚光镜 其功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小， 因照射到样品上的电子束光斑越小，其分辨率 就愈高。 扫描电镜通常都有三个聚光镜，前两个是 强透镜，缩小束斑，第三个透镜是弱透镜，焦 距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信

4、号探测器。 为了降低电子束的发散程度，每级聚光镜 都装有光阑。为了消除像散，装有消像散器。 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 扫描线圈 其作用是使电子束偏转，并在样品表面作有 规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和在显 像管上的扫描动作由同一扫描发生器控制,保持严 格同步。 当电子束进入偏转线圈时，方向发生转折， 随后又由下偏转线圈使它的方向发生第二次转折, 再通过末级透镜的光心射到样品表面。在上下偏 转线圈的作用下，在样品表面扫描出方形区域， 相应地在样品上也画出一副比例图像。 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 扫描电镜的倍率放大是通过改变电子束偏转角 度来实现放大倍率的调节。因为观

5、察用的荧光屏尺 寸是一定的，所以电子束偏转角越小，在试样上扫 描面积越小，其放大倍率M越大。 放大倍率一般是2020104倍。 () () c s A CRT M A 上扫描振幅 电子束在样品表面扫描振幅 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 (a)光栅扫描 (b)角光栅扫描 图4 电子束在样品表面的扫描方式 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 机械系统机械系统包括： 支撑部分 样品室 样品室中有样品台和信号探测器，样品台 除了能夹持一定尺寸的样品，还能使样品作平 移、倾斜、转动等运动，同时样品还可在样品 台上加热、冷却和进行力学性能实验（如拉伸 和疲劳）。 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的

6、构造 真空系统真空系统 如果真空度不足，除样品被严重污染外， 还会出现灯丝寿命下降，极间放电等问题。 对于像Sirion200型这种场发射灯丝扫描 电镜而言，样品室的真空一般不得低于110- 5Pa，它由机械真空泵和分子泵来实现；电镜镜 筒和灯丝室的真空不得低于410-7Pa，它由离 子泵来实现。 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 信号的收集、处理和显示系统信号的收集、处理和显示系统 样品在入射电子束作用下会产生各种物理信 号，有二次电子、背散射电子、特征X射线、阴 极荧光和透射电子。 不同的物理信号要用不同类型的检测系统。 它大致可分为三大类，即电子检测器、阴 极荧光检测器和X射线检测器

7、。 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 常用的检测系统为闪烁计数器， 它位于样品上侧，由闪烁体，光导 管和光电倍增器所组成，如图5所示。 二、扫描电镜的构造二、扫描电镜的构造 图5 电子检测器 三、扫描电镜的基本原理三、扫描电镜的基本原理 电子枪的热阴极或场发射阴极发出的电子 受阳极电压（1-50kV）加热并形成笔尖状电子 束。经过二或三个（电）磁透镜的作用，在样 品表面会聚成一个直径可小至10-100 的细束， 携带束流量为10-1010-12A。在末透镜上部的扫 描线圈作用下，细电子束在样品表面作光栅状 扫描，即从左上方向右上方扫，扫完一行再扫 其下相邻的第二行，直到扫完一幅（或帧）。

8、如此反复运动。 四、扫描电镜的调整四、扫描电镜的调整 电子束合轴 放入试样 图像调整 四、扫描电镜的调整四、扫描电镜的调整 电子束合轴电子束合轴 调整电子束对中（合轴）的方法有 机械式机械式和电磁式电磁式。 机械式机械式是调整合轴螺钉 电磁式电磁式则是调整电磁对中线圈的电流， 以此移动电子束相对光路中心位置达到 合轴目的 四、扫描电镜的调整四、扫描电镜的调整 放入试样放入试样 将试样固定在试样盘上，并进行导电处理， 使试样处于导电状态。将试样盘装入样品更换 室，预抽三分钟，然后将样品更换室阀门打开， 将试样盘放在样品台上，在抽出试样盘的拉杆 后关闭隔离阀。 四、扫描电镜的调整四、扫描电镜的调整

9、 高压选择 聚光镜电流的选择 光阑选择 聚焦与像散校正 亮度与对比度的选择 四、扫描电镜的调整四、扫描电镜的调整 高压选择 扫描电镜的分辨率随加速电压增大而 提高，但其衬度随电压增大反而降低，并 且加速电压过高污染严重，所以一般在 20kV下进行初步观察，而后根据不同的目 的选择不同的电压值。 四、扫描电镜的调整四、扫描电镜的调整 聚光镜电流的选择 聚光镜电流与像质量有很大关系，聚 光镜电流越大，放大倍数越高。同时，聚 光镜电流越大，电子束斑越小，相应的分 辨率也会越高。 四、扫描电镜的调整四、扫描电镜的调整 光阑选择 光阑孔一般是400、300、200、 100四档，光阑孔径越小，景深越大，

10、分辨 率也越高，但电子束流会减小。一般在二次 电子像观察中选用300或200的光阑。 四、扫描电镜的调整四、扫描电镜的调整 聚焦与像散校正 聚焦分粗调、细调两步。由于扫描电 镜景深大、焦距长，所以一般采用高于观 察倍数二、三档进行聚焦，然后再回过来 进行观察和照像。即所谓“高倍聚焦，低 倍观察”。 像散校正主要是调整消像散器，使其电 子束轴对称直至图像不飘移为止。 四、扫描电镜的调整四、扫描电镜的调整 亮度与对比度的选择 二次电子像的对比度受试样表面形貌 凸凹不平而引起二次电子发射数量不同的影 响。反差与亮度的选择则是当试样凸凹严重 时，衬度可选择小一些，以达明亮对比清楚， 使暗区的细节也能观察清楚。也可以选择适 当的倾斜角，以达最佳的反差。 五、样品的观察五、样品的观察 形貌衬度二次电子像及其衬度 原理 表面形貌衬度是利用对样品表面形貌变 化敏感的物理信号作为调制信号得到的一种像 衬度。二次电子像分辨率比较高，所以适用