扫描电镜技术原理及应用
扫描电子显微镜的结构原理和功能用途
扫描电子显微镜的结构原理和功能用途扫描电镜简介电子源发射的电子束经过电磁透镜的电子光学通路聚焦，电子源的直径被缩小到纳米尺度的电子束斑，与显示器扫描同步的电子光学镜筒中的扫描线圈控制电子束，在样品表面一定微小区域内，逐点逐行扫描。
电子束与样品相互作用，从样品中发射的具有成像反差的信号，由一个适当的图像探测器逐点收集，并将信号经过前置放大器和视频放大器,用调制解调电路调制显示器上相对应显示像素的亮度，形成我们人类观察习惯的，反映样品二维形貌的图像或者其他可以理解的反差机制图像。
由于图像显示器的像素尺寸远远大于电子束斑尺寸，（0.1mm/1nm=100,000倍）而且显示器的像素尺寸小于等于人类肉眼通常的分辨率，这样显示器上的图像相当于把样品上相应的微小区域进行了放大。
通过调节扫描线圈偏转磁场，可以控制电子束在样品表面扫描区域的大小，理论上扫描区域可以无限小，但可以显示的图像有效放大倍数的限度是扫描电镜分辨率的限度。
模拟图像扫描系统：样品上每个像素模拟信号直接调制阴极射线管对应显示像素的亮度，由于生成一幅高质量图像一般需要数秒或者数十秒/帧，所以模拟电镜使用慢余辉显像管终端显示一幅活图像，为了便于在显像管上观察图像，需要暗室，操作者可按照一定规程调整仪器参数，如图像聚焦，移动样品台搜索感兴趣区域，调节放大倍数，亮度对比度，消象散等从而获得最佳的图像质量。
模拟图像输出采用高分辨照相管，用单反相机直接逐点记录在胶片上，然后冲洗相片。
自1985年以来，模拟图像电镜已经被数字电镜取代。
数字图像扫描系统：样品上每个像素发出的成像信号，被图像探测器探测器后，经过前置放大器，和视频放大器放大，直接进行信号数字化，然后存储在图像采集卡的帧存器，形成数字图像数据，图像数据可被电镜操作软件读取，操作者在图形交互界面（GUI)上对图像进行调整控制，并把调整好的数字图像存储在计算机中硬盘中。
模拟控制是控制信号不经过计算机软件,直接由操作台按键旋钮等对执行机构进行控制,属于人工手动控制,控制精度由操作者观察仪表盘的变化决定.例如高压电源,扫描线圈,探测器电源,电子枪控制，磁透镜控制,样品台的运动控制等等。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种高分辨率的显微镜，利用电子束而非光线来观察样品表面的微观结构。
它能够提供比传统光学显微镜更高的分辨率和更大的深度信息，因此被广泛应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域。
扫描电镜的工作原理可以分为以下几个步骤：1. 电子源产生电子束：扫描电镜中的电子源通常采用热阴极发射电子的方式，如热丝或者热发射阴极。
当电子源受到加热时，电子会从阴极表面发射出来，形成电子束。
2. 加速和聚焦电子束：电子束经过加速电场，使其获得足够的能量。
然后，通过电磁透镜系统对电子束进行聚焦，以获得较小的束斑尺寸。
3. 样品表面的相互作用：将要观察的样品放置在扫描电镜的样品台上，并调整样品的位置和倾斜角度。
当电子束照射到样品表面时，它与样品中的原子和份子相互作用，产生多种信号。
4. 信号的检测和处理：样品与电子束相互作用后，会产生多种信号，包括二次电子、反射电子、散射电子、透射电子等。
这些信号被探测器捕捉，并转化为电信号。
5. 影像的生成和显示：电信号经过放大、转换和处理后，通过计算机系统生成样品的影像。
这些影像可以以黑白或者彩色的形式显示在显示器上，供操作者观察和分析。
扫描电镜相较于传统光学显微镜具有以下优势：1. 高分辨率：扫描电镜的分辨率通常可以达到纳米级别，远远高于传统光学显微镜的分辨率。
2. 大深度信息：扫描电镜可以提供样品表面的三维形貌信息，使观察者能够更全面地了解样品的结构。
3. 高放大倍数：扫描电镜可以实现高倍数的放大，使细微结构和纳米级粒子能够清晰可见。
4. 可观察多种样品：扫描电镜适合于观察各种不同性质的样品，包括金属、陶瓷、生物组织、纤维材料等。
5. 光学显微镜无法观察的细节：扫描电镜能够观察到光学显微镜无法分辨的细节，如纳米级的表面形貌、弱小的缺陷和晶体结构等。
然而，扫描电镜也存在一些限制和挑战：1. 样品制备要求高：扫描电镜对样品的制备要求较高，需要进行表面处理、金属涂覆或者冷冻等步骤，以确保样品的导电性和稳定性。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种高分辨率的显微镜，利用电子束和样品之间的相互作用来获取样品表面的详细信息。
它在材料科学、生物学、纳米技术等领域具有广泛的应用。
一、工作原理概述扫描电镜的工作原理可以分为以下几个步骤：电子源产生电子束，电子束经过聚焦系统聚焦后，通过扫描线圈控制电子束的位置，然后电子束与样品表面发生相互作用，样品表面发射出的信号被探测器采集并转换成图象。
二、电子源扫描电镜使用的电子源通常是热阴极。
热阴极是由钨丝或者其他材料制成的，通过加热使其发射电子。
电子源的温度和电流可以调节，以控制电子束的强度和稳定性。
三、聚焦系统聚焦系统主要由透镜组成，用于聚焦电子束。
透镜可以是磁透镜或者电透镜，通过调节透镜的电流或者磁场来控制电子束的聚焦效果。
聚焦系统的作用是使电子束尽可能地细致和聚焦，以提高分辨率。
四、扫描线圈和扫描控制扫描线圈用于控制电子束的位置，使其按照一定的模式在样品表面挪移。
扫描控制系统可以根据需要调整扫描速度和扫描范围。
通过控制扫描线圈，可以在样品表面获取不同位置的信号，从而形成图象。
五、相互作用和信号检测电子束与样品表面发生相互作用时，会产生多种信号，包括二次电子、反射电子、散射电子、辐射等。
这些信号可以提供关于样品表面形貌、成份和结构的信息。
扫描电镜通常使用多种探测器来采集这些信号，并将其转换为图象。
六、图象处理和显示采集到的信号经过放大、滤波、增益等处理后，可以转换为数字信号，并通过计算机处理和显示。
图象处理软件可以对图象进行增强、测量和分析，以获取更多的样品信息。
七、应用领域扫描电镜在材料科学、生物学、纳米技术等领域具有广泛的应用。
在材料科学中，扫描电镜可以观察材料的表面形貌、颗粒分布、晶体结构等；在生物学中，扫描电镜可以研究细胞形态、细胞组织结构等；在纳米技术中，扫描电镜可以观察纳米材料的形貌和结构。
总结：扫描电镜通过利用电子束和样品之间的相互作用来获取样品表面的详细信息。
扫描电镜工作原理科普
扫描电镜工作原理科普扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束来观察材料表面形貌和获得微观结构图像的仪器。
与传统的光学显微镜相比，扫描电镜能够提供更高的分辨率和更大的放大倍数，因此在材料科学、生物学、纳米技术等领域被广泛应用。
下面将从工作原理、构成和应用角度对扫描电镜进行科普。
一、工作原理：扫描电镜的工作原理主要是利用电子的特性来实现高分辨率成像。
其基本原理可以概括为以下几个步骤：1.电子束的产生：扫描电镜中使用的是电子束而非光线，电子束通过热发射、场致发射等方式产生。
2.电子束的聚焦：电子束通过聚焦系统进行聚焦，使其能够更准确地照射到样品表面。
3.电子束的扫描：电子束通过扫描系统进行规律的扫描，以便覆盖样品表面的各个区域。
4.电子束与样品的相互作用：电子束照射到样品表面时，会与样品中的电子、原子发生相互作用，产生散射、透射、反射等现象。
5.信号的采集：根据与样品相互作用产生的信号，通过相应的探测器进行采集。
6.图像的生成：通过采集到的信号，经过信号处理和图像重构，最终生成样品的形貌图像。
二、构成：扫描电镜由以下几部分组成：1.电子枪：用于产生电子束的装置，通常采用热阴极或场致发射阴极。
2.聚焦系统：用于将电子束进行准确的聚焦，以便更好地照射到样品表面。
3.扫描系统：用于对样品表面进行规律的扫描，以便获取样品的整体形貌图像。
4.样品台：用于固定和导热样品，通常具有多种移动方式，以适应不同样品的观察需要。
5.检测器：用于采集样品与电子束相互作用所产生的信号，常用的检测器有二次电子检测器和反射电子检测器等。
6.显示和控制系统：用于显示图像、实时调节仪器参数以及采集和处理数据等。
三、应用：扫描电镜在科学研究、工业材料分析和教学实验等领域具有广泛的应用。
其主要应用如下：1.材料科学：扫描电镜可以用于研究材料的表面形貌、结构和成分，对于纳米材料、金属和非金属材料等的表面缺陷、晶体结构以及纳米结构等进行观察和分析。
扫描电镜和能谱仪
生物样品分析
用于研究生物组织、细胞中的元素分布和含量， 有助于了解生物体的生理功能和代谢机制。
能谱仪的优缺点
优点
能谱仪具有快速、无损、高精度和高灵敏度的特点，可同时测定多种元素，且 对样品制备要求较低。
缺点
能谱仪的分辨率和探测器性能对测定结果有影响，对于轻元素和低含量的元素 测定可能存在误差。此外，能谱仪的造价和维护成本较高，需要专业人员操作 和维护。
04
扫描电镜与能谱仪的比较
工作原理的比较
扫描电镜（SEM）
扫描电镜是一种利用电子束扫描样品表面并产生图像的显微镜。电子束轰击样品 表面，激发出各种信号，如二次电子、背散射电子等，这些信号被探测器接收并 转换为电信号，进一步处理后形成图像。
工作原理的比较
能谱仪（EDS）
能谱仪是一种用于分析样品表面元素组成的仪器。当电子束轰击样品时，各元素会发出特征X射线，能谱仪通过检测这些特征 X射线的能量和强度，确定样品表面的元素种类和含量。
3
数据分析
收集到的信号经过计算机处理，转换成元素种类 和含量的信息，以谱图或表格形式展示。
能谱仪的应用范围
地质样品分析
用于分析岩石、矿物、土壤等地质样品中的元素 成分。
考古样品分析
用于鉴定文物、古迹中的元素成分，为考古研究 提供依据。
ABCD
环境样品分析
用于检测土壤、水体、大气等环境样品中的重金 属、有机污染物等。
04
能谱仪
优点：可分析样品表面的元素组成和含量 ，具有较高品表面的形貌和结构， 需要配合其他显微镜使用。
05
实际应用案例分析
扫描电镜在材料科学中的应用
01
02
03
金属材料
观察金属材料的微观结构， 如晶粒大小、相分布等， 分析材料的力学性能和热 性能。
扫描电镜原理及应用
Ni 93.79
Cu
4.68
Fe
1.53
cn
镀层成分
Element Weight% Cu 1.25 Sn 8.12 Pb 90.63
cn
元素线扫描
合金层、Ni栅层、镀层
cn
元素面分布图
蜘蛛
HV-mode 15 kV
SE-detector
毛虫
VPSE-detector 10 kV
XVP-mode 48 Pa air
医学
在医学中扫描电镜技术已经从基础研究发展到疾病模型、培养细胞 或组织鉴定、伤情诊断、药理作用与效果观察、疑难病症的电镜诊断等 。扫描电镜技术在医学形态学的研究中已成为不可缺少的科研工具与手 段。 • 用于植物药鉴定：用电镜能揭示一些有关植物药的新性状、结构，并已 成为在分类上有特殊意义的指标。通过对微细形态结构的变化规律的研 究，可以得到亚显微水平上特征量的变化趋势。业已证明，植物的一些 微细形态结构特征，以其高度的品种专属性和稳定的遗传性，而成为植 物药分类鉴定的依据和标准。并有助于了解种间的亲缘关系远近及进化 地位。 • 病情诊断：应用扫描电镜对人脑原发性胶质瘤的癌细胞和间质的超微形 态特征进行研究，可直接的观察到瘤组织内各种成分之间的相互关系， 以供鉴别诊断。 • 医疗材料：在临床医学上，应用扫描电镜对心瓣膜材料的观察研究，可 以寻找合适的替换材料。 • 修复病变：用扫描电镜观察用半导体激光处理的离体牙，判断激光对牙 齿的作用和损伤，研究如何促进病变的修复和愈合。
倍聚焦后缩小到低倍无需再聚焦 • 有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各
种试样凹凸不平表面的细微结构 • 试样制备简单、使用方便 • 可搭配X射线能谱仪等其它分析装置，使扫描电镜成为集
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种高分辨率的显微镜，能够通过扫描样品表面并利用电子束与样品相互作用来观察和分析样品的表面形貌和成分。
它在材料科学、生物学、纳米技术等领域有着广泛的应用。
一、扫描电镜的基本构成扫描电镜主要由电子光学系统、样品台、探测系统和显像系统组成。
1. 电子光学系统：电子光学系统包括电子源、电子束调制系统和扫描线圈。
电子源通常采用热阴极或场发射阴极，产生高能电子。
电子束调制系统用于控制和调节电子束的形状和大小。
扫描线圈通过改变电子束在样品表面的位置，实现对样品进行扫描。
2. 样品台：样品台是承载样品的平台，通常具有XY移动功能，可以调整样品的位置。
样品台还可以加热、冷却或施加电场等特殊处理。
3. 探测系统：探测系统用于收集与样品相互作用后产生的信号。
常用的探测器有二次电子探测器和反射电子探测器。
二次电子探测器用于观察样品表面形貌，反射电子探测器用于分析样品的成分。
4. 显像系统：显像系统将探测到的信号转化为图像，并通过显示器进行显示。
显像系统还可以进行图像增强和处理，以获得更清晰的图像。
二、扫描电镜的工作原理扫描电镜的工作原理可以分为电子源产生电子束、电子束与样品相互作用、探测信号收集和图像显示四个步骤。
1. 电子源产生电子束：扫描电镜中的电子源通常采用热阴极或场发射阴极。
电子源产生的电子束经过电子束调制系统的调节，形成高能、聚焦的电子束。
2. 电子束与样品相互作用：电子束照射到样品表面后，与样品表面的原子和分子发生相互作用。
这种相互作用包括电子与样品表面原子的散射、电子与样品表面原子的激发和电子与样品表面原子的透射等。
3. 探测信号收集：样品与电子束相互作用后，会产生多种信号，如二次电子、反射电子、散射电子等。
这些信号被探测器收集，并转化为电信号。
4. 图像显示：探测到的信号经过放大、增强和处理后，通过显像系统转化为图像，并通过显示器进行显示。
扫描电镜的原理
扫描电镜的原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束来成像样品表面微观形貌的高分辨率显微镜。
相比于光学显微镜，扫描电镜具有更高的放大倍数和更好的分辨率，能够观察到更小尺度的结构和表面形貌。
下面我们将详细介绍扫描电镜的原理。
首先，扫描电镜的成像原理是利用电子束与样品表面相互作用产生的信号来获取图像。
当电子束照射到样品表面时，会激发出多种信号，包括二次电子、反射电子、透射电子以及特征X射线等。
这些信号可以提供关于样品表面形貌、成分和结构的信息。
其次，扫描电镜的工作原理主要包括电子光学系统、样品台、探测器和图像处理系统。
电子光学系统包括电子枪、透镜系统和扫描线圈，它们共同产生并控制电子束的聚焦和扫描。
样品台用于支撑和定位样品，保证样品与电子束的准确对准。
探测器用于接收样品表面产生的信号，并将信号转换成电子图像。
图像处理系统则对接收到的信号进行处理和显示，生成最终的图像。
另外，扫描电镜的成像原理还涉及到信号的获取和处理过程。
当电子束扫描样品表面时，探测器会收集并转换成电子信号，然后通过信号放大和数字化处理，最终生成高分辨率的图像。
这些图像可以展现样品表面的微观形貌和结构特征，帮助科研人员进行分析和研究。
总的来说，扫描电镜的原理是基于电子与样品相互作用产生信号的物理过程，通过电子光学系统、样品台、探测器和图像处理系统共同完成信号的获取和成像。
扫描电镜具有高分辨率、高放大倍数和表面成像能力强的特点，是一种重要的微观表征工具，广泛应用于材料科学、生物科学、纳米技术等领域。
在实际应用中，扫描电镜的原理和技术不断得到改进和完善，使得扫描电镜在微观表征和分析方面发挥着越来越重要的作用。
相信随着科学技术的不断进步，扫描电镜将会在更多领域展现出其强大的应用潜力。
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扫描电镜技术原理及应用
摘要: 扫描电镜一种新型的多功能的，用途最为广泛的电子光学仪器。
数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。
关键词：扫描电镜;应用
1938 年德国的阿登纳制成了第一台扫描电子显微镜，1965 年英国制造出第一台作为商品用的扫描电镜，使扫描电镜进入实用阶段。
近 20 年来，扫描电镜发展迅速，多功能的分析扫描电镜（即扫描电镜带上能谱仪、波谱仪、荧光仪等）既能做超微结构研究，又能做超微结构分析，既能做定性、定量分析、又能做定位分析,具有景深大，图像富有立体感，分辨率高，图像放大倍数高，显像直观，样品制备过程相对简单，可连接EDAX（X-射线能谱分析仪）进行微区成分分析等特点，被广泛应用于生物学、医学、古生物学、地质学、化学、物理、电子学及林业等学科和领域［1-2］。
1扫描电镜的工作原理与技术特点
1.1 扫描电镜的工作原理
扫描电镜( SEM) 的工作原理是由电子枪发射出来直径为50μm（微米）的电子束，在加速电压的作用下经过磁透镜系统会聚，形成直径为5nm（纳米）的电子束，聚焦在样品表面上，在第二聚光镜和物镜之间偏转线圈的作用下，电子束在样品上做光栅状扫描，同时同步探测入射电子和研究对象相互作用后从样品表面散射出来的电子和光子，获得相应材料的表面形貌和成分分析［3］。
从材料表面散射出来的二次电子的能量一般低于50 eV，其大多数的能量约在2 ～ 3 eV。
因为二次电子的能量较低，只有样品表面产生的二次电子才能跑出表面，逃逸深度只有几个纳米，这些信号电子经探测器收集并转换为光子，再通过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显示系统上。
扫描电镜工作原理的特殊之处在于把来自二次电子的图像信号作为时像信号，将一点一点的画面“动态”地形成三维的图像。
1.2 扫描电镜的技术特点［4］
扫描电子显微镜测试技术特点主要有:
( 1) 聚焦景深大。
扫描电子显微镜的聚焦景深是实体显微镜聚焦景深的50
倍，比偏反光显微镜则大500 倍，且不受样品大小与厚度的影响，观察样品时立体感强。
( 2) 二次电子扫描图像的分辨率优于100 埃，比实体显微镜高200 倍。
可以直接观察矿物、岩石等的表面显微结构特征，清晰度好。
( 3) 放大倍数在14 ～ 100000 倍内连续可调。
填补了光学显微镜和电子显微镜之间放大倍数的空白，便于在低倍下寻找位置，在高倍下详细观察，且不用重新对焦，易于了解局部和整体之间的相互联系。
( 4) 不破坏样品，制样方便，样品大小几乎不受限制。
( 5) 扫描电镜是一种有效的理化分析工具，通过它可进行各种形式的图像观察、元素分析、晶体结构分析。
理的特殊之处在于把来自二次电子的图像信号作为时像信号，将一点一点的画面“动态”地形成三维的图像
2 扫描电镜技术的应用
2.1：扫描电镜技术在木材工业中的应用
世界上林业发达的国家，如欧美及日本等国均大量采用扫描电镜技术来研究木材解剖、木材化学、木材物理及力学等方面的性质，为树种的改良、木材改性及应用提供了有力的科学依据［5-7］。
近年来，在木材学研究领域，我国也大量应用了扫描电镜技术。
在20 世纪80 年代，中国林科院的科研人员［8］就使用SEM 505 型电镜对中国裸子植物木材的超微构造进行研究，填补了我国在该研究领域的空白。
2．2 在选矿方面
朱红［9］应用扫描电镜及X 射线衍射分析了黄铁矿的表面氧化产物，研究了黄铁矿表面氧化机理及黄铁矿表面状态对煤浮选脱硫的影响。
侯彤等［10］为寻求高灰煤泥难选的本质原因，通过浮选试验、SEM 电镜扫描和XRD 衍射仪对钱家营矿选煤厂煤泥中矿物成分的分布进行了分析。
结果表明，该煤泥的主要矿物成分为私土类矿物，具有易碎、易泥化的特点，因此矿物的细粒嵌布和夹带是造成煤泥精煤灰分偏高，煤泥难选的主要原因，这一结论对以后的细粒煤分选研究起到了指导作用［11］。
2.3 用于纺织品文物表面物的表面形态分析和元素分析
因为纺织品文物的制作工艺一般都比较复杂，它的制作历经染色、刺绣、掺杂金属丝线等工艺，另外纺织品文物表面一般附有污染物。
因此应用扫描电镜—能谱仪对纺织品文物上表面物的分析研究（例如鉴定染料成分、分析污染物成分等）对纺织品的文物保护具有十分重要的意义。
龚德才运用扫描电镜-能谱仪来分析古代丝织品蛋白质纤维中的铁、铝与硫的比例，可以判断这件丝织品文物的染色是否运用了媒染剂硫酸铝钾。
汪自强等运用扫描电镜-能谱仪来观察出土纺织品上结晶盐的表面形态并分析其元素成分。
周旸等运用扫描电镜-能谱仪对南昌明宁靖王妃墓出土纺织品的平金线进行表面形态分析和表面元素分析，并参照元代平金线的扫描电镜分析测试结果对之进行解释 [12]。
3 结论
扫描电镜在矿物加工领域，已经极大的促进了人们认识微观的矿物颗粒，解释与之相关的现象，从而更加合理的利用矿产资源。
未来的扫描电镜将会在以下三个方面发展:
( 1) 不断提高分辨率，以求观察更精细的物质结构、微小的实体以至单个原子;
( 2) 研制超高压电镜和特殊环境的样品室，以研究物体在自然状态下的形貌及动态性质;
( 3) 研制能对样品进行综合分析( 包括形态、结构和化学成分等) 的设备。
总之，现代分析测试技术的发展和应用，已经或将要大大促进矿物加工学科的发展，必然带来矿物加工学科研究量的和质的进步。
随着扫描电镜的发展以及其他测试的手段的发展，定将更有力的推动矿物加工学科的发展[13]。
参考文献
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