模拟电子显微镜扫描系统的电路原理及维修
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。
扫描电子显微镜的构造和工作原理
扫描电子显微镜的构造和工作原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它通过使用聚焦的电子束来替代传统显微镜中使用的光束，从而能够观察到非常小尺寸的物体或细节。
SEM的构造和工作原理如下：构造：1.电子源：SEM使用热电子发射或场致发射的方式产生电子束。
常用的电子源是热丝电子枪，其中一个被称为热阴极的钨丝加热电子产生材料，产生电子束。
2. 电子透镜系统：SEM中有两个电子透镜，分别称为透镜1（即准直透镜）和透镜2（即聚经透镜）。
透镜1和透镜2的作用是使电子束呈现较小的束斑（electron beam spot），从而提高分辨率和放大率。
3. 检测系统：SEM的检测系统包括两个主要部分，即二次电子检测器（Secondary Electron Detector，SED）和回散射电子检测器（Backscattered Electron Detector，BED）。
SED主要用于表面形貌观察，它能够检测到由扫描电子激发的二次电子。
BED则用于分析样品的成分和区分不同物质的特性。
4.微控样品台：SEM中的样品台可以精确调整样品位置，使其与电子束的路径重合，并且可以在不同的方向上转动，以便于观察不同角度的样品。
5.显示和控制系统：SEM使用计算机控制系统来控制电子束的扫描和样品台的移动，并将观察结果显示在计算机屏幕上。
工作原理：1.电子束的生成：SEM中的电子源产生高能电子束。
电子源加热电子发射材料，如钨丝，产生高速电子束。
2.电子透镜系统的聚焦：电子束经过透镜1和透镜2的聚焦，使其呈现出较小的束斑。
3.样品的扫描：样品台上的样品被置于电子束的路径中，并通过微控样品台控制样品的位置和方向。
电子束扫描过样品表面，通过电磁透镜和扫描线圈控制电子束的位置。
4.二次电子和回散射电子的检测：电子束与样品相互作用时，会产生二次电子和回散射电子。
二次电子是由电子束激发样品表面产生的电子，可以用来观察样品的表面形貌。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜是一种高级显微镜，能够提供高分辨率的显微图象。
它的工作原理是利用电子束来扫描样品表面，通过采集反射、透射或者散射的电子信号来生成图象。
下面将详细介绍扫描电镜的工作原理。
一、电子源1.1 电子枪：扫描电镜中的电子源通常是由热阴极电子枪产生的。
电子枪通过加热阴极产生电子，然后通过加速电压加速电子束。
1.2 加速电压：加速电压决定了电子束的能量。
加速电压越高，电子束的穿透能力越强，分辨率也会提高。
1.3 调焦系统：扫描电镜中的调焦系统用于调整电子束的聚焦，以保证在样品表面形成清晰的图象。
二、样品准备2.1 导电涂层：为了避免电荷积累和减少散射，样品通常需要涂上导电涂层，如金属薄膜。
2.2 样品固定：样品需要被固定在样品台上，以保证在扫描过程中不会挪移。
2.3 样品表面处理：为了获得清晰的图象，样品表面需要进行适当的处理，如抛光或者蒸镀。
三、扫描系统3.1 扫描线圈：扫描电镜中的扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描范围，从而形成图象。
3.2 探测器：扫描电镜中的探测器用于接收反射、透射或者散射的电子信号，并将其转换成图象。
3.3 扫描速度：扫描速度决定了图象的分辨率，较高的扫描速度可以获得更高分辨率的图象。
四、信号处理4.1 图象重建：通过采集反射、透射或者散射的电子信号，扫描电镜可以重建样品表面的图象。
4.2 对照度调整：信号处理中可以对图象的对照度进行调整，以提高图象的清晰度。
4.3 图象分析：扫描电镜可以通过信号处理进行图象分析，如测量样品表面的形貌或者化学成份。
五、应用领域5.1 材料科学：扫描电镜在材料科学领域被广泛应用，可以观察材料的微观结构和表面形貌。
5.2 生物学：扫描电镜在生物学领域可以用于观察细胞结构和微生物形态。
5.3 纳米技术：扫描电镜在纳米技术领域可以用于观察纳米材料的结构和性质。
总结：扫描电镜通过利用电子束扫描样品表面，采集电子信号生成图象，具有高分辨率和广泛的应用领域。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它利用电子束代替光束进行成像，可以观察到物质的表面形貌和微观结构。
下面将详细介绍扫描电镜的工作原理。
一、电子源扫描电镜的电子源通常采用热阴极电子枪，利用热电子发射原理产生高能电子束。
热阴极电子枪由电子发射体、聚焦极和加速极组成。
当电子发射体受到加热后，产生的热电子经过聚焦极的聚焦作用，形成一个细束电子束。
二、电子束的聚焦和加速经过电子源产生的电子束，会经过一系列的透镜系统进行聚焦和加速。
透镜系统由一组磁透镜和电透镜组成，它们分别通过调节磁场和电场来控制电子束的聚焦和加速。
通过透镜系统的调节，可以使电子束变得更加细致和聚焦，从而提高成像的分辨率。
三、样品的准备和固定在进行扫描电镜观察之前，需要对样品进行准备和固定。
通常情况下，样品需要经过化学固定、脱水、金属浸渍等处理步骤，以保持样品的形态结构和细节，并提高电子束的透射性。
四、样品的扫描和成像在样品固定后，将样品放置在扫描电镜的样品台上。
电子束从电子源发射出来后，经过透镜系统的聚焦和加速后，进入扫描线圈系统。
扫描线圈系统通过控制电子束的扫描范围和速度，使电子束在样品表面进行扫描。
扫描过程中，电子束与样品表面相互作用，产生多种信号。
五、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、背散射电子、X射线等。
这些信号被检测器接收到后，会转换成电信号，并经过放大和处理。
最终，通过将信号转换为图象，可以观察到样品表面的形貌和微观结构。
六、图象的显示和分析通过信号的检测和处理后，得到的图象可以通过显示器进行观察。
扫描电镜图象通常呈现出高对照度和高分辨率的特点，可以清晰地显示样品表面的细节和结构。
同时，还可以利用图象处理软件对图象进行后期处理和分析，如测量样品表面的尺寸、形状等。
总结：扫描电镜通过利用电子束代替光束进行成像，能够观察到物质的表面形貌和微观结构。
扫描电子显微镜原理
扫描电子显微镜原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）是一种利用电子束照射样本表面，通过采集样本散射的次级电子、反射电子、透射电子等生成显微图像的设备。
其原理与传统光学显微镜不同，利用电子束的波粒二象性和电子与物质相互作用的性质来获得高分辨率的图像。
扫描电子显微镜由电子光源、电子光学系统、样本台以及信号检测和图像处理系统等组成。
首先，电子显微镜的电子光源发射出高能电子束，通常通过热丝发射电子的方式。
这些电子束会经过准直和聚焦装置，使其成为一束细且聚焦的电子束。
接下来，样本被放置在扫描电子显微镜的样本台上。
样本表面会与入射电子束相互作用，产生不同的信号。
其中，主要信号包括次级电子（Secondary Electron, SE）、反射电子（Backscattered Electron, BE）以及透射电子（Transmitted Electron, TE）。
次级电子主要由入射电子与样本表面原子的相互作用而产生，其被采集并转化为图像。
反射电子主要是在样本内部物质的相互作用下被散射回来的电子，同样被采集和转化为图像。
透射电子则是透过样本的电子，其传感元件可将其图像化。
这些信号被接收后，经过放大和转换为电子图像信号。
电子图像信号可以通过荧光屏或者光电二极管进行观测和记录。
最后，通过图像处理系统将电子信号转化为高分辨率的图像，该图像具有较高的对比度和分辨率，可以用来观察样本的细微特征。
扫描电子显微镜以其高分辨率和强大的观察能力被广泛应用于材料科学、生命科学、纳米技术以及表面科学等领域。
电子显微镜的原理
电子显微镜的原理
电子显微镜是一种利用电子束来成像的高分辨率显微镜，其原理是利用电子的波粒二象性和电子与物质相互作用的特性来观察微观结构。
相比光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率，可以观察到更小尺度的物体结构。
首先，电子显微镜的原理基于电子的波动性。
根据德布罗意波长公式，电子的波长与其动量呈反比关系，因此具有较高速度的电子具有较短的波长。
相比之下，可见光的波长在几百纳米数量级，而电子的波长可以达到亚埃数量级，因此可以观察到更小尺度的物体结构。
其次，电子显微镜的原理还涉及电子与物质的相互作用。
当高速电子束射向样品时，电子与样品中的原子发生相互作用，产生散射、透射、吸收等现象。
这些相互作用导致电子束的能量发生变化，通过检测这些能量变化，可以获取样品的结构信息。
另外，电子显微镜还利用电磁透镜来聚焦电子束。
电子束通过电磁透镜后，会发生折射和聚焦，从而形成清晰的样品影像。
电子显微镜通常包括物镜、中间透镜和目镜，通过这些透镜的组合，可以实现对样品的高分辨率成像。
此外，电子显微镜的原理还涉及样品的制备和处理。
由于电子束对样品的要求较高，通常需要对样品进行薄片处理，以减小散射和吸收效应，从而获得清晰的影像。
同时，样品的导电性也是电子显微镜观察的重要考量因素，通常需要对非导电性样品进行金属涂层处理。
综上所述，电子显微镜的原理基于电子的波动性、电子与物质的相互作用、电磁透镜的聚焦以及样品的制备处理。
通过这些原理的综合作用，电子显微镜能够实现对微观结构的高分辨率成像，为科学研究和工程技术提供了重要的观察手段。
扫描电子显微镜特殊故障的维修
扫描电子显微镜特殊故障的维修摘要：本文通过对扫描电镜一特殊故障的处理，深入细致地介绍了故障现象分析、判断及修复的过程。
关键词：扫描电镜紊乱 ANALOG 电路板检测点Abstract: Based on a special fault handling of scanning electron microscopy, the procedure of fault phenomena analysis, diagnosis and repair is introduced deeply andin detail in this paper.前言扫描电镜(SEM)是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器。
广泛地应用于金属材料和非金属材料等检验和研究。
在工业企业中，主要用于生产中的产品质量鉴定及生产工艺控制和新产品的研发等。
日立公司生产的S-3000N扫描电子显微镜，属于大型精密仪器，集电子、计算机、光学、机械、真空等技术为一体，出现故障在所难免，但出现图像放大倍数紊乱，使得样品的扫描图像与其所标明的实际尺寸不符。
即在进行放大倍数调整时，实际图像的尺寸与其不同步，出现不规则的变化，实属罕见。
一、扫描电镜的故障现象扫描电镜成像后，虽然图像清晰,但是，调整放大倍数时，图像中影像的变化，却十分紊乱，如下图1：二、工作原理如图2，扫描电镜电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。
在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。
由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息，背SE探头获取并后期处理。
扫描电镜的放大缩小功能是通过控制扫描线圈上工作电流大小决定的。
所以此次故障分析重点集中在对电镜缩放起到直接作用的扫描电路展开。
三、维修过程首先我们通过各种渠道获得、收集扫描电镜的相关资料。
扫描电子显微镜的工作原理
扫描电子显微镜的工作原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用聚焦的电子束来观察和分析样品表面的工具。
其工作原理包括以下几个步骤：1. 电子源：SEM中使用的电子源通常是热阴极，通过加热产生的热电子会形成电子云。
2. 加速电压：电子源后面通常会设置一个加速电压系统，该系统将电子云加速至非常高的能量（通常在数千至数十万电子伏特之间）。
3. 准直和聚焦：加速后的电子束会通过一系列的电磁透镜（准直透镜和聚焦透镜），使电子束尽可能地准直和聚焦到一个非常小的焦斑上。
4. 扫描线圈：扫描线圈被用来扫描电子束在样品表面上画出一个二维的图像。
这个图像的每个点（像素）都对应着样品表面上的一个小区域。
5. 样品交互：扫描电子束与样品表面中的原子和分子相互作用，其中包括以下几种主要交互方式：- 静电吸引：电子束在样品表面被静电力吸引，使得电子被样品表面吸附，并且在扫描过程中产生二次电子（Secondary Electrons，SE）。
- 弹性散射：电子与样品表面原子核或电子之间发生碰撞，使得电子改变方向，称为弹性散射。
- 非弹性散射：电子与样品表面原子或分子碰撞时，部分能量被转移到样品中，使得样品原子处于激发或离子化状态。
6. 探测信号：SEM中通过多种探测器来记录和检测与样品交互的不同类型信号，包括二次电子、散射电子、放射性同位素、X射线等信号。
这些信号能够提供关于样品表面形貌、化学成分和晶体结构等信息。
7. 图像处理和显示：最后，SEM将接收到的探测信号转化为电信号，并进行信号放大、数字化处理和图像显示，使得用户能够观察和分析样品表面的细微结构。
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3通信作者:姚 ,天津大学分析中心,天津市南开区卫津路92号,300072;Email :pyao @
模拟电子显微镜扫描系统的电路原理及维修
姚 3 薛 涛 张长亮 黄彦维 李春艳 董向红
(天津大学分析测试中心 天津 300072)
摘 要 本文介绍模拟式电子显微镜扫描系统的基本组成,对系统整体和各单元电路的工作原理进行了分析。
依据对各种电镜的扫描及相关系统的维修经验,对模拟式电镜扫描电路系统的维修进行了概括。
关键词 模拟式电子显微镜 扫描发生器 扫描控制系统
前言
20世纪80年代中期,在数字化电子显微镜商品化
之前,模拟式电镜发展到了相当高的水平,很多操作被先转换成指令,通过接口电路与单板机的识别处理后,发出控制指令,
由各种功能电路来实现具体的操作。
图1 模拟式电子显微镜扫描系统的电路构成
模拟式扫描电镜(或透射电镜的STE M 附件)的主要指标,如分辨率、稳定度都不亚于数字式电镜,其最主要的优势是便于维修,如能有效地发挥这一优势,再配合模拟视频信号的数字化采集及图像数字处理技术,模拟式电镜必然能继续发挥重要的作用。
图1是模拟式电子显微镜扫描系统的电路方框图。
图1中扫描发生器具有独立的数字总线接口和模拟输出接口。
扫描信号发生器用于产生X 、Y 扫描,X 、Y 消隐等信号。
数字总线接口用于接收来自数字总线的控制指令,改变扫描频率、幅度、模式等。
模拟接口向模拟总线输出X 、Y 扫描,X 、Y 消隐等信号。
驱动电路对扫描信号进行功率放大,驱动电子光学系统的X 、Y 扫描与观察、照相阴极摄像管的X 、Y 扫描。
操作面板与其接口电路将各种操作转换成数字
指示,送往数字总线,CPU 按照一定的时序对各种指
令进行采集、识别、处理,并向将数字总线输出相应的控制指令。
这些控制指令被扫描发生器接受产生特定的扫描信号,被控制面板接收后,给出各种声、光响应信息。
2 故障分类与举例
211 电源故障
由于电源大多是通过数字和模拟总线给各个单元电路供电,所以电源引发的故障现象是“分散”的,如除扫描控制,其他的控制功能也同时出现异常,观察和照相荧光屏的扫描光栅同时畸变或消失,图像失真,此时可检查分别给扫描发生器和扫描驱动供电的电源。
212 扫描发生器
X 扫描发生器主要由积分器,电压比较器,扫描频率调节器和输出级构成(见图2)。
图2 X 扫描发生器电路原理图
2
5现代仪器
二○○四年・第六期
The circuit principle and repairing of the sw eep system
in analogue electron microscopes
Y ao Pei Xue T ao Zhang Changliang Huang Y anwei Li Chunyan Dong X ianghong
(Analysis Center of T ianjin University ,T ianjin 300072,China )
Abstract The general com position of the sweep systems in analogue electron microscopes was introduced ,then the oper 2ation principle for the whole system and all the related circuits was discussed.According to the experience for fixing the sweep circuits and their control systems in s ome analogue electron microscopes ,the repairing skills are summarized K ey w ords Analogue scanning microscope S weep generator S weep C ontrol
IC1与C 构成积分器,在积分正程,放电开关处于关闭状态,当IC1输出的积分电压线性上升至V +时,比较器IC2产生负的跳变,回扫控制触发器置“1”。
倒向器输出低电平,放电开关被打开,积分电容放电,IC1输出扫描逆程电压。
电容C 的电荷放净后,扫描启动信号将触发器置“0”。
开关K 关闭,开始第二个周期的扫描正程(见图3)。
图3 X 扫描发生器各测试点波形
TP1为扫描信号波形,TP2为模拟开头控制信号,
TP3为正程扫启动脉冲
当没有扫描光栅只有水平扫描线或只有垂直扫
描线而电源和视频系统均正常时,故障多出自扫描信号发生器。
积分器多采用绝缘栅型场效应管集成运算放大器,输入阻抗较高,很容易在输入端感生高电压,使电路击穿。
检修时切忌带电插拔电路板,更换芯片。
焊接运算放大器时应拔下烙铁的电源插头,利用烙铁的余热焊接。
由于Y 扫描发生器的扫描周期较长,扫描频率的精度和线性度要求较高,故电路较为复杂,主要由时钟电路,分频器,积分器等组成。
积分器与X 扫描信号发生器相类似。
213 扫描驱动电路故障
观察、照相荧光屏,电子光学系统的X 、Y 扫描驱动电路都是分设的(见图4)。
仔细观察、对比分析后,比较容易确定故障的部位,如观察荧光屏的扫描光栅只有左侧一半,照相荧光屏的光栅和图像均正常,则考虑荧光屏X 扫描驱动的N 型沟道场效应大功率管损坏或接触不良。
如扫描光栅正常,而图像的下半部分为竖线,图像的上半部分正常,则说明电子光学系统Y 扫描驱动电路的P 型沟道场效应大功率管损坏或接触不良。
图4 扫描驱动电路
J 1,P 型沟道场效应管;J 2,N 型场效应管
214 控制故障
当扫描频率,模式不可控或不正常时,要首先排除面板接口电路的问题,即观察其他控制功能,如自
动亮度、对比度、放大倍数、点线面模式的切换等。
如问题普遍存在,则是接口电路的问题。
如问题集中在扫描控制部分,还需区别面板控制指令转换电路和扫描发生器数字接口电路的问题,可以借助操作按键指示灯的响应情况来判断。
3 总结
本文通过对多种模拟式电镜扫描电路及其控制电路的分析,依据对各种电镜的扫描及相关系统的维修经验,对模拟式电镜扫描电路原理与维修进行了概括,望给予读者有一些启发与借鉴。
3
5二○○四年・第六期
使用与维修。