扫描电镜的结构原理及其操作使用共34页
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像，可以观察到样品表面的形貌和微观结构。
六、图像的显示和分析通过信号的检测和处理后，得到的图像可以通过显示器进行观察。
扫描电镜图像通常呈现出高对比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，还可以利用图像处理软件对图像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。
扫描电镜原理及操作
偏转线圈；其中偏转线圈通以锯齿波的电流，产生的磁场 作用于电子束使它在样品上扫描。扫描的区域、扫描比率
磁透镜一般有三个：第一、二聚光镜和物镜，
作用与透射电镜的聚光镜相同:缩小电子束的直径，把来 自电子枪的约30微米大小的电子束经过第一、二聚光镜和 物镜的作用，缩小成直径约为几十埃的狭窄电子束。
像的大小 扫描区域的大小
2、电子枪亮度，样品的性质，相互作用的方式以及扫描 速度和像的线数。 目前商品扫描电镜分辨率一般达到50-60埃，使用场发 射电子枪可达约10埃。
显微镜成像原理
2、扫描电镜的结构
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2、扫描电镜的结构
扫描电镜的主要由三大部分组成： 1、电子光学系统 2、成像系统 一种具有特征能量值的电子，这种电子
3、电子与样品的相互作用
（二）射线 1、X射线：
又称伦琴射线；波长约0.001-10nm。电子探针轰击
1925年发现，用它可以进行样品轻元素的分析，
样品时，可产生特征X射线和连续X射线。其中特征X射线 的波长和能量随样品中各种元素的不同而各异，根据这 一性质可以对样品中的某些元素进行定性和定量分析。 X射线主要反映样品深层（约50—500nm）的某些信 息。X射线适合于重元素的成分分析。
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有强烈的立体视觉:
大鳞副泥鳅的受精过程
3、扫描电子显微镜的特点
示受精孔
精孔区
有强烈的立体视觉
卵膜孔
受精后5秒
有强烈的立体视觉:
大鳞副泥鳅的受精过程
3、扫描电子显微镜的特点
(4)样品制备较简单—— 甚至可以不作任何处理。并且样品可以很大，如直
简述扫描电镜的构造及成像原理资料讲解
简述扫描电镜的构造及成像原理资料讲解简述扫描电镜的构造及成像原理，试分析其与透射电镜在样品表征方面的异同1、扫描电镜的构造扫描电镜由电子光学系统、信号收集和图像显示系统、和真空系统三部分组成。
1.1 电子光学系统（镜筒）电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。
1.1.1 电子枪扫描电子显微镜中的电子枪与透射电镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电镜低。
1.1.2 电磁透镜扫描电子显微镜中各电磁透镜都不作成像透镜用，而是做聚光镜用，它们的功能只是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径约为50um的束斑缩小成一个只有数个纳米的细小斑点，要达到这样的缩小倍数，必须用几个透镜来完成。
扫描电子显微镜一般都有三个聚光镜，前两个聚光镜是强磁透镜，可把电子束光斑缩小，第三个聚光镜是弱磁透镜，具有较长的焦距。
布置这个末级透镜（习惯上称之物镜）的目的在于使样品室和透镜之间留有一定空间，以便装入各种信号探测器。
扫描电子显微镜中照射到样品上的电子束直径越小，就相当于成像单元的尺寸越小，相应的分辨率就越高。
采用普通热阴极电子枪时，扫描电子束的束径可达到6nm左右。
若采用六硼化镧阴极和场发射电子枪，电子束束径还可进一步缩小。
1.1.3 扫描线圈扫描线圈的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显像管上的扫描动作保持严格同步，因为它们是由同一扫描发生器控制的。
1.1.4 样品室样品室内除放置样品外，还安置信号探测器。
各种不同信号的收集和相应检测器的安放位置有很大关系，如果安置不当，则有可能收不到信号或收到的信号很弱，从而影响分析精度。
样品台本身是一个复杂而精密的组件，它应能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移、倾斜和转动等运动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。
新式扫描电子显微镜的样品室实际上是一个微型试验室，它带有许多附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验（如拉伸和疲劳）。
扫描电镜的结构原理及其操作使用课件
THANKS
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材料内部结构分析
通过扫描电镜观察材料内部不同层次的结构，可以研究材 料的晶体结构、相组成、微织构等，对于材料的性能研究 和优化具有重要意义。
材料元素分布分析
扫描电镜配备的能谱分析仪可以测定材料中元素的种类和 分布情况，对于研究材料的化学成分和元素迁移行为具有 重要作用。
生物医学研究应用案例
01
细胞结构与功能研究
半导体器件结构与性能分 析
扫描电镜可以观察半导体器件的结构和性能 ，如芯片的微观电路结构、缺陷分析等，对 于半导体行业的产品研发和质量监控具有重 要意义。
半导体材料表面形貌与成 分分析
扫描电镜可以观察半导体材料表面的微观形 貌和成分，如硅片、锗片的表面粗糙度和化 学组成，对于半导体材料的研究和质量控制
特点
高分辨率、高景深、高灵敏度、多功能性等。
历史与发展
历史
SEM最早出现于1940年代，但真 正的发展和应用是在1950年代以 后。
发展
经历了多个阶段，从最初的简单 扫描电镜，到现在的场发射扫描 电镜、能量色散X射线谱仪等高级 配置。
应用领域
01
02
03
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材料科学
用于研究材料的微观结构和性 能，如金属、陶瓷、高分子等
图像扭曲
可能是由于扫描电镜的电子束不稳定或样品表面不平整所 致。解决办法是调整扫描电镜的电子束稳定性或对样品表 面进行预处理。
样品烧蚀
可能是由于样品表面有金属杂质或样品放置不当所致。解 决办法是更换样品或调整扫描电镜的加速电压和电流。
05
扫描电镜应用案例展示
材料科学研究应用案例
材料表面形貌分析
扫描电镜可以用于研究材料表面的微观形貌，如表面粗糙 度、颗粒大小等，对于材料科学的基础研究和应用研究有 重要作用。
扫描电镜的工作原理和应用
扫描电镜的工作原理和应用1. 扫描电镜的工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束与样品相互作用来获取图像的仪器。
相比传统的光学显微镜，扫描电镜具有更高的分辨率和更大的深度感，可以观察到更细微的细节。
扫描电镜的工作原理如下：1.电子发射: 扫描电镜通过热发射或场发射的方式产生高能电子束。
这个电子束经过加速电压，使电子获得足够大的能量。
2.聚焦: 电子束经过一系列的聚焦透镜，使其在样品表面形成一个非常小的聚焦点，以提高分辨率。
3.扫描: 电子束通过控制扫描线圈的方式，沿着样品表面进行扫描。
在每一个扫描点，样品上的电子与电子束发生相互作用。
4.信号检测: 所有与电子束相互作用的信号都被收集和检测，包括次级电子、反射电子、散射电子等。
5.图像生成: 通过扫描电镜的控制系统将所有收集到的信号转换为图像。
这些图像可以显示出样品表面的形貌、结构和组成。
2. 扫描电镜的应用扫描电镜广泛应用于各个领域，包括材料科学、生物学、医学等。
下面列举一些常见的应用：1.纳米材料研究: 扫描电镜可以观察到纳米级别的材料结构和形貌，对于纳米材料的制备和性质研究非常重要。
2.生物学研究: 扫描电镜可以观察生物样品的微观结构，如细胞、细胞器和微生物等。
它可以帮助研究者了解生物体的形态、组织和功能。
3.医学检测: 扫描电镜可以用于医学领域中的病理学研究和临床诊断。
例如，可以观察病毒、细菌、组织断面等微小结构，帮助医生进行疾病诊断和治疗。
4.材料表征: 扫描电镜能够观察材料的粗糙度、晶体结构、颗粒分布等参数，对于材料研究和工程应用具有重要意义。
5.环境科学研究: 扫描电镜可以用于观察和分析大气颗粒物、水中微生物和污染物等的形貌和组成，有助于环境污染的起因和后果研究。
6.艺术文物保护: 扫描电镜可以帮助对文物进行分析，如绘画的颜料、雕塑的材料等。
这对于文物的保护和修复具有重要价值。
扫描电子显微镜(SEM)-介绍-原理-结构-应用
探头
扫描发生器 显像管
视频放大器
光电倍增管
试样
光导管
试样台
扫描电子显微镜主要由以下四个部分组成： 1. 电子光学系统：作用是获得扫描电子束，
作为信号的激发源。 2. 信号收集及显示系统：作用是检测样品在
入射电子作用下产生的物理信号 3. 真空系统：用来在真空柱内产生真空 4. 电源系统：作用是提供扫描电镜各部分所
3.3 背散射电子
背散射（backscattered）电子是指入射电子在样 品中受到原子核的卢瑟福散射后被大角度反射，再 从样品上表面射出来的电子，这部分电子用于成像 就叫背散射成像。 背散射分为两大类：弹性背散射和非弹性背散射。 弹性散射不损失能量，只改变方向。非弹性散射不 仅改变方向，还损失能量。从数量上看，弹性背反 射电子远比非弹性背反射电子所占的份额多。背反 射电子的产生范围在100nm-1mm深度。
d4
光电倍增管
d3:扫描系统ຫໍສະໝຸດ 试样光导管d4:试样室
试样台
2.1.1 电子枪
电子枪：钨丝成V形，灯丝中通以加热电流， 当达到足够温度时(一般操作温度为 2700K),发射电子束。在10-6Torr的真空 下，其寿命平均约40—80小时。
电子束 光阑孔
2.1.2 电磁透镜
电磁透镜：透镜系统中所用的透镜都是缩 小透镜，起缩小光斑的作用。缩小透镜 将电子枪发射的直径为30μm左右的电 子束缩小成几十埃，由两个聚光镜和一 个末透镜完成，三个透镜的总缩小率约 为2000~3000倍
03
SEM工作原理
3 扫描电镜成像的物理信号
入射电子轰击样品产生的物理信号
电子束与样品原子间的相互作用是表 现样品形貌和内部结构信息的唯一途 径。入射电子与样品原子中的电子和 原子核会发生弹性碰撞和非弹性碰撞， 所产生各种电子信号和电磁辐射信号 都带有样品原子的信息，从不同角度 反映出了样品的表面形貌、内部结构、 所含元素成分、化学状态等。
扫描电镜的基本结构和工作原理讲解
扫描电镜的基本结构和工作原理扫描电子显微镜利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。
扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。
扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1～30kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。
扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内(几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。
扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。
扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。
扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统六大部分。
这一部分的实验内容可参照教材第十二章，并结合实验室现有的扫描电镜进行，在此不作详细介绍。
三、扫描电镜图像衬度观察1．样品制备扫描电镜的优点之一是样品制备简单，对于新鲜的金属断口样品不需要做任何处理，可以直接进行观察。
但在有些情况下需对样品进行必要的处理。
1) 样品表面附着有灰尘和油污，可用有机溶剂(乙醇或丙酮)在超声波清洗器中清洗。
2) 样品表面锈蚀或严重氧化，采用化学清洗或电解的方法处理。
清洗时可能会失去一些表面形貌特征的细节，操作过程中应该注意。
3) 对于不导电的样品，观察前需在表面喷镀一层导电金属或碳，镀膜厚度控制在5-10nm 为宜。
2．表面形貌衬度观察二次电子信号来自于样品表面层5～l0nm，信号的强度对样品微区表面相对于入射束的取向非常敏感，随着样品表面相对于入射束的倾角增大，二次电子的产额增多。