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（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。
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并通过感应信号形成显像的仪器。
其工作原理如下：
1. 电子源发射电子束：SEM中有一个电子枪，用于产生高能电子。
电子枪中通常会使用热阴极，通过加热或电子轰击方式将电子从阴极中释放出来。
2. 高能电子束聚焦：释放出来的电子会受到聚焦系统的控制，将电子束聚焦成一个非常细小的束斑。
聚焦系统通常包括透镜或电磁镜等。
3. 电子束扫描：经过聚焦的电子束被定向扫描到样品表面。
样品通常需要先制备成非导电表面或镀上导电层，以便电子束能够顺利地与样品相互作用。
4. 电子-样品相互作用：电子束与样品表面相互作用会产生多种效应，如散射、反射、透射等。
其中最常用的效应是二次电子发射（secondary electron emission）和后向散射电子（backscattered electron）的产生。
5. 信号收集：通过安装在SEM中的多种探测器，可以收集和测量与电子-样品相互作用相关的信号。
常用的探测器包括：二次电子探测器、后向散射电子探测器、X射线能谱仪等。
6. 信号转换和处理：收集到的信号会经过放大、滤波、数字化
等处理，并转化成图像或谱图。
7. 图像显示：最后，处理好的信号通过计算机和显示器进行图像重建和显示，使得研究人员可以观察到样品表面的微观结构和形貌。
扫描电子显微镜通过以上步骤实现样品表面的高分辨率成像，并能提供有关样品表面化学元素的分布信息。
它在材料科学、生物学、纳米学等领域发挥着重要作用。
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讲解扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，用于观察和研究微观世界中的样品。
它通过利用电子束与样品的相互作用，获取样品表面的形貌和成分信息。
本文将详细介绍扫描电镜的基本结构和工作原理。
一、基本结构扫描电镜主要由以下几个部分组成：1. 电子枪（Electron Gun）：电子枪是扫描电镜的核心部件之一，它产生高能电子束。
电子束的形成是通过热发射或场发射的方式，通过加热或加电场使金属阴极发射电子。
2. 准直系统（Condenser System）：准直系统用于聚焦和准直电子束。
它由准直透镜和聚焦透镜组成，能够将电子束聚焦成细小的束斑并准直。
3. 样品台（Sample Stage）：样品台是放置待观察样品的平台。
它通常具有微动装置，可以在水平和垂直方向上移动样品，以便于观察不同区域。
4. 扫描线圈（Scan Coils）：扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描。
通过调节扫描线圈的电流，可以控制电子束的位置和扫描速度。
5. 检测器（Detector）：检测器用于接收样品表面反射、散射或发射的信号。
常用的检测器包括二次电子检测器和反射电子检测器。
6. 显示器和计算机系统：显示器用于显示扫描电镜获取的图像，计算机系统用于图像的处理和分析。
二、工作原理扫描电镜的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 电子束的产生：电子束由电子枪产生，通过加热或加电场的方式使金属阴极发射电子。
电子枪通常采用热阴极或场发射阴极。
2. 电子束的准直和聚焦：电子束经过准直系统的聚焦透镜和准直透镜，被聚焦成细小的束斑并准直。
3. 电子束与样品的相互作用：准直后的电子束通过扫描线圈控制在样品表面的扫描。
当电子束与样品相互作用时，会发生多种相互作用，包括二次电子发射、反射电子、散射电子等。
4. 信号的检测：样品表面反射、散射或发射的信号被检测器接收。
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一
种利用电子束与样品相互作用，通过控制电子束扫描样品来获得高分辨率图像的仪器。
其工作原理可以概括如下：
1. 电子枪和聚焦系统：SEM中的电子枪产生高能量的电子束，通常使用热阴极或冷阴极发射电子。
聚焦系统根据需要将电子束聚焦成细束。
2. 射线系统：聚焦后的电子束进入射线系统，经过一系列的电磁透镜和偏转磁铁来控制和定位电子束的位置。
3. 样品台和扫描系统：待观察的样品放置于样品台上，样品台可以进行高精度的位置调整。
电子束从顶部进入，并通过电磁透镜附近的扫描线圈来控制水平和垂直方向的束斑位置，从而实现对样品表面的扫描。
4. 信号检测和图像重建：当电子束与样品相互作用时，会产生多种不同的信号。
最常用的信号有二次电子（SE）和背散射
电子（BSE）。
二次电子是由被电子束激发的表面原子或分子
所发射的电子。
背散射电子是由高能电子与样品原子核的相互作用而散射产生的电子。
这些信号被探测器捕捉，并转换为电信号传输到图像处理系统。
通过组合并处理这些信号，最终形成高分辨率的样品图像。
5. 系统控制和图像显示：扫描电子显微镜通常配备有相应的系统控制软件，可以实时调整电子束的参数、样品扫描范围和扫
描速度等。
图像可以通过电子束的扫描和控制以及信号检测系统的输出，转化为显示在显示器上的图像。
总结起来，扫描电子显微镜通过利用电子束与样品相互作用并检测所产生的信号，通过电子束的扫描和控制，最终生成高分辨率的样品图像。
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。
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）是一种利用电子束来观察样品表面微观形貌和成分的高分辨率显微镜。
与光学显微镜相比，扫描电子显微镜具有更高的放大倍数和更高的分辨率，可以观察到更小尺度的细微结构。
其原理主要包括电子源、电子透镜系统、样品台、探针和检测器等几个部分。
首先，电子源产生的电子束是扫描电子显微镜的核心。
电子源通常采用热阴极或冷阴极发射电子，产生的电子束经过加速器加速后，形成高速、高能的电子束。
这些电子束的能量通常在几千至几十万电子伏特之间，高能的电子束可以穿透样品表面，形成高分辨率的显微图像。
其次，电子透镜系统是控制和聚焦电子束的关键部分。
电子束经过电子透镜系统的聚焦和控制后，可以形成非常细小的探针，可以在样品表面进行扫描。
电子透镜系统通常包括几个磁场和电场透镜，通过调节透镜的参数可以实现对电子束的聚焦和控制，从而获得高分辨率的显微图像。
样品台是扫描电子显微镜中支撑样品的部分，样品通常需要制备成非常薄的样品片或者表面导电涂层，以便电子束可以穿透或者散射到样品表面。
样品台通常可以实现样品的旋转、倾斜和移动，以便观察样品的不同部位和角度。
探针是电子束在样品表面扫描时的实际作用部分，电子束在样品表面扫描时，会与样品表面发生相互作用，产生不同的信号。
这些信号包括二次电子、反射电子、X射线等，通过探针和样品表面的相互作用，可以获取样品表面的形貌和成分信息。
最后，检测器是扫描电子显微镜中用于接收和检测样品表面信号的部分，不同的检测器可以接收和检测不同类型的信号。
常见的检测器包括二次电子检测器、反射电子检测器和X射线能谱仪等，通过这些检测器可以获取样品表面的形貌和成分信息。
综上所述，扫描电子显微镜的原理主要包括电子源、电子透镜系统、样品台、探针和检测器等几个部分。
通过这些部分的协同作用，可以实现对样品表面微观形貌和成分的高分辨率观察和分析，为材料科学、生物科学和纳米科学等领域的研究提供了重要的工具和手段。
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分辨率的测定
• 扫描电子显微镜的分辨率是通过测定图像中两 个颗粒（或区域）间的最小距离来确定的。 • 测定的方法是在已知放大倍数（一般在10万倍） 的条件下，把在图像上测到的最小间距除以放 大倍数就是分辨率。 • 图为真空蒸镀金膜样品测定分辨率的照片。
• 扫描电子显微镜二次电子像的分辨率已优于 5nm。
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点分辨率测定照片
真空蒸镀金膜表面金颗粒分布形态
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放大倍数
• 当入射电子束作光栅扫描时，若电子束在样品表面 扫描的幅度为AS，相应地在荧光屏上阴极射线同步 扫描的幅度是Ac， Ac和AS的比值就是扫描电子显微镜 的放大倍数，即 M=Ac/AS。
7
Hale Waihona Puke 真空系统• 为保证扫描电子显微镜电子光学系统的正常 工作，对镜筒内的真空度有一定的要求。一 般为10-4-10-5mmHg。
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扫描电子显微镜的主要性能
• 分辨率 • 放大倍数
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分辨率
• 扫描电子显微镜分辨率的高 低和检测信号的种类有关。 下面列出了扫描电子显微镜 主要信号的成像分辨率。
各种信号的成像分辨率 （nm)
扫描电子显微镜的构造和工作原理
• 电子光学系统 • 信号的收集和 图像显示系统 • 真空系统
扫描电镜结构原理示意图
1
电子光学系统
电子光学系统包括： • 电子枪 • 电磁透镜 • 扫描线圈 • 样品室
2
电子枪
• 扫描电子显微镜中的电子枪与透射电子显微 镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电子 显微镜低。
• 由于扫描电子显微镜的荧光屏尺寸是固定不变的， 电子束在样品上扫描一个任意面积的矩形时，我们 看到的扫描图像都和荧光屏尺寸相同。因此只要减 小电子束的扫描幅度就可以得到高的放大倍数 。 • 扫描电子显微镜的放大倍数可从数倍到80万倍左右。
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3
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，而是作聚 光镜用。它们的功能是把电子枪的束斑（虚光源）逐级聚焦 缩小，使原来直径约为50μm的束斑缩小成一个只有数纳米的 细小斑点。 • 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，用于缩小电子束光斑；第三个聚光镜是弱磁透镜（称 为物镜），具有较长的焦距。目的是使样品室和透镜之间留 有一定的空间，以便装入各种探测器。 • 扫描电子显微镜照射到样品上的电子束直径越小，相当于成 像单元的尺寸越小，相应的分辨率就越高。 • 普通热阴极电子枪的束径可达到6nm左右。
4
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。图示为电子束在样品表 面进行扫描的两种方式。 • 进行形貌分析时采用光栅扫描方式（a），当电子束 进入上偏转线圈时，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，发生二次偏转的电 子束通过物镜照射到样品表面。 • 如果电子束方向经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈 改变方向，而直接由物镜折射到入射点位置，称为角 光栅扫描（b）,在进行电子通道花样分析时采用这种 操作方式。
5
样品室
• 样品室内除放置样品外，还安置信号探测 器。
• 样品台能使样品作平移、倾斜和转动等运 动。 • 样品室可带有多种附件，如加热、冷却、 拉伸等。
6
信号的收集和图像显示系统
• 二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用 闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即 引起电离，当离子和自由电子复合后产生可见光。 可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放 大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放 大器放大后就成为调制信号。 • 由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫 描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上被激 发出来的信号强度来调制的，因样品上各点的状态 各不相同，所以接收到的信号也不相同，于是就可 以在显像管上看到一幅反映试样各点状态的扫描电 子显微图像。