扫描电镜原理及提高图像质量的方法.
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种重要的高分辨率显微镜，广泛应用于材料科学、生物科学、纳米技术等领域。
它通过利用电子束与样品相互作用产生的信号来获取样品的表面形貌和成份信息。
本文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。
在电子枪中，热阴极加热产生高能电子，经过聚焦系统聚焦成一束电子束。
二、电子束的聚焦电子束经过聚焦系统，通过磁场或者电场的作用，使电子束聚焦成一束细小的电子束。
这样可以提高电子束的空间分辨率。
三、样品准备在进行扫描电镜观察之前，需要对样品进行准备。
常见的样品准备方法包括金属涂覆、冷冻切片、化学固定等。
样品的准备对于获得高质量的图象至关重要。
四、电子束与样品的相互作用电子束照射到样品表面后，与样品原子发生相互作用。
主要的相互作用方式包括电子与原子的散射、透射、吸收等。
这些相互作用会产生一系列的信号。
五、信号的检测与放大扫描电镜通过检测和放大样品表面反射、散射、透射的信号来获取样品的信息。
常用的信号检测器包括二次电子检测器（SE）和反射电子检测器（BSE）等。
这些信号经过放大器放大后，转化为电信号。
六、图象的生成电信号经过放大后，通过扫描线圈控制电子束在样品表面的扫描路径，逐点地获取样品表面的信号。
这些信号经过处理和转换，最平生成图象。
图象的亮度和对照度代表了样品表面形貌和成份的信息。
七、图象的分析与处理获得图象后，可以对图象进行进一步的分析和处理。
常见的图象处理方法包括增强对照度、去噪、三维重建等。
这些处理方法可以提高图象的质量和清晰度，匡助研究人员更好地理解样品的结构和性质。
总结：扫描电镜通过利用电子束与样品相互作用产生的信号来获取样品的表面形貌和成份信息。
它具有高分辨率、高放大倍数和大深度视场等优点，广泛应用于材料科学、生物科学、纳米技术等领域。
了解扫描电镜的工作原理对于正确操作和解读扫描电镜图象至关重要。
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。
扫描电镜成像技术参数测量和图像处理优化
扫描电镜成像技术参数测量和图像处理优化扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束来观察物质表面微观形貌的重要仪器。
扫描电镜的成像质量直接影响到我们对样品微观结构的理解和分析。
因此，对扫描电镜的成像技术参数进行准确测量和图像处理的优化是非常重要的。
一、扫描电镜成像技术参数测量1. 分辨率测量分辨率是衡量扫描电镜成像质量的重要参数之一。
常用的测量方法是利用聚苯乙烯球（PSL）标准样品进行测量。
首先将PSL标准样品放置在扫描电镜的样品台上，选择合适的放大倍数进行观察。
然后，通过测量PSL标准样品像素尺寸和球的直径，可以计算出扫描电镜的分辨率。
2. 加速电压测量扫描电镜的加速电压对成像结果有重要影响。
一般来说，较高的加速电压可以得到更好的穿透能力和深度信息，但也会导致成像分辨率的降低。
因此，选择合适的加速电压非常重要。
可以使用金刚石颗粒（DOS）标准样品来测量加速电压。
测量时，将DOS标准样品放置在扫描电镜的样品台上，选择合适的放大倍数观察颗粒的形态，并根据颗粒直径与厚度的关系来确定适宜加速电压。
3. 焦点调谐测量扫描电镜的焦点位置是影响成像质量的重要因素之一。
为了获得更好的成像效果，需要进行焦点调谐。
一种常用的焦点调谐方法是利用铜膜标准样品。
将铜膜标准样品放置在扫描电镜样品台上，选择适当的放大倍数，通过观察铜膜的清晰度调整扫描电镜的焦距，以获得最佳的成像效果。
二、图像处理优化1. 噪声抑制扫描电镜图像中常常存在各种噪声，如高斯噪声和斑点噪声等。
为了提高图像质量，可以采用数字滤波技术来抑制噪声。
常用的滤波方法包括均值滤波、中值滤波和高斯滤波等。
选择合适的滤波器和滤波参数可以有效地去除噪声，并保留有用的图像细节。
2. 对比度增强对比度是衡量图像中不同灰度级之间差异程度的参数。
较低的对比度会导致图像细节不清晰。
为了增强图像的对比度，可以采用直方图均衡化、对比度拉伸和灰度映射等图像增强技术。
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。
扫描电镜原理
用背散射电子进行成分分析时，为了避免形貌 程度对原子序数衬度的干扰，背分析样品只进 行抛光，不进行腐蚀。
Be窗
锂漂移硅能谱仪原理方框图
16
3、电子探针能谱仪的分析方法及应用（1）
(1)定点成分分析：电子束固定在需要分析的微区上,能谱仪收集X射 线信号，几分钟内即可直接得到微区内全部元素的谱线, 描出一张特 征 X射线按能量大小分布的图谱。
18-8不锈钢的能谱图
2
1、扫描电镜的构造和工作原理（1）
扫描电镜构造： 1. 电子光学系统； 2. 信号收集处理、图像显 示和记录系统； 3. 真空系统； 4. 电气系统 四个基本部分组成。
扫描电镜结构原理方框图
3
1、扫描电镜的构造和工作原理（2） 基本工作原理：
通过对电子枪内的钨灯丝加-20KV的高电压，使电子枪处 于热激发状态，在阳极的作用下，处于热激发状态的电子 枪就可以激发出电子束，这个电子束就是光源。但是刚刚 激发出的电子束束斑比较粗，大概7-10微米左右，不利于 清晰成像，因此，有必要对该电子束进行细化，这就是要 在样品与电子枪之间加3级“聚光镜”，我们这里的“聚 光镜”不是光学中应用的棱镜，而是一对对的电磁透镜， 因为，在真空状态下，磁场中高速运行的电子束会发生偏 转，我们利用这个原理对电子束进行“聚焦”约束。三个 电磁透镜中的前两个是强磁透镜，可起到把电子束光斑缩 小的作用，而第三个非对称磁场为弱磁透镜，它起到的作 用是延长焦距。布置这个末级透镜（习惯上成为物镜）的 目的在于使样品和透镜之间留有一定的空间，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，就相当于成像单元尺寸越小，相应的分辨率就 越高。采用普通的热阴极电子枪时，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 子束束径可进一步缩小。在扫描线圈作用下，在样品表面 扫 描，激发出各种物理信号， 其强度随样品表面特征而 变 化。通过检测器检测信号， 并经放大，调制图像。
论述扫描电镜的原理及应用
论述扫描电镜的原理及应用一、扫描电镜的原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束与样本相互作用产生的信号来获取样本表面信息的仪器。
它能够提供高分辨率、高深度的表面和形貌信息，成为材料科学、生物科学等领域的重要工具。
扫描电镜的原理主要包括以下几个方面：1. 电子光源扫描电子显微镜是使用高能电子束进行成像的，因此需要一个电子光源。
一般采用热阴极或冷阴极发射电子的电子枪作为电子光源。
电子光源在电子束形成中起到了核心的作用。
2. 准直与聚焦准直与聚焦系统是扫描电镜中的重要组成部分。
它通常由准直系统、导向系统和聚焦系统组成。
准直系统用于控制电子束的方向和角度，导向系统用于控制电子束的位置，而聚焦系统则用于将电子束聚焦到一个细小的区域。
3. 样本与扫描盘样本与扫描盘是扫描电镜中的另外两个重要部分。
样本是待观察的对象，它需要被放置在扫描盘上以便与电子束相互作用。
样本的制备与处理对于扫描电镜成像的质量有着重要的影响。
4. 信号检测与处理扫描电子显微镜中，样本与电子束的相互作用会产生多种信号，如二次电子发射、后向散射电子等。
这些信号需要经过特定的检测器进行捕捉，并经过处理后形成最终的图像。
常用的检测器包括二次电子检测器、信号放大器等。
二、扫描电镜的应用扫描电镜具有很多应用领域，下面列举了几个主要的应用方向：1. 材料科学扫描电镜可以用于对材料表面形貌和结构的观察和分析。
通过扫描电镜的高分辨率成像，可以研究材料的晶体结构、相界面、缺陷等信息。
这对于材料的研发、改进和质量控制具有重要意义。
2. 生物科学生物科学中常常需要观察和研究生物细胞、组织和器官的形态和结构。
扫描电镜能够提供高分辨率、高深度的图像，可用于观察细胞表面的超微结构、细胞器的形态以及细胞间相互作用等情况。
扫描电镜在生物学研究中有着广泛的应用。
3. 纳米技术纳米技术是当今科技领域的一个热点，扫描电镜作为纳米尺度下表面形貌观测的有效手段，在纳米技术研究领域得到了广泛应用。
扫描电镜原理及提高图像质量的方法ppt课件
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
(2)扫描系统
扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫 描发生器和扫描线圈组成。它的作用是：1)使入 射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管 电子束在荧光屏上作同步扫描；2)改变入射束在 样品表面的扫描振幅，从而改变扫描像的放大倍 数。
(1) 背散射电子像衬度
背散射系数η随原子序数Z的变化如图所示 (δ为二次电子产率)。可见，背散射电子信号 强度随原子序数Z增大而增大，样品表面上平均 原子序数较高的区域，产生较强的信号，在背 散射电子像上显示较亮的衬度。因此，可以根 据背散射电子像衬度来判断相应区域原子序数 的相对高低。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
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(3)信号收集系统
扫描电镜应用的物理信号可分为： 1）电子信号，包括二次电子、背散射电子、 透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表 测，其他电子信号用电子收集器； 2）特征X射线信号，用X射线谱仪检测； 3）可见光讯号（阴极荧光），用可见光收 集器。
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电子能谱图
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特征X射线
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回来的电子。
• 二次电子
它是被入射电子束轰击出来的样品核外电 子，又称为次级电子。 在样品上方装一个电子检测器来检测不同 能量的电子，结果如图所示。二次电子的能量 比较低，一般小于50eV；背散射电子的能量比 较高，其约等于入射电子能量 E0。
电子能谱图
特征X射线
特征 X射线是原子的内层电子受到激发之 后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能 量和波长的一种电磁波辐射。
反映试样表面形貌的二次电子像。扫描电镜成像的物理信号
特征X射线
• 背散射电子
它是被固体样品中原子反射回来的一部分入射电 子。又分弹性背散射电子和非弹性背散射电子，前者 是指只受到原子核单次或很少几次大角度弹性散射后
即被反射回来的入射电子，能量没有发生变化；后者
主要是指受样品原子核外电子多次非弹性散射而反射
影响扫描电镜像质量的主要因素
1. 入射束在样品中的扩展效应
2. 分辨率(入射电子束斑直径)
3. 信噪比
4. 杂散电磁场及机械振动 5. 样品的自然衬度
1. 入射束在样品中的扩展效应
电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围 如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原子 序数越小，则电子束作用体积越大。因此，用不
生各种物理信号。
(2)扫描系统
扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫 描发生器和扫描线圈组成。它的作用是：1)使入 射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管 电子束在荧光屏上作同步扫描；2)改变入射束在 样品表面的扫描振幅，从而改变扫描像的放大倍 数。
(3)信号收集系统
扫描电镜应用的物理信号可分为： 1）电子信号，包括二次电子、背散射电子、 透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表
同一样品, 不同能量电子束
15 kV
5 kV
25 kV
不同样品, 同一能量电子束
碳
铁
银
2.分辨率(入射电子束斑直径)
入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本 领的极限。
电子束斑直径的计算公式
4 2 1 3 2 d Cs 1.22 2 I p / 2
据背散射电子像衬度来判断相应区域原子序数
的相对高低。
;
(2) 吸收电子像衬度
吸收电子信号强度与二次电子及背散射电 子的发射有关，若样品较厚，即T=0，则 η +δ +α =1。这说明，吸收电子像的衬度是与
背散射电子像和二次电子像是互补的。因此可
以认为，样品表面平均原子序数大的微区，背
散射电子信号强度较高，而吸收电子信号强度
2
2
• 公式中，d为电子束斑直径， α 为孔径角， Cs为末级透镜的球差系数; λ 为入射电子波 长; Ip为电子束电流; β 为电子束的亮度. 式中第一项为球差,第二项是衍射差引起的, 第三项是无像差透镜形成的电子束直径。
对于热发射的钨丝电子枪其亮度可表达为
J c eV / kT A / cm sr
较低，两者衬度正好相反。
（3）特征X射线衬度
利用特征X射线只与元素种类有关的特性，可 对试样作成份检测。
四、影响扫描电镜像质量的主要因素
一幅高质量的图像应满足三个条件：首先
是分辨率高，显微结构清晰可辨；第二是信噪
比好,没有明显的雪花状噪声;第三是衬度适中,
图像中无论白区还是黑区细节都能看清楚。
同的物理信号调制的扫描像有不同的分辨本领。
二次电子扫描像的分辨本领最高，约等于入射电
子束直径，背散射电子为50-200 nm，X射线为
100-1000nm。
电子束-样品交互作用区
一次电子束 ~ 10 nm: 二次电子 ~ 1~2 mm: 背散射电子
~ 2~5mm: X-射线/阴极荧光 交互作用区
如何利用扫描电镜拍出 高质量的图像
西安交通大学材料学院 王 伟
S-2700扫描电镜
如何利用扫描电镜拍出高质量的图像
一、扫描电镜的工作原理
二、扫描电镜的构造
三、扫描电镜的成像(衬度)原理
四、影响扫描电镜像质量的主要因素
五、操作要点
六、样品制备
一、扫描电镜的工作原理
电子枪发射的电子束经两级聚光镜及物镜的 汇聚，形成具有一定能量、一定束流强度和束斑 直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样 表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦 电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以 及其它物理信号），二次电子信号被探测器收集 转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管得到
2
式中, Jc是电子枪的发射电流密度; V为加速 电压; k为玻尔兹曼常数;T 是电子枪灯丝工 作温度(K); e是电子的电荷.
原子序数衬度又称为化学成分衬度，它是 利用对样品微区原子序数或化学成分变化敏感 的物理信号作为调制信号得到的一种显示微区 化学成分差别的像衬度。这些信号主要有背散 射电子、吸收电子和特征X射线。
(1) 背散射电子像衬度
背散射系数η 随原子序数Z的变化如图所示 (δ 为二次电子产率)。可见，背散射电子信号 强度随原子序数Z增大而增大，样品表面上平均 原子序数较高的区域，产生较强的信号，在背 散射电子像上显示较亮的衬度。因此，可以根
测，其他电子信号用电子收集器；
2）特征X射线信号，用X射线谱仪检测；
3）可见光讯号（阴极荧光），用可见光收
集器。
三、扫描电镜的成像(衬度)原理
1.形貌衬度
若设α 为入射电子束与试样表面法线之间 的夹角，实验证明，当对光滑试样表面、入射 电子束能量大于 1kV且固定不变时，二次电子 产率δ 与α 的关系为
二、 扫描电镜的构造
扫描电镜由六个系统组成
(1) 电子光学系统（镜筒）
(2) 扫描系统
(3) 信号收集系统
(4) 图像显示和记录系统
(5) 真空系统 (6) 电源系统
(1)电子光学系统（镜筒）
由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件
组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦成
亮度高、直径小的入射束来轰击样品，使样品产
δ ∝ 1/cosα
实际样品的形状虽然复杂，但都可以被看 作是由许多位向不同的小平面组成的，扫描电 镜中入射电子束的方向是固定的，由于试样表 面凹凸不平，它对试样表面不同处的入射角是 不同的，由此产生二次电子的产额上的差异， 经调制放大便可得到反映样品形貌的二次电子 像。
2
断口照片
2.原子序数衬度