第三章扫描电子显微分析技术
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工作距离:试样工作距离越小，图像分辨率越高，但焦深越小。 对表面粗糙和高低不平的试样，宜采用较大的工作距离。另外， 试样工作距离越小，象差越小。高分辨观察，建议用较小的工
作距离。
物镜光阑:物镜光阑直径直接影响扫描电子显微镜的开角，并间 接影响电子束斑的尺寸。小孔径光阑可以提高分辨率，加大景 深，但却降低图像的信噪比，使图像颗粒化。在保证足够的信 噪比和分辨率的情况下，应尽可能使用较小的物镜光阑。常用 的物镜光阑直径为100m、200m和300m。
扫描电子显微镜的放大倍数
定义：显像管电子束扫描宽度与镜体电子束在试样上扫描 宽度之比。
由于显像管成像荧光屏尺寸一定，通过改变镜体内电子束 偏转角，即改变电子束在试样上扫描范围，可使扫描电子 显微镜放大倍数在10300000倍之间任意选择。
扫描电镜图像的放大过程
3.1.2 扫描电镜的电子枪
电子枪提供一个稳定的电子源，相当于光学显微镜中的 光源，以形成一个电子束。 热电子发射型：发叉式钨丝六硼化镧（LaB6）单晶 场电子发射型：钨单晶
钨单晶
LaB6单晶
钨丝
3.1.3 透镜系统
由电磁透镜、扫描线圈和消像散器组成。
透镜系统常采用三级励磁系统，由第一、第二聚光镜和物镜组成 。
扫描电镜透镜系统光路
扫描电镜物镜部分结构示意图
上下各一对线圈使电子 束沿X方向扫描（即行扫 描），而另外一对线圈 使电子束沿Y方向扫描 （即帧扫描）。在物镜 的下部在下偏转线圈下 面安装八极式电磁消像 散器，以消除这种像散。 在物镜的最下部装有物 镜光阑，其作用为控制 电子束的开角，从而控 制图像的景深。
图像质量的好坏与所用的加速电压、电子束流、灯丝电流、试样 的工作距离、物镜光阑直径和帧扫描时间有密切关系。
加速电压：对导电的金属和矿物试样，加速电压越高，图像的亮 度越高，清晰度越好，建议使用2030kV的加速电压；对非导电 的试样（如生物试样、塑料等），用较高的加速电压引起电荷堆 积，降低图像信噪比，也容易损伤试样，建议使用1020kV的加 速电压。
影响扫描图像质量的电子束参数
3.1.4 图像检测、显示、记录与控制系统
入射电子⇒轰击试样⇒产生二次电子⇒二次电子检测器（闪烁体 ⇒光电倍增管）⇒视频放大器⇒显像管⇒二次电子图像。
3.1.5 显示、记录与控制系统
扫描电镜的图象显示在阴极射线管(显像管)上，并由照相机拍照 记录。显像管有两个，一个用来观察，分辨率较低，是短余辉的 管子；另一个用来照相记录，分辨率较高，是长余辉的管子。
帧扫描时间:采用较长的帧扫描时间可以改善信噪比，提高成 像质量。但延长帧扫描时间，会损伤试样，对防震性能不太好 的实验室，较长的扫描时间，也容易造成图像的晃动，影响图 像的观察与拍照。
3.1.6 真空系统及电源系统
扫描电镜的真空系统一般由机械泵与油扩散泵两级真空组 成，其作用是使镜筒内达到 10-4～10-5乇的真空度。电源 系统供给各部件所需的特定的电源。
看一下镜筒（电子光学系统）的组成
成像透 镜系统
试样室
真空系统
KYKY-1000B扫描电镜
电子枪 检测器
图像观察 与拍照系统 能谱仪
电子控 制系统
电子枪 检测器
成像透 镜系统
日本电子的JSM-6360系列扫描电镜 图像观察 与拍照系统
试样室
真空系统
电子控 制系统
能谱仪
扫描电镜的成像过程
电子束由电子枪发出，在加速电压（130kV）作用下，经聚 光镜、物镜，被会聚成直径15nm的微束（其束流为10-111012A）。电子束经扫描线圈时，受其作用，在试样表面作光栅状扫 描。电子束作用于试样表面，打在试样上的会聚电子束从试样中 激发出各种信号（如二次电子、X射线等），其中的二次电子经 检测、放大后，最终在设在镜体外的显像管（CRT）荧光屏上形 成一副反映试样表面貌、化学组成及其它物化性能的扫描图像。
这是氧化铝晶体的二次电子像
3.2.2 边缘效应
入射电子束照射如下图那样的试样边角、尖端或边缘时， 二次电子可从试样侧面发出，即和一般的起伏部分相比二次电 子产率显得特别明亮，以致难以辩认所存在的形貌细节。边缘 效应实际上是倾斜效应的特例，同时与加速电压有明显依赖关 系。通过降低加速电压，可减小边缘效应的影响，有利于图象
电子束流：电子束流越小，图像的分辨率越高，但是会降低图像 的亮度和信噪比，图像呈颗粒化，在保证图像的亮度和信噪比适 中的情况下，应尽可能使用较小的电子束流。
灯丝电流:随着灯丝电流的加大，图像亮度会逐渐提高，当灯 丝电流增大到一定大小时，图像亮度饱和不再增大，灯丝电流 应工作在饱和点上，使图像稳定。
第三章 扫描电子显 微分析技术
反射式光学显微镜
包括：光源、光学透镜系统、成像观察系统、试样台。
3.1 扫描电镜的结构
3.1.1 扫描电镜的结构原理
一台扫描电子显微镜从结构上来说，它由电子 枪、成像透镜系统、信号检测系统、试样室、图像
观察与拍照系统、真空系统等几部分组成。
Leabharlann Baidu
这 是 一 台 扫 描 电 镜 结 构 原 理 图
二次电子象衬度是入射电子束从试样表层不同部位激发的 二次电子数量变化的反映。电子束入射条件一定（加速电压、 电子束流及束斑大小），二次电子发射量与试样表面形貌（凸 凹、特别是尖端棱角）、组成元素、电子束相对试样入射角等 有密切关系。即决定于倾斜效应、边缘效应、原子序数效应等。
3.2.1倾斜效应 二次电子发射量与电子束对试样表面法线夹角θ的余弦
倒数(1/cosθ)成正比，二次电子穿透距离越短，到达检测器 的二次电子数量就越多。
任何观察试样表面都有着不同程度的起伏（凹凸），即 对入射电子束呈不同程序的倾斜，因而由各相应部位（微区） 发出的二次电子量出不尽相同。在显象管上的图象将呈现与 试样起伏程度相对应的亮度差异，即试样倾斜（形貌）衬度。
二次电子发射量与试样倾斜程度的关系
这是机械泵的工作原理图 机械泵的极限真空一般在10-3乇
这是扩散泵的工作原理图 扩散泵的极限真空为10-5乇
3.2 扫描电镜的图像解释
扫描电镜图象衬度成因比较复杂，内容也较丰富，有形貌 因素，也有电、光、磁及元素分布等因素，还有因试样性 质不同以及在制样过程中引进的人工产物的干扰因素。 信号（电子及电磁波）及其用途 :
作距离。
物镜光阑:物镜光阑直径直接影响扫描电子显微镜的开角，并间 接影响电子束斑的尺寸。小孔径光阑可以提高分辨率，加大景 深，但却降低图像的信噪比，使图像颗粒化。在保证足够的信 噪比和分辨率的情况下，应尽可能使用较小的物镜光阑。常用 的物镜光阑直径为100m、200m和300m。
扫描电子显微镜的放大倍数
定义：显像管电子束扫描宽度与镜体电子束在试样上扫描 宽度之比。
由于显像管成像荧光屏尺寸一定，通过改变镜体内电子束 偏转角，即改变电子束在试样上扫描范围，可使扫描电子 显微镜放大倍数在10300000倍之间任意选择。
扫描电镜图像的放大过程
3.1.2 扫描电镜的电子枪
电子枪提供一个稳定的电子源，相当于光学显微镜中的 光源，以形成一个电子束。 热电子发射型：发叉式钨丝六硼化镧（LaB6）单晶 场电子发射型：钨单晶
钨单晶
LaB6单晶
钨丝
3.1.3 透镜系统
由电磁透镜、扫描线圈和消像散器组成。
透镜系统常采用三级励磁系统，由第一、第二聚光镜和物镜组成 。
扫描电镜透镜系统光路
扫描电镜物镜部分结构示意图
上下各一对线圈使电子 束沿X方向扫描（即行扫 描），而另外一对线圈 使电子束沿Y方向扫描 （即帧扫描）。在物镜 的下部在下偏转线圈下 面安装八极式电磁消像 散器，以消除这种像散。 在物镜的最下部装有物 镜光阑，其作用为控制 电子束的开角，从而控 制图像的景深。
图像质量的好坏与所用的加速电压、电子束流、灯丝电流、试样 的工作距离、物镜光阑直径和帧扫描时间有密切关系。
加速电压：对导电的金属和矿物试样，加速电压越高，图像的亮 度越高，清晰度越好，建议使用2030kV的加速电压；对非导电 的试样（如生物试样、塑料等），用较高的加速电压引起电荷堆 积，降低图像信噪比，也容易损伤试样，建议使用1020kV的加 速电压。
影响扫描图像质量的电子束参数
3.1.4 图像检测、显示、记录与控制系统
入射电子⇒轰击试样⇒产生二次电子⇒二次电子检测器（闪烁体 ⇒光电倍增管）⇒视频放大器⇒显像管⇒二次电子图像。
3.1.5 显示、记录与控制系统
扫描电镜的图象显示在阴极射线管(显像管)上，并由照相机拍照 记录。显像管有两个，一个用来观察，分辨率较低，是短余辉的 管子；另一个用来照相记录，分辨率较高，是长余辉的管子。
帧扫描时间:采用较长的帧扫描时间可以改善信噪比，提高成 像质量。但延长帧扫描时间，会损伤试样，对防震性能不太好 的实验室，较长的扫描时间，也容易造成图像的晃动，影响图 像的观察与拍照。
3.1.6 真空系统及电源系统
扫描电镜的真空系统一般由机械泵与油扩散泵两级真空组 成，其作用是使镜筒内达到 10-4～10-5乇的真空度。电源 系统供给各部件所需的特定的电源。
看一下镜筒（电子光学系统）的组成
成像透 镜系统
试样室
真空系统
KYKY-1000B扫描电镜
电子枪 检测器
图像观察 与拍照系统 能谱仪
电子控 制系统
电子枪 检测器
成像透 镜系统
日本电子的JSM-6360系列扫描电镜 图像观察 与拍照系统
试样室
真空系统
电子控 制系统
能谱仪
扫描电镜的成像过程
电子束由电子枪发出，在加速电压（130kV）作用下，经聚 光镜、物镜，被会聚成直径15nm的微束（其束流为10-111012A）。电子束经扫描线圈时，受其作用，在试样表面作光栅状扫 描。电子束作用于试样表面，打在试样上的会聚电子束从试样中 激发出各种信号（如二次电子、X射线等），其中的二次电子经 检测、放大后，最终在设在镜体外的显像管（CRT）荧光屏上形 成一副反映试样表面貌、化学组成及其它物化性能的扫描图像。
这是氧化铝晶体的二次电子像
3.2.2 边缘效应
入射电子束照射如下图那样的试样边角、尖端或边缘时， 二次电子可从试样侧面发出，即和一般的起伏部分相比二次电 子产率显得特别明亮，以致难以辩认所存在的形貌细节。边缘 效应实际上是倾斜效应的特例，同时与加速电压有明显依赖关 系。通过降低加速电压，可减小边缘效应的影响，有利于图象
电子束流：电子束流越小，图像的分辨率越高，但是会降低图像 的亮度和信噪比，图像呈颗粒化，在保证图像的亮度和信噪比适 中的情况下，应尽可能使用较小的电子束流。
灯丝电流:随着灯丝电流的加大，图像亮度会逐渐提高，当灯 丝电流增大到一定大小时，图像亮度饱和不再增大，灯丝电流 应工作在饱和点上，使图像稳定。
第三章 扫描电子显 微分析技术
反射式光学显微镜
包括：光源、光学透镜系统、成像观察系统、试样台。
3.1 扫描电镜的结构
3.1.1 扫描电镜的结构原理
一台扫描电子显微镜从结构上来说，它由电子 枪、成像透镜系统、信号检测系统、试样室、图像
观察与拍照系统、真空系统等几部分组成。
Leabharlann Baidu
这 是 一 台 扫 描 电 镜 结 构 原 理 图
二次电子象衬度是入射电子束从试样表层不同部位激发的 二次电子数量变化的反映。电子束入射条件一定（加速电压、 电子束流及束斑大小），二次电子发射量与试样表面形貌（凸 凹、特别是尖端棱角）、组成元素、电子束相对试样入射角等 有密切关系。即决定于倾斜效应、边缘效应、原子序数效应等。
3.2.1倾斜效应 二次电子发射量与电子束对试样表面法线夹角θ的余弦
倒数(1/cosθ)成正比，二次电子穿透距离越短，到达检测器 的二次电子数量就越多。
任何观察试样表面都有着不同程度的起伏（凹凸），即 对入射电子束呈不同程序的倾斜，因而由各相应部位（微区） 发出的二次电子量出不尽相同。在显象管上的图象将呈现与 试样起伏程度相对应的亮度差异，即试样倾斜（形貌）衬度。
二次电子发射量与试样倾斜程度的关系
这是机械泵的工作原理图 机械泵的极限真空一般在10-3乇
这是扩散泵的工作原理图 扩散泵的极限真空为10-5乇
3.2 扫描电镜的图像解释
扫描电镜图象衬度成因比较复杂，内容也较丰富，有形貌 因素，也有电、光、磁及元素分布等因素，还有因试样性 质不同以及在制样过程中引进的人工产物的干扰因素。 信号（电子及电磁波）及其用途 :