扫描电子显微镜的结构原理
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。
电子扫描显微镜原理
电子扫描显微镜原理
电子扫描显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）利用电子的波粒二象性和其高速运动特性，在射线物理学原理的基础上运用了多种微观电子学原理和技术，实现对样品的高分辨率成像。
SEM主要原理包括电子源、聚焦系统、扫描系统、检测系统和显像系统。
电子扫描显微镜的基本工作原理如下：首先，通过加热丝或发射钨丝等方式产生高能电子。
这些电子被一个电子枪束缚在一起，形成电子源。
然后，使用一个聚焦系统将电子束聚焦成一个非常细小的束斑，通常为几纳米到几十纳米。
聚焦后的电子束被输入到扫描系统中，该系统由水平和垂直电子束偏转器组成。
这两个偏转器能够控制电子束的位置，使其扫描样品表面。
在扫描过程中，由样品表面反射或散射的电子被检测系统接收。
检测系统主要由二次电子探测器和背散射电子探测器组成。
二次电子探测器检测到从样品表面发射的较低能量电子，而背散射电子探测器检测到从样品底部背散射的高能电子。
通过捕捉这些电子信号，可以获得样品表面不同区域的形貌和组成等信息。
最后，通过显像系统将电子信号转化为可见的图像。
电子信号被放大并转换为亮度差异，以展示样品的微观结构。
显像系统通常采用荧光屏或数字图像处理技术来生成最终的图像。
总的来说，电子扫描显微镜通过控制电子束的发射、聚焦、扫描和检测，以及将电子信号转化为图像的方法，实现了对样品的高分辨率成像。
这种显微镜具有极高的分辨率和放大倍数，可以观察到微小的细节，因此在材料科学、生物学、纳米技术等领域有着广泛的应用。
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。
扫描电镜的结构原理与应用
扫描电镜的结构原理与应用1. 概述扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种使用电子束来观察样品表面的高分辨率显微镜。
相比传统的光学显微镜，扫描电镜具有更高的放大倍数和更好的分辨率，能够观察到更细微的细节和表面形貌的特征。
本文将介绍扫描电镜的结构原理和应用领域。
2. 结构原理扫描电镜由以下几个基本组成部分构成：•电子枪：产生高速电子束的源头。
•准直系统：用于调节电子束的尺寸和形状，使其具有良好的准直性。
•聚焦系统：通过磁场对电子束进行聚焦，使其在样品表面形成高亮度的扫描点。
•扫描线圈：产生水平和垂直方向的扫描电场，控制电子束在样品表面的移动。
•探测器：用于检测样品表面所产生的信号，并转化为图像进行显示。
•显示器：将探测器所获得的信号转化为可见图像，并进行显示。
扫描电镜的工作过程如下：1.电子枪产生高能电子束。
2.准直系统和聚焦系统将电子束调整为合适的形状和大小。
3.扫描线圈控制电子束在样品表面进行扫描。
4.探测器检测样品表面所产生的信号，转化为图像进行显示。
5.显示器将图像进行显示和观察。
3. 应用领域扫描电镜在科学研究、工业生产和教育培训等领域有着广泛的应用。
以下是扫描电镜常见的应用领域：3.1 材料科学•表面形貌观察：扫描电镜可以观察材料表面的微观形貌特征，如纹理、孔洞和颗粒等。
•材料成分分析：通过能谱仪等附加装置，可以对材料进行成分分析，确定材料的化学组成。
3.2 生物科学•细胞观察：扫描电镜可以观察生物细胞的形态特征，揭示细胞的微细结构和功能。
•细菌病毒研究：通过扫描电镜可以观察细菌和病毒的形态和结构，研究其生长和传播机制。
3.3 纳米技术•纳米材料研究：扫描电镜可以观察纳米材料的形貌和结构，研究其物理和化学性质。
•纳米器件制备：扫描电镜可以用于观察和调控纳米级器件的制备过程和性能评价。
3.4 地质学•矿物鉴定：扫描电镜对地质样品进行观察和成分分析，有助于鉴定矿物种类和性质。
SEM(扫描电子显微镜)的原理
SEM(扫描电子显微镜)的原理
SEM是一种通过高能电子束扫描样品表面并利用其所产生的
信号来形成图像的显微镜。
其原理是利用电子束与样品表面交互所产生的各种信号（如二次电子、反射电子、散射电子、背散射电子等）作为样品表面形貌信息的载体，经过放大和成像后形成对样品表面形貌的图像。
具体来说，SEM的主要原理包括：
1. 高能电子束的产生
SEM使用的电子束通常由热阴极或场发射型阴极产生。
电子
从阴极中发射出来后，经过加速管加速到几千伏至数十万伏的高能电子束。
2. 电子束的聚焦
SEM使用电磁聚焦系统将电子束聚焦到非常小的点上，从而
实现高分辨率成像。
聚焦系统通常由多组圆柱形或双凸透镜组成。
3. 样品表面的交互
高能电子束照射样品表面时，会与样品表面相互作用，产生各种不同的信号。
这些信号包括二次电子、反射电子、散射电子、背散射电子等，它们可以提供关于样品表面形貌、成分和结构的信息。
4. 信号的检测和处理
SEM的检测系统通常由二次电子检测器、反射电子检测器、消旋极检测器等多种类型的检测器组成。
这些检测器负责收集和处理样品表面产生的各种信号，经过放大和成像等处理后，成为最终的SEM图像。
综上所述，SEM主要通过高能电子束和样品表面信号的交互来实现图像的成像和分析。
它能够观察到样品表面微观结构的形貌、成分和表面化学性质等信息，具有广泛的应用价值。
扫描电子显微镜技术的原理与应用
扫描电子显微镜技术的原理与应用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种广泛使用的高分辨率显微镜。
它可以在微观尺度下观察样品的表面形貌和组织结构，其像素大小可达纳米级别，比光学显微镜要好得多。
在本文中，我们将讨论扫描电子显微镜的原理和应用。
一、扫描电子显微镜的原理扫描电子显微镜的原理是使用电子束照射样品，并收集经过样品散射、反射和透射的电子，最终通过电子束与样品交互所产生的信号来生成影像。
1. 电子束的产生和聚焦扫描电子显微镜使用了与电视图像管类似的电子枪来产生电子束。
一个电子枪由阴极、阳极和聚焦环组成。
通过加热阴极，可以产生电子。
这些电子被聚焦环聚集在一起，形成电子束。
2. 样品的制备和载台在扫描电子显微镜中，样品必须制备成非导体或半导体，并且必须被涂上一层导电性物质。
常规的样品制备方法包括金属涂覆、碳涂覆、抛光、薄切片和冷冻切片。
载台是样品固定的地方，通常是由钨或钛制成的。
样品可以通过细长的悬臂臂支撑在载台上，这样可以将样品从离子束或电子束中保护起来。
3. 电子束与样品的交互电子束照射样品后，会与样品的原子和分子产生相互作用。
这些相互作用包括散射、反射和透射。
在样品表面的电子被电子束激发后，它们将从样品中排出，并输送到探测器上。
探测器可以检测到不同能量的电子和不同角度的电子。
这些电子将用于产生显微镜的影像。
4. 影像生成影像的生成从原始信号开始。
原始信号是由样品反射、透射和散射的电子产生的，以及电子束与样品相互作用所产生的次级电子。
次级电子是由于电子束与样品表面相互作用而产生的电子。
次级电子通常与样品表面形貌相关，因此可以用来产生高分辨率的图像。
扫描电子显微镜的成像具有非常高的空间分辨率，可达到亚纳米级别。
它还可以生成非常清晰的表面拓扑图像和物质中各种粒子的组织结构。
二、扫描电子显微镜的应用扫描电子显微镜已广泛应用于各种领域的研究，如材料科学、生物学、地球化学、环境科学、药学、半导体工业、纳米技术等。
扫描电镜的基本结构和工作原理
扫描电镜的基本结构和工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它通过扫描样品表面并利用电子束与样品相互作用来获取样品的表面形貌和成分信息。
下面将详细介绍扫描电镜的基本结构和工作原理。
一、基本结构1. 电子枪：扫描电镜的电子枪是电子束的发射源，它由热阴极和加速电极组成。
热阴极通过加热发射电子，加速电极则用于控制电子束的能量和聚焦。
2. 准直系统：准直系统包括准直磁铁和透镜，主要用于聚焦电子束并使其垂直于样品表面。
3. 扫描线圈：扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描范围，通过改变扫描线圈的电流，可以实现对样品不同区域的扫描。
4. 检测系统：检测系统主要包括二次电子检测器和后向散射电子检测器。
二次电子检测器用于检测样品表面的二次电子发射信号，后向散射电子检测器则用于检测样品表面的后向散射电子。
5. 显示和记录系统：显示和记录系统用于将检测到的信号转化为图像，并显示在显示器上或记录在存储介质上。
二、工作原理扫描电镜的工作原理主要分为以下几个步骤：1. 电子束的发射：扫描电镜中的电子束是通过热阴极发射的。
热阴极受到加热，产生高能电子。
2. 电子束的聚焦：经过准直系统的调节，电子束被聚焦为一个细小的束流，并且垂直于样品表面。
3. 电子束的扫描：扫描线圈控制电子束在样品表面的扫描范围。
电子束按照预设的扫描模式在样品表面扫描，扫描过程中，电子束与样品表面相互作用。
4. 信号的检测：样品表面与电子束相互作用后，会产生一系列的信号，包括二次电子和后向散射电子。
二次电子检测器和后向散射电子检测器将这些信号转化为电信号。
5. 图像的生成：检测到的电信号经过放大和处理后，转化为图像信号。
这些图像信号经过显示和记录系统的处理，最终生成可见的样品表面形貌图像。
扫描电镜的基本结构和工作原理使其能够在高分辨率下观察样品的表面形貌和成分信息。
相比传统的光学显微镜，扫描电镜具有更高的放大倍数和更高的分辨率，可以观察到更细微的细节。
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。
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实验一扫描电子显微镜的结构原理及图像衬度观察
一、实验目的
1．了解扫描电镜的基本结构和工作原理。
2．通过实际样品观察与分析，明确扫描电镜的用途。
二、基本结构与工作原理简介
扫描电镜利用细聚电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产生各种物理信号，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、放大倍数范围大且连续可调、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六大部分，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。
图5-1是扫描电镜主机构造示意图。
试验时将根据实际设备具体介绍。
这一部分的实验内容可参照教材内容，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5~10nm，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。
因此，二次电子像适合于显示表面形貌衬度。
二次电子像的分辨率较高，一般约在3~6nm。
其分辨率的高低主要取决于束斑直径，而实际上真正达到的分辩率与样品本身的性质、制备方法，以及电镜的操作条件如高压、扫描速度、光强度、工作距离、样品的倾斜角等因素有关。
在最理想的状态下，目前可达到的最佳分辨率为1nm。
扫描电镜图像表面形貌衬度几乎可以用于显示任何样品表面的超微信息，其应用已渗透到许多科学研究领域，在失效分析、刑事案件侦破、病理诊断等技术部门也得到广泛应用。
材料科学研究领域，表面形貌衬度在断口分析等方面显示有突出的优越性。
下面就以断口分析等方面的研究为例说明表面形貌衬度的应用。
利用试样或构件断口的二次电子像所显示的表面形貌特征，可以获得有关裂纹的起源、裂纹扩展的途径以及断裂方式等信息，根据断口的微观形貌特征可以分析裂纹萌生的原因，裂纹的扩展途径以及断裂机制。
图5-2是比较常见的金属断口形貌二次电子像。
较典型的解理断口形貌如图5-2a所示，在解理断口上存在有许多台阶。
在解理裂纹扩展过程中，台阶相互汇合形成河流花样，这是解理断裂的重要特征。
准解理断口的形貌特征见图5-2b，准解理断口与解理断口有所不同，其断口中有许多弯曲的撕裂棱，河流花样由点状裂纹源向四周放射。
沿晶断口特征是晶粒表面形貌组成的冰糖状花样，见图5-2c。
图5-2d显示的是韧窝断口的形貌，在断口上分布着许多微坑，在一些微坑的底部可以观察到夹杂物或第二相粒子。
由图5-2e可以看出，疲劳裂纹扩展区断口存在一系列大致相互平行、略有弯曲的条纹，称为疲劳条纹，这是疲劳断口在扩展区的主要形貌特征。
图5-2示出的具有不同形貌特征的断口，若按裂纹扩展途径分类，其中解理、准解理和韧窝型属于穿晶断裂。
显然沿晶断口的裂纹扩展是沿晶表面进行的。
图5-1 扫描电镜主机构造示意图
图5-2 几种具有典型形貌特征的断口二次电子像
a) 解理断口b) 准解理断口 c)沿晶断口d) 韧窝断口e) 疲劳断口
图5-3是显示灰铸铁显微组织的二次电子像，基体为珠光体加少量铁素体，在基体上分布着较粗大的片状石墨，与光学显微镜相比，利用扫描电镜表面形貌衬度显示材料的微观组织，具有分辨率高和放大倍数大的优点，适合于观察光学显微镜无法分辨的显微组织。
为了提高表面形貌衬度，在腐蚀试样时，腐蚀程度要比光学显微镜使用的金相试样适当的深一些。
表面形貌衬度还可用于显示表面外延生长层(如氧化膜、镀膜、磷化膜等)的结晶形态。
这类样品一般不需进行任何处理，可直接观察。
图5-4是低碳钢板表面磷化膜的二次电子像，它清晰地显示了磷化膜的结晶形态。
3．原子序数衬度观察原子序数衬度是利用对样品表层微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号，如背散射电子、吸收电子等作为调制信号而形成的一种能反映微区化学成分差别的像衬度。
实验证明，在实验条件相同的情况下，背散射电子信号的强度随原子序数增大而增大。
在样品表层平均原子序数较大的区域，产生的背散射信号强度较高，背散射电子像中相应的区域显示较亮的衬度；而样品表层平均原子序数较小的区域则显示较暗的衬度。
由此可见，背散射电子像中不同区域衬度的差别，实际上反映了样品相应不同区域平均原子序数的差异，据此可定性分析样品微区的化学成分分布。
吸收电子像显示的原子序数衬度与背散射电子像相反，平均原子序数较大的区域图像衬度较暗，平均原子序数较小的区域显示较亮的图像衬度。
原子序数衬度适合于研究钢与合金的共晶组织，以及各种界面附近的元素扩散。
图5-3 灰铸铁显微组织二次电子像图5-4 低碳钢板磷化膜结晶形态二次电子像图5-5是Al-Li合金铸态共晶组织的背散射电子像。
由图可见，基体α-Al固溶体由于其平均原子序数较大，产生背散射电子信号较强，显示较亮的图像衬度。
在基体种平行分布的针状相为铝锂化合物，因其平均原子序数小于基体而显示较暗的衬度。
图5-5 Al-Li合金铸态共晶组织的背散射电子像
a) 横截面b) 纵截面
在此顺便指出，由于背散射电子是被样品原子反射回来的入射电子，其能量较高，离开样品表面后沿直线轨迹运动，因此，信号探测器只能检测到直接射向探头的背散射电子，有效收集立体角小，信号强度较低。
尤其是样品中背向探测器的那些区域产生的背散射电子，因无法到达探测器而不能被接收。
所以利用闪烁体计数器接收背散射电子信号时，只适合于表面平整的样品，实验前样品表面必须抛光而不需腐蚀。
四、实验报告要求
1．扫描电镜的基本结构及特点
2．说明扫描电镜表面形貌衬度和原子序数衬度的应用。