扫描电镜的结构和性能参数在线视频

大家好

今天我们学习

扫描电镜的构造和主要性能参数

先来看扫描电镜的构造

扫描电镜包括电子光学系统

信号检测放大系统

图像显示和记录系统

还有辅助的真空系统

以及电源系统

电子光学系统的主要功能

是获得亮度高和束斑直径小的

扫描电子束

里面主要包括电子枪、电磁透镜

扫描线圈和样品室

扫描电镜中的电子枪

和透射电镜的电子枪相似

也有热阴极和场发射电子枪

只是不同点在于

扫描电镜中的电子枪的

加速电压比较低

通常只是在1-30千伏范围

而透射电镜中是80千伏到几百千伏

电磁透镜呢

结构和透射电镜中使用的

电磁透镜是一样的

但它们的作用不是成像

而是用来调节入射电子束斑尺寸

以及调节图像的亮度和反差

电子束斑尺寸越小

分辨率会越高

所以通常扫描电镜中会

设置三个电磁透镜来增强其会聚功能

最靠近样品的一个习惯上被称为物镜

但它实际也是聚光镜

扫描线圈的作用是使入射电子束偏转

并在样品表面上做有规则的逐点扫动

也就是让电子束

在样品表面做“光栅扫描”

再就是样品室

扫描电镜的样品室通常空间都比较大

它的作用

一个就是放置样品

扫描电镜的样品台很大

试样的最大直径可以达到10cm

样品台还能进行旋转、倾斜

或者沿三维空间做平移动作

有的样品室

还可以对试样能进行拉伸

压缩、弯曲

加热或深冷等处理

相当于一个小型材料加工实验室

可以用来研究一些动力学过程

样品室的另一个作用就是

安置各种信号探测器

比如二次电子探测器

背散射电子探测器

X射线探测器等

就安装在样品室的侧壁上

这些探测器就是

用于检测并收集从样品表面

发射出来的相应的信号

然后转换放大成电压信号

用于调制显示屏的亮度

真空系统和电源系统虽然是辅助系统

但也是十分重要的

扫描电镜中

通常要求真空度在大约P Pa

采用油扩散泵和涡轮分子泵可以实现

而场发射扫描电镜对真空度要求极高

达到P Pa

需要用到离子泵

任何真空度的下降

都会导致电子束散射加大

电子枪灯丝寿命缩短

产生虚假的二次电子效应

从而严重影响成像的质量

所以

真空系统的质量也是

衡量扫描电镜质量的参考指标之一

电源系统就是保证

扫描电镜各部分的稳压

稳流及安全保护

接下来我们学习

扫描电镜的几个主要参数

分辨率、放大倍数和景深

我们先来看分辨率

扫描电镜分辨率的确定通常

是测量所拍摄的图像上

两个亮点之间的最小距离

再除以总放大倍数

比如

在这张金纳米颗粒的照片中

测出颗粒的最小间距是0.30mm

照片的放大倍数是30万倍

那么分辨率就是1nm

我们知道

扫描电镜是逐点成像的

入射电子束的束斑尺寸越小

分辨率就越高

上一节在讲电子有效作用区的时候

提到过

二次电子和俄歇电子出射的

横向尺寸和电子束束斑尺寸相同

图像的分辨率是最高的

而通常在扫描电镜的成像中

比较少用俄歇电子

所以

扫描电镜的分辨率实际上指的

就是二次电子像的分辨率

目前场发射扫描电镜的

分辨率已经突破了纳米级

据称日立公司的高分辨冷场

发射扫描电镜SU9000的分辨率

已经能够达到0.4个纳米

那么

哪些因素会影响扫描电镜的分辨率呢

电子束的束斑大小

所用的信号种类

样品中原子的原子序数

入射电子的能量

信噪比

杂散磁场

机械振动

等等这些因素都会影响分辨率

其中

束斑大小

信号种类

原子序数

是主要的影响因素

这些影响其实咱们在前面

讲扫描电镜的工作原理

和电子有效作用区的时候已经介绍过

而信噪比

杂散磁场和机械振动主要

和设备本身及周围环境有关

当入射电子束在样品表面

做光栅扫描时

通常是在一个小正方形区域内扫描

如果电子束在样品表面

扫描的幅度为Ls

也就是扫描的小正方形的边长是Ls

而显示屏的边长是Lc

那么扫描电微镜的

放大倍数就是Lc/Ls

显示屏的尺寸一般是固定不变的

那么

扫描电镜的放大倍数

可以通过改变电子束

在样品表面的扫描幅度Ls

来实现

扫描的范围越小

放大倍数就越大

可以随意调节

目前普通扫描电镜的

放大倍数可以从几十倍到几十万倍

连续调节

高端的扫描电镜可以达到几百万倍

还有一个有效放大倍数的概念

也就是将样品细节

放大到人眼看清楚的放大倍数

数值上

有效放大倍数等于

人眼分辨率和仪器分辨率的比值

假如扫描电镜分辨率为 2 nm

一般人眼的分辨率是0.2mm

那么有效放大倍数

就是0.2mm除以2nm

也就是10万倍

如果超过有效放大倍数

再放大

并不会进一步增加图像的清晰程度

可能反而更模糊

像是马赛克

那就是无效放大了

第三个参数

景深

景深是指透镜对高低不平的试样各部位

能同时聚焦成像的一个能力范围

这个范围用一段距离来表示

可以通过这个公式计算景深

∆R0 是分辨率

β为电子束孔径角

可见

电子束孔径角是控制扫描电子显微镜

景深的主要因素

它取决于末级透镜的

光阑直径和工作距离

β角很小

通常只有10⁻³弧度（rad）

所以景深就很大

扫描电镜的景深比一般光学显微镜的

景深大100-500倍

现在我们知道了

我们要想获得一副高质量的

扫描电镜照片

首先就需要电镜的分辨率高

放大倍数大、景深大

这样才能把样品的结构细节

呈现地清清楚楚

但是

对于一幅扫描图像来说

只有高的分辨率和放大倍数

以及大的景深也还是不够的

还需要有足够的亮度和衬度

所谓亮度

和产生信号的数量有关

信号数量越多

图像的亮度也就越大

亮度足够大才能

有利于我们眼睛的观察

这跟我们在白天看得清楚

晚上看东西模糊是一样的道理

而衬度

是图像上各像元的亮度

相对于平均亮度的变化

也就是不同微区的相对亮度

有了衬度

才能有图像

否则就是一片白

一片灰

或者一片黑色了

有关衬度的内容

咱们下节课讲

好

我们今天学习了扫描电镜的构造

以及扫描电镜的主要性能参数

谢谢大家

下次课再见