第5章扫描电子显微镜 扫描电子显微镜是一种工作原理完全不同 于透射电子显微镜的一种电子光学仪器，它具 有较高的分辨率和大的景深，主要用于观察厚 的金相样品形貌和凹凸不平表面的断口样品： 通过配置各种附件可以进行成分和结构的分析。 扫描电子显微镜广泛地应用于治金、矿物、半 导体材料，生物医学、物理、化学等各个领域
第5章 扫描电子显微镜 扫描电子显微镜是一种工作原理完全不同 于透射电子显微镜的一种电子光学仪器，它具 有较高的分辨率和大的景深，主要用于观察厚 的金相样品形貌和凹凸不平表面的断口样品； 通过配置各种附件可以进行成分和结构的分析。 扫描电子显微镜广泛地应用于冶金、矿物、半 导体材料，生物医学、物理、化学等各个领域
5.1SEM的工作原理和构造 5.1.1工作原理 电子枪灯丝和高压电源 ☒ 电子枪 ☒ 聚光镜 电源 扫描发生器 第一聚光镜 放大控制 扫描放大器 电子收集器 第二聚光镜 光电倍增管 上偏转线图 规频放大 下偏转线图 第三聚光镜 (物镜) 接真空系统 电子束 观察 样品 阴极射线管 样品室 照相
5.1 SEM的工作原理和构造 5.1.1 工作原理
5.1.1工作原理 从电子枪阴极发射出的电子受1至50kV高压加速，经过 三个磁透镜的三级缩小，形成束斑直径约5~10m的细电 子束聚焦在样品表面。在第二聚光镜和第三聚光镜（又称 物镜)之间有一组扫描线图，使电子束在样品表面扫描， 产生各种物理信号；这些信号被相应的检测器检测，经视 频放大器进一步放大后调制阴极射线管的亮度，由于阴极 射线管偏转线圈和镜筒中扫描线圈的扫描电流是严格同步 的，因此样品表面任意点发射的信号与阴极射线管的荧光 屏上相应亮点的亮度是一一对应的。也就是说，电子打到 试样上的一点时，在阴极射线管的荧光屏上就出现一个对 应亮点。我们观察样品上的一定范围的区域，扫描电子显 微镜像电视一样采用逐点扫描法将图像显示出来
5.1.1 工作原理 从电子枪阴极发射出的电子受1至50kV高压加速，经过 三个磁透镜的三级缩小，形成束斑直径约5～10nm的细电 子束聚焦在样品表面。在第二聚光镜和第三聚光镜（又称 物镜）之间有一组扫描线图，使电子束在样品表面扫描, 产生各种物理信号；这些信号被相应的检测器检测，经视 频放大器进一步放大后调制阴极射线管的亮度，由于阴极 射线管偏转线圈和镜筒中扫描线圈的扫描电流是严格同步 的，因此样品表面任意点发射的信号与阴极射线管的荧光 屏上相应亮点的亮度是一一对应的。也就是说，电子打到 试样上的一点时，在阴极射线管的荧光屏上就出现一个对 应亮点。我们观察样品上的一定范围的区域，扫描电子显 微镜像电视一样采用逐点扫描法将图像显示出来
5.1.1工作原理 SEM倍率改变的方法： 由于阴极射线管的荧光屏宽度尺寸(Ac)是固定值，一 般100mm,如果调节扫描线圈电流，从而改变入射电子 在样品上扫描范围As(也称为扫描振幅)，则可获得不 同的放大倍率： M=A/A、=常数/A (5-1) 当扫描范围减小，则倍率提高，反之则降低
5.1.1 工作原理 SEM倍率改变的方法： 由于阴极射线管的荧光屏宽度尺寸（Ac）是固定值，一 般100mm，如果调节扫描线圈电流，从而改变入射电子 在样品上扫描范围As（也称为扫描振幅），则可获得不 同的放大倍率： M Ac As As / 常数/ （5-1） 当扫描范围减小，则倍率提高，反之则降低
5.1.1工作原理 SEM的景深： 扫描电子显微镜有一个显著特点就是景深（场深） 很大。这是由于扫描电子束发散度很小所致，从 图5-2可看出： tanβ (5-2) 式中do是扫描像分辨率；F是景深。景深F是指 在保持像清晰度，即不降低分辨率的前提下，样 品在物平面上下沿光轴可移动的最大距离
5.1.1 工作原理 SEM的景深： 扫描电子显微镜有一个显著特点就是景深（场深） 很大。这是由于扫描电子束发散度β很小所致，从 图5-2可看出： （5-2） 式中d0是扫描像分辨率；Fƒ是景深。景深Fƒ是指 在保持像清晰度，即不降低分辨率的前提下，样 品在物平面上下沿光轴可移动的最大距离。 tanβ β o f d d F
5.1.1工作原理 扫描电子显微镜景深与束发散度的关系 1入射电子束， 入射电子束 B 样品平面1一一 样品平面1 样品平面2一 样品平面2
5.1.1 工作原理 扫描电子显微镜景深与束发散度的关系
5.1.1工作原理 分辨率(do)与有效放大倍率的关系： do(mm)=肉眼分辨率/有效放大倍率 =0.1/有效放大倍率 式中肉眼的分辨率取值为0.1mm。在上述定义中的放大 倍率又称为有效放大倍率
5.1.1 工作原理 分辨率（ d0 ）与有效放大倍率的关系： d0（mm） ＝肉眼分辨率／有效放大倍率 ＝0.1/有效放大倍率 式中肉眼的分辨率取值为0.1mm。在上述定义中的放大 倍率又称为有效放大倍率
表5-1扫描电子显微镜的分辨率和景深 (发散角：B=1X103rad) 景深F;(μm) 放大倍率M 分辨率d,(um) 扫描电子显微镜 光学显微镜 20 5 5000 5 100 1 1000 2 1000 0.1 100 0.7 5000 0.02 20 10000 0.01 10 二 从表中可知，扫描电子显微镜的景深比光学显微镜大得多， 所以它特别适用于粗糙表面的观察和分析
放大倍率M 分辨率d0（μm） 景深Fƒ（μm） 扫描电子显微镜 光学显微镜 20 100 1000 5000 10000 5 1 0.1 0.02 0.01 5000 1000 100 20 10 5 2 0.7 — — 表5-1 扫描电子显微镜的分辨率和景深 （发散角：β = 1×10-3 rad） 从表中可知，扫描电子显微镜的景深比光学显微镜大得多， 所以它特别适用于粗糙表面的观察和分析
5.1.2SEM构造 扫描电子显微镜由电子光学系统 (镜筒)、信号检测放大系统、图 像显示和记录系统以及电源系统和 电子枪灯丝和高压电源 真空系统等部分组成。 ☒☒ 1. 电子光学系统 电子枪 X☒ 聚光镜 扫摸发生器 电子光学系统由电子枪、聚光镜、 一第一亲光镜 扫描线圈、光栏、样品室等部件组 放大控割年 扫损放大器 成，如图5-1(b)所示。 电子收集器 第二隳光镜 光电倍增管 上编转线图、 它的作用与透射电子显微镜不一样， 样品 0 视须战大 下偏转线国、 第三聚光镜 (物黄) 仅仅用来获得扫描电子束，作为使 接真空系烷 电子来 样品 样品产生各种物理信号的激发源。 阴极射线管 样品室 为了获得较高的信息强度和扫描像 (尤其是二次电子像)分辨率，扫 描电子束应具有较高的亮度和尽可 能小的束斑直径。 电子枪：钨丝阴极，LaB。,场发射
5.1.2 SEM构造 扫描电子显微镜由电子光学系统 （镜筒）、信号检测放大系统、图 像显示和记录系统以及电源系统和 真空系统等部分组成。 1．电子光学系统 电子光学系统由电子枪、聚光镜、 扫描线圈、光栏、样品室等部件组 成，如图5-1（b）所示。 它的作用与透射电子显微镜不一样， 仅仅用来获得扫描电子束，作为使 样品产生各种物理信号的激发源。 为了获得较高的信息强度和扫描像 （尤其是二次电子像）分辨率，扫 描电子束应具有较高的亮度和尽可 能小的束斑直径。 电子枪：钨丝阴极 ，LaB6 ，场发射
5.1.2SEM构造 1.电子光学系统 聚光镜系统：由三个聚光镜组成，其作用获得大束流强度 和尽可能小的束斑直径。 扫描系统：以扫描线圈为核心组成的扫描系统，其作用是 提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧 屏上的同步扫描信号；改变入射电子束在样品表面扫描振 幅，以获得所需放大倍率的扫描像。 样品室：样品室中主要部件之一是样品台。它除了能进行 三维空间的移动，还能倾斜和转动，样品台移动范围一般 可达40mm,倾动范围至少±50°左右，转动360°。样品 台还可带有多种附件，例如使样品在样品台上加热、冷却， 或拉伸等，可进行动态观察
5.1.2 SEM构造 1．电子光学系统 聚光镜系统：由三个聚光镜组成，其作用获得大束流强度 和尽可能小的束斑直径。 扫描系统：以扫描线圈为核心组成的扫描系统，其作用是 提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧 屏上的同步扫描信号；改变入射电子束在样品表面扫描振 幅，以获得所需放大倍率的扫描像。 样品室：样品室中主要部件之一是样品台。它除了能进行 三维空间的移动，还能倾斜和转动，样品台移动范围一般 可达40mm，倾动范围至少±50º左右，转动360º。样品 台还可带有多种附件，例如使样品在样品台上加热、冷却， 或拉伸等，可进行动态观察