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工作原理
扫描电镜工作原理图
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工作方式
扫描电镜中，用来成像的信号主要是 二次电子，其次是背反射电子和吸收 电子，X射线和俄歇电子主要用于成 分分析，其他信号的电子也用一定的 用途。
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工作方式
电子束与固体样品表面作用 时产生的信息
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工作方式
二次电子
二次电子是从表面5－10nm层内发射出来的，能量 小于50eV，它对表面状态形貌非常敏感，能非常 有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试 样表面层，入射电子还没有被多次散射，因此产 生二次电子的面积与入射电子的照射面积基本相 同，二次电子的空间分辨率较高，JSM5610二次电 子分辨率为3nm。
●显示系统一般是把信号经处理输入电脑在显
示器上显示。
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扫描电镜的结构
闪烁体计数器
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扫描电镜的结构
真空系统
真空系统在电子光学仪器中十分重要,这是 因为电子束只能在真空下产生和操纵。对 于扫描电子显微镜来说,通常要求真空度优 于10-3～10-4Pa。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,严重影响成像的 质量。因此,真空系统的质量是衡量扫描电 子显微镜质量的参考指标之一。
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试样制备
试样应有良好的导电性，或至少试样表面 导电性要好。导电性不好的试样，如高分 子材料、陶瓷、生物样等再入射电子的照 射下，表面容易积累电荷严重影响图像质 量。对不导电的试样，必须进行真空镀膜 ，在试样表面蒸镀一层厚约10nm的金属膜 或碳膜，以避免荷电现象。真空镀膜技术 还可以提高表面二次电子发射率，提高图 像衬度。
背反射电子
背反射电子是入射电子再试样中收到原子核卢瑟福 散射尔形成的大角度散射电子。能量损失很小或没 有能量损失。由于入射电子进入试样较深，入射电 子发生已被散射开，电子束斑直径要比二次电子束 斑直径大。所以背反射电子成像分辨率比二次电子 低。JSM5610二次电子分辨率为3nm。背散射电子来 自样品表层几百纳米的深度范围,由于它的产额随 样品原子序数增大而增多,所以不仅能用作形貌分 析,而且可以用来显示原子序数衬度。
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工作方式
电位衬度 电位衬度是试样表面电位分布有差异所 引起的衬度。由于二次电子的能量较低，如试样 表面不同微区的电位不同，则电位低的地方的二 次电子容易跑到相邻电位高的地方，使电位低的 地方δ小，在图像上显得暗；电位高的地方δ大 ，在图像上就显得亮。这就形成的电位衬度。
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工作方式
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工作方式
背反射电子成像的衬度主要取决于原子序数和表 面凹凸不平的形貌。其衬度既与试样表面形貌有 关，又与试样成分有关。要把两种衬度分开，只 有利用单纯的背反射电子。用A、B两个检测器， 放在相对于入射束对称的两个位置上。加负偏压 收集的是背反射电子。这时由于原子序数不同所 产生的衬度效果在A、B两检测器上是相同的，而 表面形貌产生的衬度效果是相反的。经过合成可 得到原子序数衬度和形貌衬度。
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工作方式
二次电子衬度，包括形貌衬度、成分衬度和 电位衬度。形貌衬度是由试样表面凹凸不平 造成的。二次电子是低能电子，在逸出过程 中容易被吸收。只有表层产生的二次电子才 能逸出表面。若逸出深度为L，入射电子方向 和表面法向夹角为θ，则入射电子在较长的 路程上预试样原子作用所激发的低能电子都 有可能逸出，因此产生二次电子数量δ正比 于δ＝secθ。
湖南大学
扫描电子显微镜简介
精密磨削实验室 程锋 2005年9月
介绍提纲
引言 扫描电镜工作原理 扫描电镜工作方式 扫描电镜结构 试样制备 EDS原理简介
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引言
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）简称扫描电 镜或SEM，是利用聚焦电子束在试样 表面扫描时激发的某些物理信号来调 制一个同步扫描的显像管在相应位置 的亮度而成像的一种显微镜。
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引言
1935年，德国的克诺尔（Knoll）提出了扫描电镜 的工作原理。 1938年，范阿道（Von Ardenne）开始进行实验研 究。 1942年，沃利金. 希尔（Zworykin Hill）制成了 第一抬实验室用的扫描电镜。 1960年，埃霍德（Everhart）和沙姆露（Thomley ）把二次电子信号转化为光信号，经光导管传入 光电倍增器输出，扫描电镜的分别率大大提高
Flash描述
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扫描电镜的结构
扫描电镜由电子光学系统（电子枪、电磁透 镜、扫描线圈、消像散器、线圈、试样室） ，信号收集及显示系统，真空系统，电源及 控制系统等部分组成。 1.电子光学系统
●电磁透镜，扫描电镜要求一个尽可能细而又有一
定强度的电子束。这主要靠电磁透镜来实现。 JSM5610有三级透镜聚焦，最后形成电子束针射到 试样上。末级透镜是物镜，空间较大，用来容纳 扫描线圈和消像散器。
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扫描电镜的结构
●扫描线圈，它使电子束做光栅扫描，与显示
系统的CRT啸扫描线圈由同一个锯齿波发生 器控制，保证镜筒中的电子束与显示系统 的CRT中的电子束偏转严格同步。
●试样室，其中最重要的部件之一是试样台，
它颖容纳大的试样，好要有三维空间的移 动，倾斜核装动，活动范围大，精度要求 高，振动要小。
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工作方式
因此由于逸出深度固定的，所以尖棱和棱 角处的δ增加，而沟槽和空穴处的δ减少。 使图像上各处亮度不同。
形貌衬度的产生
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工作方式
成分衬度 成分衬度是由于试样表面不同部位原
子序数不同造成的，在试样中二次电子有两类， 一类是由入射电子产生，主要显示试样表面形貌 ，另一类是背反射电子激发出来的，形成像的背 底。当试样表面各处原子序数差别较大时，各处 射出二次电子的量也有明显的差别。原子序数大 的地方射出二次电子多，在图像上亮，而原子序 数小的地方射出二次电子少，图像上就暗。
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引言
1965年 ，作出了第一台商品扫描电镜， 自问世以来，得到了迅速的发展，种类 不断增加，性能日益提高，并且在材料 科学、地质学、生物学、医学、物理学、 化学等领域的应用越来越广泛，为适应 不同分析的要求，扫描电镜上相继安装 了许多专用附件如EDS和WDS，从而使功 能日趋完善，应用越来越广。 。
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工作方式
信号处理示意图
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工作方式
吸收电子 吸收电子是入射电子中一部分与试样作用后 能量损失殆尽，不能再逸出表面的这部分 电子。入射电子束和样品作用后,若逸出表 面的背散射电子和二次电子数量越少,则吸 收电子信号强度越大。若把吸收电子信号 调制成图像,则它的衬度恰好和二次电子或 背散射电子信号调制的图像衬度相反。
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EDS原理简介 EDS原理简介
Auger Electrons Secondary Electrons Backscattered Electrons
Cathodoluminescence
Characteristic x-rays Continuum x-rays Fluorescent x-rays
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扫描电镜的结构
2.信号收集与显示系统
●信号收集，对扫描பைடு நூலகம்镜来说，最重要的待测
信号是二次电子和背反射电子，它们通常用 闪烁体计数测量。信号电子撞击并进入闪烁 体时将引起电离，当离子与自由电子复合时 产生可见光，沿光导管送到光电倍增器进行 放大，输出电流经电流－电压转换和视频放 大器放大，经CRT调制，得到图像。
电子束和试样的相互作用
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EDS原理简介 EDS原理简介
K-Shell
L-Shell
M-Shell
Continuum ChengF
EDS原理简介 EDS原理简介
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试样制备
用于扫描电镜的试样分为两类：一是导电 性良好的试样，一般可以保持原始形状， 不经或稍经清洗，就可放到电镜中观察。 二是不导电的试样，或在真空中有放气， 收缩变形现象的试样，需经过适当处理才 能观察。试样制备过程中需要注意的问题 有：
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试样制备
试样必须是干净的固体（块状，粉末或沉 积物），在真空中能保持稳定。含有水分 的试样需进行脱水处理，并要采取措施防 止试样脱水变形。对木材，催化剂等容易 吸气的多孔试样应在预抽气室适当预抽。 有些试样因表面生锈或被尘埃污染而影响 观察，必须进行适当清洗再观察。粘有油 污的试样，需用丙酮等溶剂仔细清洗。
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工作方式
特征X射线 当入射电子与核外电子作用，产生弹 性散射，电子脱离变成二次电子，使 原子处于较高能量的激发态，外层电 子迅速填充内层电子空位，同时释放 能量，即从原子内部发射出具有一定 能量的X射线。
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工作方式
俄歇电子 在入射电子激发样品的特征X射线过程中, 如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放 出来的能量并不以X射线的形式发射出去, 而是用部分能量把空位层内的另一个电子 发射出去(或使空位层的外层电子发射出去 ),这个被电离出来的电子称为俄歇电子。 带有特征能量的二次电子。
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试样制备
试样尺寸不能太大，必须能放置在试样台 上。一般扫描电镜最大允许尺寸为Φ 25mm ，高20mm。对于金属断口及质量事故中的 一些试样，可以直接放到电镜中观察，尺 寸过大的可以切割，但不要损失被观察面 。
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试样制备
生物试样，因其表面通常附有黏液，组织 液，体内含有水分等，用扫描电镜观察前 ，一般都进行脱水干燥、固定、染色、真 空镀膜等处理。