扫描电子显微镜的原理结构

扫描电子显微镜是由三极电子枪发出的电子束经栅网静电聚焦成为直径为50mm的电光源。在2-30KV的加速电压下，通过2-3个电磁透镜组成的电子光学系统，电子束会聚成小孔径角、5-10mm束斑的电子束，并聚焦在物体表面。样品。扫描线圈安装在最终透镜上，在其作用下，电子束扫描样品表面。高能电子束与样品材料相互作用，产生二次电子、背反射电子和 X 射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收，放大后用于调制荧光屏的亮度。由于通过扫描线圈的电流与显像管相应偏转线圈上的电流同步，因此样品表面任一点发射的信号与显像管荧光屏上相应的亮点一一对应.换句话说，当电子束击中样品上的一个点时，荧光屏上就会有一个与之对应的亮点，其亮度与激发的电子能量成正比。也就是说，扫描电子显微镜采用的是逐点成像的图像分解方法。光斑成像的顺序是从左上到右下，直到最后一行右下的像素都被扫描完，即使完成一帧图像。这种扫描方式称为光栅扫描。
扫描电子显微镜由电子光学系统、信号采集与显示系统、真空系统和电源系统组成。
（下面提到的扫描电子显微镜用SEM代替） 真空系统主要包括真空泵和真空柱。真空柱是密封的圆柱形容器。
真空泵用于在真空塔内产生真空。分为机械泵、油扩散泵和涡轮分子泵三大类。机械泵和油扩散泵的组合可以满足配备钨枪的SEM的真空要求，但对于配备场发射枪或六硼化镧枪的SEM，则需要机械泵和涡轮分子泵的组合。
成像系统和电子束系统均内置于真空柱中。真空柱的底部是右侧所示的密封室，放置样品的地方。
之所以采用真空，主要基于以下两个原因：
电子束系统中的灯丝在普通大气中会很快氧化失效，所以使用SEM时除了真空外，通常还需要用纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。
为了增加电子的平均自由程，使更多的电子用于成像。电子光学系统由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室组成。它的作用是获取扫描电子束用作激发源以产生物理信号。为了获得更高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有更高的亮度和尽可能小的束斑直径。
电子枪
它的作用是利用阴极和阳极灯丝之间的高压产生高能电子束。目前，大多数扫描电子显微镜使用热阴极电子枪。优点是灯丝价格相对便宜，对真空度没有要求。缺点是钨丝热电子发射效率低，发射源直径大。即使经过二级或三级聚光镜，样品表面电子束光斑的直径也在5-7nm，仪器的分辨率是有限的。目前，高级扫描电子显微镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，使二次电子图像的分辨率达到2nm。但是，这种类型的电子枪需要很高的真空度。
电磁透镜
其主要作用是逐渐减小电子枪的束斑。原来直径约 50mm 的束斑缩小到只有几纳米的小束斑。其工作原理与透射电子显微镜中的电磁透镜相同。扫描电子显微镜一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用来缩小电子束光斑的尺寸。第三个聚光镜是焦距较长的弱透镜。将样品置于透镜下方，可以避免磁场对二次电子轨迹的干扰。
扫描线圈
其作用是提供入射到样品表面的电子束和阴极射线管中的电子束在荧光屏上的同步扫描信号。改变入射电子束在样品表面的扫描幅度，以获得所需放大倍数的扫描图像。扫描线圈试图扫描点状晶体的一个重要组成部分。一般放在最后两个镜头之间，有的放在最后一个镜头的空间里。
样品室
样品室的主要部分是样品台。它可以在三维空间中移动，也可以倾斜和旋转。样品台的移动范围一般可达40mm，倾斜范围至少50度左右，旋转360度。样品室中还安装了各种类型的检测器。信号采集效率与相应探测器的放置位置有很大关系。样品台还可配备多种附件，如加热、冷却或拉伸样品台上的样品，进行动态观察。近年来，为了满足破碎物体等大型零件的需求，还开发了可放置125mm以上尺寸的大型样品台。它的作用是检测样品在入射电子的作用下产生的物理信号，然后将视频放大作为成像系统的调制信号。不同的物理信号需要不同类型的检测系统，大致可以是分为三类：电子探测器、应急荧光探测器和X射线探测器。扫描电子显微镜中zui常用的是电子探测器，它由闪烁体、光管和光电倍增管组成。
当信号电子进入闪烁体时，会引起电离；当离子与自由电子复合时，会产生可见光。光子沿光管传输，不被吸收到光电倍增管放大，转换成电流信号输出。电流信号经过视频放大器放大后成为调制信号。该检测系统的特点是在较宽的信号范围内具有与原始信号成正比的输出，具有宽频带（10Hz-1MHz）和高增益（105-106），噪声极小。由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫描的，荧光屏上的亮度根据样品上激发的信号强度进行调制，探测器接收到的信号强度随条件而变化样品表面。然后将信号监测系统输出的抗营养物表面状态的调制信号在图像显示和记录系统中转换成与样品表面特征一致的放大扫描图像。