材料研究方法B课件：第3章 扫描电子显微镜的结构与工作原理（第一章）.ppt

1、中国地质大学中国地质大学( (武汉武汉) )材化材化学院学院The Faculty of Material Science & Chemistry ,China University of Geosciences2第二章 电子束与物质作用产生的信号第三章 扫描电子显微镜的结构及工作原理 第四章 扫描电子显微镜的操作与应用主要内容第一章 电子光学基础第三章第三章 扫描电子显微镜的结构与工作原理扫描电子显微镜的结构与工作原理3镜筒 (电子光学系统)显示和控制系统机柜(电路板、真空系统）探测器系统样品室4结构结构组成：组成：电子光学系统，电子光学系统，信号收集处理系统信号收集处理系统图像显示和记录系

2、统图像显示和记录系统真空系统及电源供给真空系统及电源供给 各各部部分分的的功功能能及及工工作作原原理理1 1、电子光学系统、电子光学系统功能：产生具有一定能量、强度和直径的电子束，功能：产生具有一定能量、强度和直径的电子束，并将其照射到样品表面上。并将其照射到样品表面上。组成：电子枪、电磁透镜、扫描线圈、消像散器、组成：电子枪、电磁透镜、扫描线圈、消像散器、样品室和有关电源组成。样品室和有关电源组成。56(1)(1)电子枪电子枪作用：产生连续不断的稳定的电子流。作用：产生连续不断的稳定的电子流。 类型类型 参数参数热电子发射热电子发射场发射场发射发叉式钨丝发叉式钨丝六硼化镧六硼化镧亮度（亮度（

3、A/cmA/cmsrsr） 10105 510106 610109 9光源大小（光源大小（m m）202010105-105-10寿命（寿命（h h）40-10040-1001000100010001000工作温度（工作温度（K K）260026001800-19001800-1900加热器温度加热器温度真空度（真空度（mmHgmmHg）1010-5-51010-6-61010-9-91010-10-10发射电流（发射电流（A A）1001002502505-205-20能量范围（能量范围（eVeV）3-43-42-32-30.20.2熔点（熔点（）3370337022002200337033

4、70仪器分辨率（仪器分辨率（）606035351010三种电子枪的性能比较三种电子枪的性能比较（2 2）电磁透镜）电磁透镜作用作用: :把电子枪的束斑逐渐缩小，使原来直径约为50m的束斑聚焦成一个只有数nm的细小束斑。工作原理：工作原理：电磁聚焦。三组透镜：三组透镜：前两个为强磁透镜，用来缩小电子束光斑直径。第三个是弱磁透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹的干扰。78电磁透镜工作原理电磁透镜工作原理样样 品品缩小了缩小了M1M1倍倍缩小了缩小了M2M2倍倍缩小了缩小了M3M3倍倍电子枪交叉斑电子枪交叉斑“物物”第一聚光镜第一聚光镜一次像（交叉斑）一次像（交叉斑）第

5、二聚光镜第二聚光镜二次像（交叉斑）二次像（交叉斑）三次像（束斑）三次像（束斑）物镜物镜（3 3）消像散器）消像散器当电子光学系统的磁场或电场的轴对称性被破当电子光学系统的磁场或电场的轴对称性被破坏时，原来应该是圆的交叉点像变为细长的坏时，原来应该是圆的交叉点像变为细长的, ,荧光荧光屏上的图像好像流水一样，向一个方向模糊。屏上的图像好像流水一样，向一个方向模糊。像散使图像模糊或重影，它直接影响仪器的分像散使图像模糊或重影，它直接影响仪器的分辨率。辨率。9NSSNFFFFe e10（4）扫描线圈 通过双偏转扫描线圈的作用，使电子束在试样表面和荧光屏上实现同步水平（行扫）和同步垂直（帧扫）二维扫描

6、。11扫描系统示意图扫描系统示意图偏转线圈偏转线圈（上层）（上层）偏转线圈偏转线圈（下层）（下层）偏转中心偏转中心像散校正线圈像散校正线圈试样试样入射电子束入射电子束会聚透镜会聚透镜y y2 2y y2 2y y1 1X X2 2X X1 1X X1 1X X2 2y y1 1 扫描速度可通过改变扫描线圈电源的锯齿波电流周期实现。 快速扫描：快速扫描：0.02s、0.5s等，多用于寻找视场，5s、10s ，用于一般观察， 慢速扫描：慢速扫描：40-50s，用于扫描图像采集。 放大倍数调节：放大倍数调节：改变锯齿波振幅（电流量）。12（4 4）样品室）样品室样品室中主要部件是样品台：移动，050

7、倾斜，360 转动。 13 样品室中还安置各种信号检测器。 样品台还可以带有多种附件，如加热，冷却或拉伸，可进行动态观察。2 2、信号检测、收集和图像显示系统、信号检测、收集和图像显示系统（1 1）信号检测器）信号检测器二次电子检测器，二次电子检测器，背散射电子检测器背散射电子检测器X X射线检测器。射线检测器。 1415二次电子检测器及检测原理示意图二次电子检测器及检测原理示意图a.a.二次电子检测器二次电子检测器16b.b.背散射电子检测器背散射电子检测器在扫描电子显微镜中，通常背散射电子与二在扫描电子显微镜中，通常背散射电子与二次电子通用一个检测器，一般通过改变检测器电次电子通用一个检测

8、器，一般通过改变检测器电压实现，即将二次电子收集极电压改为负的压实现，即将二次电子收集极电压改为负的250V250V左右，以阻挡二次电子进入检测器，接收左右，以阻挡二次电子进入检测器，接收背散射电子。背散射电子。获得背散射电子图像。获得背散射电子图像。17c. c. 特征特征X X射线检测器射线检测器 能量色散谱仪（简称能谱仪能量色散谱仪（简称能谱仪EDSEDS）样品样品主放大器主放大器电子束电子束X X射线射线SiSi（LiLi）场效应晶体管场效应晶体管前置放大器前置放大器多道脉冲多道脉冲分析器分析器CRTCRT电传打字机电传打字机记录器记录器液液 氮氮BeBe窗窗偏压电源偏压电源能谱仪框图

9、能量为数千电子伏特的入射电子束照射到样品上，激发出特征X射线，通过Be窗直接照射到Si(Li)半导体检测器上，使Si原子电离并产生大量电子-空穴对，其数量与X射线能量成正比。18能谱仪的检测原理能谱仪的检测原理产生一个空穴对的最低平均能量为 则由一个X射线光子造成的电子空穴对的数目为:N=E/入射X射线光子的能量越高，N就越大。不同元素发射不同能量的X射线，不同能量的X射线将产生不同的电子空穴对数。如：Fe的K辐射可产生1685个电子空穴对，而Cu为2110个。 通过通过对对Si(Li)Si(Li)检测器检测器加偏压（一般为加偏压（一般为-500-500-1000V)-1000V)，可分离，可

10、分离收集收集电子空穴对电子空穴对，并用场效应管前置放大器将其转换成，并用场效应管前置放大器将其转换成电流脉冲电流脉冲。再由主放大器转换成再由主放大器转换成电压脉冲电压脉冲，然后送到，然后送到多道脉冲分析器多道脉冲分析器。 例如对例如对FeFe的的KK来说，来说，V=0.27mVV=0.27mV，对，对CuCu的的KK，V=0.34mVV=0.34mV。 即不同元素产生的脉冲高度不一样。即不同元素产生的脉冲高度不一样。 多道脉冲高度分析器中的数模转换器首先把脉冲信号转换成多道脉冲高度分析器中的数模转换器首先把脉冲信号转换成数字信号数字信号，建立起电压脉冲幅值与道址的对应关系建立起电压脉冲幅值与道

11、址的对应关系（道址号与（道址号与X X光子能量间存在对应关系）。光子能量间存在对应关系）。 电压脉冲高度越高，道址号越高。电压脉冲高度越高，道址号越高。19 常用的常用的X X射线能量范围在射线能量范围在0.2-20.48keV0.2-20.48keV。 如果总道址数为如果总道址数为10241024，那么每个道址对应的能量范围是，那么每个道址对应的能量范围是20eV20eV。 X X光子（射线）能量低的对应道址号小，高的对应道址号光子（射线）能量低的对应道址号小，高的对应道址号大。根据不同道址上记录的大。根据不同道址上记录的X X射线的数目，就可以确定各种元射线的数目，就可以确定各种元素的素的X X射线强度。射线强度。 然后，在然后，在X-YX-Y记录仪或阴极射线管上把脉冲数与脉冲高度曲记录仪或阴极射线管上把脉冲数与脉冲高度曲线显示出来，这就是线显示出来，这就是X X射线的能谱曲线。射线的能谱曲线。20（2 2）图像显示和记录系统）图像显示和记录系统样品表面和荧光屏上同步扫描亮度、对比度、放大倍数调节照相和图像数字输出213 3、电源系统和真空系统、电源系统和真空系统 电源系统：电源系统：提供扫描电镜各部分所需的电能。 真空系统：真空系统：采用不同的电子枪的扫描电子显微镜对真空度的要求不同。2223扫描电子显微镜的成像原理