扫描电镜（SEM）是一种大型仪器，是机械，光学，电子，热学，材料科学和真空技术等多学科的综合应用。那么它的工作原理和主要结构是什么呢？

一、工作原理

扫描电镜从电子枪发射电子束（直径约50μm），并在加速电压下由磁透镜系统集中，形成直径为5nm的电子束，聚焦在表面上在二聚光镜和物镜之间偏转样品。在线圈的作用下，电子束在样品上进行光栅扫描，电子和样品相互作用产生信号电子。这些信号电子被探测器收集并转换成光子，然后由电信号放大器放大，至后在显示系统上成像。

样品可以是块状或粉末状的形式，并且成像信号可以是二次电子，背向散射电子或吸收的电子。其中，二次电子是至重要的成像信号。电子枪发射的电子为5至35keV，交叉点用作电子源。二次电子束和物镜被还原以形成具有一定能量，一定光束强度和束斑直径的精细电子束，其由扫描线圈驱动。

以一定的时间和空间顺序在样品的表面上执行网格型扫描。聚焦电子束与样品相互作用以产生二次电子发射（和其他物理信号），二次电子发射量随样品的表面形貌而变化。二次电子信号被探测器采集并转换成电信号，并通过视频放大并输入到显像管的栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管的亮度，得到二次电子反应样品表面形貌的图像。

二、主要结构

扫描电镜的结构包括电光系统，信号采集器，图像显示和记录系统，以及真空系统。

⒈电光系统

该部分主要由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室组成。电子枪提供稳定的电子源以形成电子束。通常，使用钨丝阴极电子枪，其用直径约0.1mm的钨丝弯曲成发夹形状，以形成半径约为100μm的V形端。当灯丝电流通过时，灯丝被加热，并且在达到工作温度之后，发射电子，并且在阴极和阳极之间施加高电压，并且这些电子朝向阳极加速以形成电子束。

在高压电场的作用下，电子束通过阳极轴孔加速进入电磁透镜系统。该系统由聚光镜和物镜组成。它的作用是依靠透镜的电磁场与运动电子相互作用来聚焦电子束，并将电子枪发射的电子束从10到50纳米压缩到5-20纳米，这大约相当于1/10000。聚光镜改变入射在样品上的束电流的大小，并且物镜确定束斑的直径。

电光系统中存在的球面像差，色差，像散等都会影响至终图像的质量。球面像差的产生使得电子远离光轴轨迹移动得比近轴电子更强烈。要克服的方法是在电子光学系统的光轴上增加一个三级固定光阑，以阻挡发散的电子束。隔膜通常由钼片制成，厚度为0.05mm。物镜像散装置提供与物镜磁场的对比。校正磁场，使物镜至终形成对称的磁场，产生一束精细聚焦的电子束。

⒉扫描系统

扫描系统主要包括扫描发生器，扫描线圈和放大转换器。扫描发生器由X扫描发生器和Y扫描发生器组成，产生的不同频率的锯齿信号同步发送到扫描线圈和镜筒中的显示器。在系统CRT的扫描线圈上。镜筒的扫描线圈分为上下双偏转扫描装置，其功能是使电子束正好落在物镜光瞳的中心，并对样品进行光栅扫描。

扫描模式分为点扫描，线扫描，区域扫描和Y调制扫描。通过改变电子束的偏转角度来调节SEM图像的放大率。放大率等于CRT区域与样品上电子束扫描区域的比率，并且减小样品上扫描的区域以增加放大率。由电子束扫描在样品上的区域由扫描线圈产生的激励磁场控制，并且可以连续调节，因此可以连续调节扫描电镜的放大率。

除了放置在样品室中的样品之外，还放置信号检测器。不同信号的集合与相应检测器的位置有很大关系。如果放置不当，可能无法接收信号或接收信号较弱，影响分析精度。样品台本身是一个复杂而精密的组件，可以容纳一定大小的样品，并允许样品平移，倾斜和旋转，以便在样品的每个特定位置进行各种分析。新型扫描电镜的样品室实际上是一个微型实验室，配有各种附件，可以对样品进行加热，冷却，并在样品台上进行机械性能测试（如拉伸和疲劳）。

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