材料測試與分析技術(shù)-81-掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能課件

第八章掃描電子顯微分析8.1掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能8.2掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用8.3波譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理8.4能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理8.5電子探針分析方法及微區(qū)成分分析技術(shù)第八章掃描電子顯微分析8.1掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能引言引言材料測試與分析技術(shù)-81-掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能課件8.1掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能8.1掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能8.1.1基本原理由最上邊電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)柵極聚焦后，在加速電壓作用下，經(jīng)過二至三個電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會聚成一個細(xì)的電子束聚焦在樣品表面。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。由于高能電子束與樣品物質(zhì)的交互作用，結(jié)果產(chǎn)生了各種信息：二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和透射電子等。8.1.1基本原理由最上邊電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)柵極聚這些信號被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上，調(diào)制顯像管的亮度。由于經(jīng)過掃描線圈上的電流是與顯像管相應(yīng)的亮度一一對應(yīng)，也就是說，電子束打到樣品上一點時，在顯像管熒光屏上就出現(xiàn)一個亮點。掃描電鏡就是這樣采用逐點成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序、成比例地轉(zhuǎn)換為視頻傳號，完成一幀圖像，從而可在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。這些信號被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上，調(diào)制8.1.2掃描電鏡的結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號收集及顯示系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成。8.1.2掃描電鏡的結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號1）電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡、光闌和樣品室等部件組成。作用：用來獲得掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號的激發(fā)源。為獲得較高的信號強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。1）電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡、光闌和樣品室(1)電子槍（electrongun）

作用：利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。掃描電子顯微鏡電子槍與透射電子顯微鏡的電子槍相似，只是加速電壓比透射電子顯微鏡的低。(1)電子槍（electrongun）作用：利用陰極與陽(2)電磁透鏡（electromagneticlens）作用：把電子槍的束斑逐漸聚焦縮小，使原來直徑約50m的束斑縮小成一個只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。掃描電子顯微鏡一般由三個聚光鏡，前兩個聚光鏡是強(qiáng)透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個聚光鏡是弱透鏡，具有較長的焦距，該透鏡下方放置祥品，為避免磁場對二次電子軌跡的干擾，該透鏡采用上下極靴不同且孔徑不對稱的特殊結(jié)構(gòu)，這樣可以大大減小下極靴的圓孔直徑，從而減小了試樣表面的磁場強(qiáng)度。(2)電磁透鏡（electromagneticlens）(3)掃描線圈（scanningsectioncoil）作用：提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號。掃描線圈是掃描電子顯微鏡的一個重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級透鏡的空間內(nèi)，使電子束進(jìn)入末級透鏡強(qiáng)磁場區(qū)前就發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為保證方向一致的電子束都能通過末級透鏡的中心射到樣品表面；掃描電子顯微鏡采用雙偏轉(zhuǎn)掃描線圈。(3)掃描線圈（scanningsectioncoil）當(dāng)電子束進(jìn)入上偏轉(zhuǎn)線圈時，方向發(fā)生轉(zhuǎn)折，隨后又由下偏轉(zhuǎn)線圈使它的方向發(fā)生第二次轉(zhuǎn)折。在電子束偏轉(zhuǎn)的同時還進(jìn)行逐行掃描，電子束在上下偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，掃描出一個長方形，相應(yīng)地在樣品上畫出一幀比例圖像。若電子束經(jīng)上偏轉(zhuǎn)線圈轉(zhuǎn)折后未經(jīng)下偏轉(zhuǎn)線圈改變方向，而直接由末級透鏡折射到入射點位置，這種掃描方式稱為角光柵掃描或搖擺掃描。當(dāng)電子束進(jìn)入上偏轉(zhuǎn)線圈時，方向發(fā)生轉(zhuǎn)折，隨后又由下偏轉(zhuǎn)線圈使(4)樣品室（samplechamber）掃描電子顯微鏡的樣品室空間較大，一般可放置20×10mm的塊狀樣品。為適應(yīng)斷口實物等大零件的需要，近年來還開發(fā)了可放置尺寸在125mm以上的大樣品臺。觀察時，樣品臺可根據(jù)需要沿X、Y及Z三個方向平移，在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)或沿水平軸傾斜。(4)樣品室（samplechamber）掃描電子顯微鏡樣品室內(nèi)除放置樣品外，還安置各種信號檢測器。信號的收集效率和相應(yīng)檢測器的安放位置有很大關(guān)系，如果安置不當(dāng)，則有可能收不到信號或收到的信號很弱，從而影響分析精度，新型掃描電子顯微鏡的樣品室內(nèi)還配有多種附件，可使樣品在樣品臺上能進(jìn)行加熱、冷卻、拉伸等試驗，以便研究材料的動態(tài)組織及性能。樣品室內(nèi)除放置樣品外，還安置各種信號檢測器。(4)樣品室（samplechamber）(4)樣品室（samplechamber）2）信號收集和顯示系統(tǒng)信號收集和顯示系統(tǒng)包括各種信號檢測器、前置放大器和顯示裝置。作用：檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后經(jīng)視頻放大，作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號，最后在熒光屏上得到反映樣品表面特征的掃描圖像。2）信號收集和顯示系統(tǒng)信號收集和顯示系統(tǒng)包括各種信號檢測器、檢測二次電子、背散射電子和透射電子信號時可以用閃爍計數(shù)器來進(jìn)行檢測，隨檢測信號不同，閃爍計數(shù)器的安裝位置不同。閃爍計數(shù)器由閃爍體、光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。當(dāng)信號電子進(jìn)入閃爍體時，產(chǎn)生出光子，光子將沿著沒有吸收的光導(dǎo)管傳送到光電倍增器進(jìn)行放大，后又轉(zhuǎn)化成電流信號輸出，電流信號經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號。檢測二次電子、背散射電子和透射電子信號時可以用閃爍計數(shù)器來進(jìn)由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強(qiáng)度來調(diào)制的，而由檢測器接收的信號強(qiáng)度隨樣品表面狀態(tài)不同而變化，從而，由信號檢測系統(tǒng)輸出的反映樣品表面狀態(tài)特征的調(diào)制信號在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉(zhuǎn)換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮3）真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，一般情況下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路所組成，其作用是提供掃描電子顯微鏡各部分所需要的電源。3）真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常8.1.3掃描電鏡的主要功能放大倍數(shù)（magnification）分辨率（resolution）景深（depthoffield/depthoffocus）8.1.3掃描電鏡的主要功能放大倍數(shù)（magnificat1）放大倍數(shù)（magnification）當(dāng)入射電子束作光柵掃描時，若電子束在樣品表面掃描的幅度為AS，在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度為AC，則掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)為：由于掃描電子顯微鏡的熒光屏尺寸AC是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過改變電子束在試樣表面的掃描幅度AS來實現(xiàn)的。1）放大倍數(shù)（magnification）當(dāng)入射電子束作光柵2）分辨率（resolution）分辨率是掃描電子顯微鏡主要性能指標(biāo)。對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點之間的最小距離。這兩者主要取決于入射電子束直徑，電子束直徑愈小，分辨率愈高。但分辨率并不直接等于電子束直徑。在高能入射電子作用下，試樣表面激發(fā)產(chǎn)生各種物理信號，用來調(diào)制熒光屏亮度的信號不同，則分辨率就不同。2）分辨率（resolution）分辨率是掃描電子顯微鏡主掃描電鏡的分辨率取決于：掃描電子束的束斑直徑：束斑直徑越小，分辨率越高。入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)：與樣品原子序數(shù)有關(guān)，輕元素樣品，梨形作用體積；重元素樣品，半球形作用體積。入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)：3）操作方式及所用的調(diào)制信號：俄歇電子和二次電子因其本身能量較低以及平均自由程很短，只能在樣品的淺層表面內(nèi)逸出。入射電子束進(jìn)入淺層表面時，尚未向橫向擴(kuò)展開來，可以認(rèn)為在樣品上方檢測到的俄歇電子和二次電子主要來自直徑與掃描束斑相當(dāng)?shù)膱A柱體內(nèi)。3）操作方式及所用的調(diào)制信號：入射電子進(jìn)入樣品較深部位時，已經(jīng)有了相當(dāng)寬度的橫向擴(kuò)展，從這個范圍中激發(fā)出來的背散射電子能量較高，它們可以從樣品的較探部位處彈射出表面，橫向擴(kuò)展后的作用體積大小就是背散射電子的成像單元，所以，背散射電子像分辨率要比二次電子像低，一般為500-2000?。入射電子進(jìn)入樣品較深部位時，已經(jīng)有了相當(dāng)寬度的橫向擴(kuò)展，從這分辨率還受信噪比、雜散磁場、機(jī)械振動等因素影響。噪音干擾造成圖像模糊；磁場的存在改變了二次電子運動軌跡，降低圖像質(zhì)量；機(jī)械振動引起電子束斑漂移，這些因素的影響都降低

了圖像分辨率。分辨率還受信噪比、雜散磁場、機(jī)械振動等因素影響。3）景深（depthoffield/depthoffocus）景深是指透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力范圍，這個范圍用一段距離來表示。如圖所示，為電子束孔徑角。電子束孔徑角是控制掃描電子顯微鏡景深的主要因素。掃描電鏡角很小(約10-3rad)，所以它的景深很大。它比一般光學(xué)顯微鏡景深大100-500倍，比透射電子顯微鏡的景深大10倍。3）景深（depthoffield/depthof第八章掃描電子顯微分析8.1掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能8.2掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用8.3波譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理8.4能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理8.5電子探針分析方法及微區(qū)成分分析技術(shù)第八章掃描電子顯微分析8.1掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能引言引言材料測試與分析技術(shù)-81-掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能課件8.1掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能8.1掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能8.1.1基本原理由最上邊電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)柵極聚焦后，在加速電壓作用下，經(jīng)過二至三個電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會聚成一個細(xì)的電子束聚焦在樣品表面。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。由于高能電子束與樣品物質(zhì)的交互作用，結(jié)果產(chǎn)生了各種信息：二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和透射電子等。8.1.1基本原理由最上邊電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)柵極聚這些信號被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上，調(diào)制顯像管的亮度。由于經(jīng)過掃描線圈上的電流是與顯像管相應(yīng)的亮度一一對應(yīng)，也就是說，電子束打到樣品上一點時，在顯像管熒光屏上就出現(xiàn)一個亮點。掃描電鏡就是這樣采用逐點成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序、成比例地轉(zhuǎn)換為視頻傳號，完成一幀圖像，從而可在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。這些信號被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上，調(diào)制8.1.2掃描電鏡的結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號收集及顯示系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成。8.1.2掃描電鏡的結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號1）電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡、光闌和樣品室等部件組成。作用：用來獲得掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號的激發(fā)源。為獲得較高的信號強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。1）電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡、光闌和樣品室(1)電子槍（electrongun）

作用：利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。掃描電子顯微鏡電子槍與透射電子顯微鏡的電子槍相似，只是加速電壓比透射電子顯微鏡的低。(1)電子槍（electrongun）作用：利用陰極與陽(2)電磁透鏡（electromagneticlens）作用：把電子槍的束斑逐漸聚焦縮小，使原來直徑約50m的束斑縮小成一個只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。掃描電子顯微鏡一般由三個聚光鏡，前兩個聚光鏡是強(qiáng)透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個聚光鏡是弱透鏡，具有較長的焦距，該透鏡下方放置祥品，為避免磁場對二次電子軌跡的干擾，該透鏡采用上下極靴不同且孔徑不對稱的特殊結(jié)構(gòu)，這樣可以大大減小下極靴的圓孔直徑，從而減小了試樣表面的磁場強(qiáng)度。(2)電磁透鏡（electromagneticlens）(3)掃描線圈（scanningsectioncoil）作用：提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號。掃描線圈是掃描電子顯微鏡的一個重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級透鏡的空間內(nèi)，使電子束進(jìn)入末級透鏡強(qiáng)磁場區(qū)前就發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為保證方向一致的電子束都能通過末級透鏡的中心射到樣品表面；掃描電子顯微鏡采用雙偏轉(zhuǎn)掃描線圈。(3)掃描線圈（scanningsectioncoil）當(dāng)電子束進(jìn)入上偏轉(zhuǎn)線圈時，方向發(fā)生轉(zhuǎn)折，隨后又由下偏轉(zhuǎn)線圈使它的方向發(fā)生第二次轉(zhuǎn)折。在電子束偏轉(zhuǎn)的同時還進(jìn)行逐行掃描，電子束在上下偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，掃描出一個長方形，相應(yīng)地在樣品上畫出一幀比例圖像。若電子束經(jīng)上偏轉(zhuǎn)線圈轉(zhuǎn)折后未經(jīng)下偏轉(zhuǎn)線圈改變方向，而直接由末級透鏡折射到入射點位置，這種掃描方式稱為角光柵掃描或搖擺掃描。當(dāng)電子束進(jìn)入上偏轉(zhuǎn)線圈時，方向發(fā)生轉(zhuǎn)折，隨后又由下偏轉(zhuǎn)線圈使(4)樣品室（samplechamber）掃描電子顯微鏡的樣品室空間較大，一般可放置20×10mm的塊狀樣品。為適應(yīng)斷口實物等大零件的需要，近年來還開發(fā)了可放置尺寸在125mm以上的大樣品臺。觀察時，樣品臺可根據(jù)需要沿X、Y及Z三個方向平移，在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)或沿水平軸傾斜。(4)樣品室（samplechamber）掃描電子顯微鏡樣品室內(nèi)除放置樣品外，還安置各種信號檢測器。信號的收集效率和相應(yīng)檢測器的安放位置有很大關(guān)系，如果安置不當(dāng)，則有可能收不到信號或收到的信號很弱，從而影響分析精度，新型掃描電子顯微鏡的樣品室內(nèi)還配有多種附件，可使樣品在樣品臺上能進(jìn)行加熱、冷卻、拉伸等試驗，以便研究材料的動態(tài)組織及性能。樣品室內(nèi)除放置樣品外，還安置各種信號檢測器。(4)樣品室（samplechamber）(4)樣品室（samplechamber）2）信號收集和顯示系統(tǒng)信號收集和顯示系統(tǒng)包括各種信號檢測器、前置放大器和顯示裝置。作用：檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后經(jīng)視頻放大，作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號，最后在熒光屏上得到反映樣品表面特征的掃描圖像。2）信號收集和顯示系統(tǒng)信號收集和顯示系統(tǒng)包括各種信號檢測器、檢測二次電子、背散射電子和透射電子信號時可以用閃爍計數(shù)器來進(jìn)行檢測，隨檢測信號不同，閃爍計數(shù)器的安裝位置不同。閃爍計數(shù)器由閃爍體、光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。當(dāng)信號電子進(jìn)入閃爍體時，產(chǎn)生出光子，光子將沿著沒有吸收的光導(dǎo)管傳送到光電倍增器進(jìn)行放大，后又轉(zhuǎn)化成電流信號輸出，電流信號經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號。檢測二次電子、背散射電子和透射電子信號時可以用閃爍計數(shù)器來進(jìn)由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強(qiáng)度來調(diào)制的，而由檢測器接收的信號強(qiáng)度隨樣品表面狀態(tài)不同而變化，從而，由信號檢測系統(tǒng)輸出的反映樣品表面狀態(tài)特征的調(diào)制信號在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉(zhuǎn)換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮3）真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，一般情況下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路所組成，其作用是提供掃描電子顯微鏡各部分所需要的電源。3）真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常8.1.3掃描電鏡的主要功能放大倍數(shù)（magnification）分辨率（resolution）景深（depthoffield/depthoffocus）8.1.3掃描電鏡的主要功能放大倍數(shù)（magnificat1）放大倍數(shù)（magnification）當(dāng)入射電子束作光柵掃描時，若電子束在樣品表面掃描的幅度為AS，在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度為AC，則掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)為：由于掃描電子顯微鏡的熒光屏尺寸AC是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過改變電子束在試樣表面的掃描幅度AS來實現(xiàn)的。1）放大倍數(shù)（magnification）當(dāng)入射電子束作光柵2）分辨率（resolution）分辨率是掃描電子顯微鏡主要性能指標(biāo)。對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點之間的最小距離。這兩者主要取決于入射電子束直徑，電子束直徑愈小，分辨率愈高。但分辨率并不直接等于電子束直徑。在高能入射電子作用下，試樣表面激發(fā)產(chǎn)生各種物理信號，用來調(diào)制熒光屏亮度的信號不同，則分