扫描电子显微镜的原理及应用

扫描电子显微镜的结构原理和功能用途

扫描电镜简介

电子源发射的电子束经过电磁透镜的电子光学通路聚焦，电子源的直径被缩小到纳米尺度的

电子束斑，与显示器扫描同步的电子光学镜筒中的扫描线圈控制电子束，在样品表面一定微

小区域内，逐点逐行扫描。电子束与样品相互作用，从样品中发射的具有成像反差的信号，

由一个适当的图像探测器逐点收集，并将信号经过前置放大器和视频放大器,用调制解调电

路调制显示器上相对应显示像素的亮度，形成我们人类观察习惯的，反映样品二维形貌的图

像或者其他可以理解的反差机制图像。由于图像显示器的像素尺寸远远大于电子束斑尺寸，

（0.1mm/1nm=100,000倍）而且显示器的像素尺寸小于等于人类肉眼通常的分辨率，这样显

示器上的图像相当于把样品上相应的微小区域进行了放大。通过调节扫描线圈偏转磁场，可

以控制电子束在样品表面扫描区域的大小，理论上扫描区域可以无限小，但可以显示的图像

有效放大倍数的限度是扫描电镜分辨率的限度。

模拟图像扫描系统：样品上每个像素模拟信号直接调制阴极射线管对应显示像素的亮度，由

于生成一幅高质量图像一般需要数秒或者数十秒/帧，所以模拟电镜使用慢余辉显像管终端

显示一幅活图像，为了便于在显像管上观察图像，需要暗室，操作者可按照一定规程调整仪

器参数，如图像聚焦，移动样品台搜索感兴趣区域，调节放大倍数，亮度对比度，消象散等

从而获得最佳的图像质量。模拟图像输出采用高分辨照相管，用单反相机直接逐点记录在胶

片上，然后冲洗相片。自1985年以来，模拟图像电镜已经被数字电镜取代。

数字图像扫描系统：样品上每个像素发出的成像信号，被图像探测器探测器后，经过前置放

大器，和视频放大器放大，直接进行信号数字化，然后存储在图像采集卡的帧存器，形成数

字图像数据，图像数据可被电镜操作软件读取，操作者在图形交互界面（GUI)上对图像进行

调整控制，并把调整好的数字图像存储在计算机中硬盘中。

模拟控制是控制信号不经过计算机软件,直接由操作台按键旋钮等对执行机构进行控制,属

扫描电子显微镜

扫描电子显微镜是一种强大的工具，它可以帮助科学家观察到物质的更小的细节和结构。本文将介绍扫描电子显微镜的原理、应用、发展历程以及未来发展趋势。

原理

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）是一种利用扫描电子束与物体相互作用而获得形貌和微区组织信息的显微分析仪器。扫描电子显微镜的工作原理是，将高能电子轰击样品表面，使其表面电子被激发，发射出大量的二次电子。这些二次电子被探测器接收并转换成负电荷信号，在特定条件下被扫描成像。

应用

扫描电子显微镜广泛应用于多个领域，包括材料科学、生命科学、化学和地质学等。以下是该技术在这些领域中的应用：

• 材料科学：用于获取材料的形貌、结构以及表面性质等信息。

• 生命科学：用于观察细胞、细胞器、细胞表面的超微结构和蛋白质等生物分子的形态和结构。

• 化学：用于观察化学反应过程表面形貌、结构的变化以及材料结构的演化过程等。

• 地质学：用于研究各种矿物、岩石和地层等，以了解地质演化过程。

发展历程

1950年，发明了透射式电子显微镜，但它只能用于真空环境下的样品。1956年，Helmut Ruska和Max Knoll发明了扫描电子显微镜。该技术能够在空气中观察样品，并获得更高的象素分辨率。1965年， Hitachi公司普及了第一台商用扫描电子显微镜S-800。自此以后，扫描电子显微镜技术得到了快速的发展。

未来发展趋势

随着技术的发展，扫描电子显微镜的应用场景不断扩大。今后，该技术将越来越多地应用于纳米材料和微细加工领域。同时，随着计算机技术的发展，扫描电子显微镜将会实现更高的自动化和智能化，成为更加强大的工具。

结论

扫描电子显微镜是一款横跨多个领域应用的重要科学工具，其在材料科学、生命科学、化学和地质学等领域均有广泛的应用。虽然该技术已经发展多年，但随着技术和计算机技术的不断进步，扫描电子显微镜将会越来越强大，为人们探索科学世界提供更加强大的支持。

扫描电镜的基本原理和应用的国标

1. 扫描电镜的基本原理

扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种使用电子束来观察样品表面形貌的仪器。其基本原理如下：

• 电子源：扫描电镜使用热阴极或场发射枪产生高能电子束。这些电子经过加速和聚焦，形成高能电子的束流。

• 扫描线圈：扫描线圈控制电子束的位置，并负责将电子束扫描在样品上。电子束从一边开始扫描，逐行覆盖整个样品表面。

• 样品台：样品台是安放样品的平台，它可通过电动装置在水平以及垂直方向上移动，以便对样品进行调整。

• 检测器：当电子束照射到样品表面时，该区域将会发射出不同的信号，检测器用于接收并测量这些信号。常用的检测器包括二次电子检测器（SE），反射电子检测器（BSE）等。

• 图像处理系统：扫描电镜能够通过图像处理系统显示样品表面的形貌和微观结构。图像处理系统可以调节对比度、亮度等参数，以获得更清晰的图像。

2. 扫描电镜的应用的国标

扫描电镜被广泛应用于材料科学、生物科学、地质学等领域。以下是一些与扫描电镜应用相关的国标：

• GB/T 20112-2006 扫描电子显微镜技术术语和定义：该国标定义了扫描电子显微镜中使用的术语和定义。它包括了电子源、扫描线圈、检测器等组成部分的定义，为扫描电镜的使用提供了统一的术语标准。

• GB/T 21306-2008 金属和合金中显微组织的测量信息的表达：该国标规定了使用扫描电子显微镜观察金属和合金显微组织时所需的信息表达方法。它定义了显微组织的分类、测量参数的计算方法等内容，为金属和合金显微组织的表征提供了规范。

• GB/T 26354-2010 扫描电子显微镜橡胶纳米复合材料分析方法：该国标规定了使用扫描电子显微镜分析橡胶纳米复合材料的方法。包括样品的制备、参数的设定和分析步骤等内容，为橡胶纳米复合材料的研究提供了规范。

• GB/T 17661.1-2017 粉尘爆炸危险性试验方法 第1部分：确定粉尘爆炸特性的方法：该国标规定了使用扫描电子显微镜检测粉尘的方法。该方法主要用于测定粉尘的颗粒形状和大小等特性，为粉尘爆炸危险性的评估提供了依据。

扫描电子显微镜的原理及应用

0929101班 1092910107 张伟杰 扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的人射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外线区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动(声子)、电子振荡 (等离子体)。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息;对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。 扫描电子显微镜的原理：

SEM的工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次

级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探

测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号

来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，

反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要

喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。

光学显微镜、TEM、SEM成像原理比较 扫描电子显微镜的组成：

1、真空系统

真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空柱是一个密封的柱形容器。真空泵

用来在真空柱内产生真空。有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油

扩散泵的组合可以满足配置钨枪的SEM的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼

化镧枪的SEM,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。成象系统和电子束系统均内置在真

空柱中。真空柱底端即为右图所示的密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要