掃描電子顯微鏡的工作原理

　　(SEM)掃描電子顯微鏡的設(shè)計(jì)思想和工作原理，早在1935年便已被提出來了。1942年，英國首先制成一臺實(shí)驗(yàn)室用的掃描電鏡，但由于成像的分辨率很差，照相時(shí)間太長，所以實(shí)用價(jià)值不大。經(jīng)過各國科學(xué)工作者的努力，尤其是隨著電子工業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，到1956年開始生產(chǎn)商品掃描電鏡。近數(shù)十年來，掃描電鏡已廣泛地應(yīng)用在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、冶金學(xué)等學(xué)科的領(lǐng)域中，促進(jìn)了各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

　　一.掃描電鏡的特點(diǎn)

　　和光學(xué)顯微鏡及透射電鏡相比，掃描電鏡具有以下特點(diǎn)：

　　(一)能夠直接觀察樣品表面的結(jié)構(gòu)，樣品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。

　　(二)樣品制備過程簡單，不用切成薄片。

　　(三)樣品可以在樣品室中作三度空間的平移和旋轉(zhuǎn)，因此，可以從各種角度對樣品進(jìn)行觀察。

　　(四)景深大，圖象富有立體感。掃描電鏡的景深較光學(xué)顯微鏡大幾百倍，比透射電鏡大幾十倍。

　　(五)圖象的放大范圍廣，分辨率也比較高�？煞糯笫畮妆兜綆资�萬倍，它基本上包括了從放大鏡、光學(xué)顯微鏡直到透射電鏡的放大范圍。分辨率介于光學(xué)顯微鏡與透射電鏡之間，可達(dá)3nm。

　　(六)電子束對樣品的損傷與污染程度較小。

　　(七)在觀察形貌的同時(shí)，還可利用從樣品發(fā)出的其他信號作微區(qū)成分分析。

　　二.掃描電鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　(一)結(jié)構(gòu)

　　1.鏡筒

　　鏡筒包括電子槍、聚光鏡、物鏡及掃描系統(tǒng)。其作用是產(chǎn)生很細(xì)的電子束(直徑約幾個(gè)nm)，并且使該電子束在樣品表面掃描，同時(shí)激發(fā)出各種信號。

　　2.電子信號的收集與處理系統(tǒng)

　　在樣品室中，掃描電子束與樣品發(fā)生相互作用后產(chǎn)生多種信號，其中包括二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子、俄歇(Auger)電子等。在上述信號中，最主要的是二次電子，它是被入射電子所激發(fā)出來的樣品原子中的外層電子，產(chǎn)生于樣品表面以下幾nm至渦街流量計(jì)

　　幾十nm的區(qū)域，其產(chǎn)生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像指的就是二次電子像，它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號。檢測二次電子的檢測器(圖15(2)的探頭是一個(gè)閃爍體，當(dāng)電子打到閃爍體上時(shí)，1就在其中產(chǎn)生光，這種光被光導(dǎo)管傳送到光電倍增管，光信號即被轉(zhuǎn)變成電流信號，再經(jīng)前置放大及視頻放大，電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，最后被送到顯像管的柵極。

　　3.電子信號的顯示與記錄系統(tǒng)

　　掃描電鏡的圖象顯示在陰極射線管(顯像管)上，并由照相機(jī)拍照記錄。顯像管有兩個(gè)，一個(gè)用來觀察，分辨率較低，是長余輝的管子;另一個(gè)用來照相記錄，分辨率較高，是短余輝的管子。

　　4.真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)

　　掃描電鏡的真空系統(tǒng)由機(jī)械泵與油擴(kuò)散泵組成，其作用是使鏡筒內(nèi)達(dá)到10(4～10(5托的真空度。電源系統(tǒng)供給各部件所需的特定的電源。

　　(二)工作原理

　　從電子槍陰極發(fā)出的直徑20(m～30(m的電子束，受到陰陽極之間加速電壓的作用，射向鏡筒，經(jīng)過聚光鏡及物鏡的會聚作用，縮小成直徑約幾毫微米的電子探針。在物鏡上部的掃描線圈的作用下，電子探針在樣品表面作光柵狀掃描并且激發(fā)出多種電子信號。這些電子信號被相應(yīng)的檢測器檢測，經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換，變成電壓信號，最后被送到顯像管的柵極上并且調(diào)制顯像管的亮度。顯像管中的電子束在熒光屏上也作光柵狀掃描，并且這種掃描運(yùn)動與樣品表面的電子束的掃描運(yùn)動嚴(yán)格同步，這樣即獲得襯度與所接收信號強(qiáng)度相對應(yīng)的掃描電子像，這種圖象反映了樣品表面的形貌特征。第二節(jié)掃描電鏡生物樣品制備技術(shù)大多數(shù)生物樣品都含有水分，而且比較柔軟，因此，在進(jìn)行掃描電鏡觀察前，要對樣品作相應(yīng)的處理。掃描電鏡樣品制備的主要要求是：盡可能使樣品的表面結(jié)構(gòu)保存好，沒有變形和污染，樣品干燥并且有良好導(dǎo)電性能。