第五章 电子显微镜的结构

1 电子光学系统 电子光学系统由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是用来获得扫描电子束，作为产生物理信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。 <1>电子枪：

其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。 目前大多数电镜采用热阴极电子枪（钨丝）。其优点是价格便宜，对真空度要求不高，缺点是电子发射效率低，发射源直径较大，在样品表面上的电子束斑直径最小为5-7nm。现在，高等级电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，使二次电子像的分辨率达到2nm。但这种电子枪要求很高的真空度，并且价格昂贵。 <2>电磁透镜

其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50mm的束斑聚焦成一个只有数nm的细小束斑。其工作原理是电磁聚焦。一般有三组透镜，前两个为强透镜，用来缩小电子束光斑直径。第三个是弱透镜，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。 <3>扫描线圈

其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。

扫描线圈是电子显微镜的一个重要组件，它一般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内。 <4>样品室

样品室中主要部件是样品台。可进行三维空间的移动，及倾斜和转动，样品台移动范围一般可达40毫米，倾斜范围：0－50度左右，转动角度：360度。 样品室中还要安置各种信号检测器。信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系。样品台还可以带有多种附件，例如样品在样品台上加热，冷却或拉伸，可进行动态观察。 样品台可放置的最大样品：直径2cm、高度1cm。 2 信号检测放大系统 其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。不同的物理信号需要不同类型的检测系统，大致可分为三类：二次电子检测器，背散射电子检测器和X射线检测器。

电子检测器最常用到，它由闪烁体、光导管和光电倍增器组成。

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当信号电子进入闪烁体时将引起电离； 离子与自由电子复合时产生可见光。光子沿着光导管传送到光电倍增器进行放大，并转变成电流信号输出；

电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。 3 真空系统和电源系统 真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染，提供高的真空度，一般情况下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。 电源系统由稳压、稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。

4 电子显微镜的放大倍数和分辨率 <1> 放大倍数 （1）

若入射电子束在样品表面扫描的幅度为As，在荧光屏阴极射线同步扫描的幅度为Ac，则扫描电镜的放大倍数为: M=Ac/As 由于荧光屏尺寸是固定不变的，因此，放大倍率的变化是通过改变电子束在试样表面的扫描幅度来实现的。

如果荧光屏的宽度Ac=100mm，当As=5mm时，放大倍数为20倍。如果减少扫描线圈的电流，电子束在试样上的扫描幅度为Ac=0.05mm，放大倍数可达2000倍。目前商品化的电镜放大倍数可以从20－40倍调节到数十万倍。 <2> 分辨率

分辨率是电镜的主要性能指标。对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。

分辨率大小由入射电子束直径和检测信号类型共同决定。电子束直径越小，分辨率越高。但由于用于成像的物理信号不同，在样品表面的发射范围也不相同，从而影响其分辨率。 例如SE和BE，一般SE像的分辨率约为5-10nm，BE像的分辨率约为50-200nm。 5 样品制备

对金属和陶瓷等块状样品，只需将它们切割成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘接在样品座上即可直接进行观察。为防治假象的存在，在放试样前应先将试样用丙酮或酒精等进行清洗，必要时用超声波振荡清洗，或进行表面抛光。

对于非导电样品，如塑料、矿物等，在电子束作用下会产生电荷聚集，影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹，使图像质量下降。因此这类试样在观察前要喷镀导电层进行处理，通常采用二次电子发射系数较高的金银或碳膜做导电层，膜厚控制在20nm左右。

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第六章 X射线谱仪及微区成分分析

电子束轰击样品表面将产生特征X射线，不同的元素有不同的X射线特征波长和能量。

通过鉴别其特征波长或特征能量就可以确定所分析的元素种类及含量。利用特征波长

来确定元素的仪器叫做波长色散谱仪（波谱仪），利用特征能量的就称为能量色散谱仪（能谱仪）。 1 波谱仪 波谱仪的关键在于怎样实现将未知的特征谱线与已知元素Z联系起来？

与XRF中一样，用一种已知面网间距的晶体——分光晶体，当不同特征波长λ的X射线照射其上时，如满足2dsinθ=λ，则将产生衍射。对于任意一个给定的入射角θ，仅有一个确定的波长λ满足衍射条件。 这样可以首先建立一系列θ角与相应元素的对应关系，当某个由电子束激发的特征X射线照射到分光晶体上时，可在对应的2θ角度接收到该波长的X射线信号，同时也就测出了对应的化学元素。只要令探测器连续进行2θ角的扫描，即可在整个元素范围内实现连续测量（图6－1）。

图6－1 波谱仪的工作原理 波谱仪常用的分光晶体的基本参数和可测范围见表6－1。由分光晶体所分散的单一波长X射线被X射线检测器接受，常用的检测器一般是正比计数器。当某一X射线光子进入计数管后，管内气体电离，并在电场作用下产生电脉冲信号。

表6－1 波谱仪常用的分光晶体的基本参数和可测范围

波谱仪分析的谱线图（图6－2），横坐标代表波长，纵坐标代表强度。谱线上有许多强

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度峰，每个峰在坐标上的位置代表相应元素特征x射线的波长，峰的高度代表这种元素的含量。

图6－2 波谱仪分析一个测量点的谱线图

2 能谱仪 来自样品的X光子通过铍窗口进入锂漂移硅固态检测器。

每个X光子能量被硅晶体吸收，并将在晶体内产生电子空穴对。

不同能量的X光子将产生不同的电子空穴对数。例如，Fe的Kα辐射可产生1685个电子空穴对，而Cu为2110。

知道了电子空穴对数就可以求出相应的电荷量以及在固定电容（1μμF）上的电压脉冲。

例如对Fe的Kα来说，V=0.27mV，对Cu的Kα，V=0.34mV。

可见，锂漂移硅固态检测器的作用是将X射线转换成电信号，产生电脉冲。

这个很小的电压脉冲通过高信噪比的场效应管前置放大器和主放大器的两次放大后，产生足够强度的电压脉冲。放大后的信号被送入多道脉冲高度分析器。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，建立起电压脉冲幅值与道址的对应关系（道址号与X光子能量间存在对应关系）。

常用的X光子能量范围在0.2-20.48keV，如果总道址数为1024，那么每个道址对应的能量范围是20eV。X光子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X光子的数目，就可以确定各种元素的X射线强度。然后，在X-Y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X光子的能谱曲线。 3 波谱仪与能谱仪的性能比较 如上所述，波谱仪与能谱仪都可以对样品中元素进行分析，但它们的性能有所不同. A检测效率 能谱仪中锂漂移硅探测器对X射线发射源所张的立体角显著大于波谱仪，所以前者可以接受到更多的X射线信号；其次波谱仪因分光晶体衍射而造成部分X射线强度损失，因此能谱仪的检测效率较高。 B 空间分析能力

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