Принцип и устройство сканирующего электронного микроскопа
Сканирующий электронный микроскоп, полное название сканирующего электронного микроскопа, английский — сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), представляет собой электронный оптический прибор, используемый для наблюдения за структурой поверхности объектов.
1. Принцип работы сканирующего электронного микроскопа
Изготовление сканирующих электронных микроскопов основано на взаимодействии электронов с веществом. Когда пучок высокоэнергетических человеческих электронов бомбардирует поверхность материала, область возбуждения производит вторичные электроны, оже-электроны, характеристическое рентгеновское излучение и непрерывное рентгеновское излучение, электроны обратного рассеяния, электроны пропускания и электромагнитное излучение в видимом, ультрафиолетовом , и инфракрасные области. . В то же время могут генерироваться электронно-дырочные пары, колебания решетки (фононы) и колебания электрона (плазмоны). Например, сбор вторичных электронов и обратно рассеянных электронов может дать информацию о микроскопической морфологии материала; сбор рентгеновских лучей позволяет получить информацию о химическом составе материала. Сканирующие электронные микроскопы работают, сканируя образец чрезвычайно тонким электронным пучком, возбуждая вторичные электроны на поверхности образца. Электроны первого порядка собираются детектором, преобразуются в оптические сигналы сцинтиллятором, а затем преобразуются в электрические сигналы фотоумножителями и усилителями, которые контролируют интенсивность электронного луча на люминофорном экране и отображают сканированное изображение. синхронно с электронным лучом. Изображения представляют собой трехмерные изображения, отражающие структуру поверхности образца.
2. Структура сканирующего электронного микроскопа
(1) Тубус объектива
Оправа объектива включает в себя электронную пушку, конденсорную линзу, объектив и систему сканирования. Его роль состоит в том, чтобы генерировать чрезвычайно тонкий электронный пучок (около нескольких нанометров в диаметре), который сканирует поверхность образца, возбуждая различные сигналы.
(2) Электронная система сбора и обработки сигналов
В камере для образцов сканирующий электронный луч взаимодействует с образцом, генерируя различные сигналы, включая вторичные электроны, обратно рассеянные электроны, рентгеновские лучи, поглощенные электроны, русские (Оже) электроны и другие. Среди вышеупомянутых сигналов наиболее важными являются вторичные электроны, которые представляют собой внешние электроны, возбуждаемые падающими электронами в атомах образца, и генерируются в области от нескольких нанометров до десятков нанометров ниже поверхности образца. Скорость генерации в основном определяется морфологией и составом образца. Изображение сканирующего электронного микроскопа обычно относится к изображению во вторичных электронах, которое является наиболее полезным электронным сигналом для изучения топографии поверхности образца. Зонд детектора, регистрирующий вторичные электроны, представляет собой сцинтиллятор. Когда электроны попадают на сцинтиллятор, в сцинтилляторе генерируется свет. Этот свет передается через световод на фотоумножитель, который преобразует световой сигнал в сигнал тока, который затем проходит через предусилитель, а видеоусиление преобразует сигнал тока в сигнал напряжения, который, наконец, отправляется на сетку трубка с изображением.
(3) Электронный дисплей сигнала и система записи
Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, отображаются на электронно-лучевой трубке (кинескопе) и записываются камерой. Есть два типа кинескопов: один используется для наблюдения, имеет более низкое разрешение и представляет собой трубку с длительным послесвечением; другой используется для фотографической записи, имеет более высокое разрешение и представляет собой трубку с коротким послесвечением.
(4) Вакуумная система и система электропитания
Вакуумная система сканирующего электронного микроскопа состоит из механического насоса и масляного диффузионного насоса. Система электропитания обеспечивает определенную мощность, необходимую для каждого компонента.
3. Назначение сканирующего электронного микроскопа
Основная функция сканирующих электронных микроскопов заключается в наблюдении поверхностей различных твердых образцов с высоким разрешением. Изображения с большой глубиной резкости являются особенностью наблюдений с помощью сканирующего электронного микроскопа, таких как: биология, ботаника, геология, металлургия и т. д. Наблюдениями могут быть поверхности образцов, поверхности срезов или поперечные сечения. Металлурги рады видеть нетронутые или изношенные поверхности непосредственно. С легкостью исследуйте оксидные поверхности, рост кристаллов или дефекты коррозии. С одной стороны, он может более непосредственно исследовать тонкую структуру бумаги, текстиля, натурального или обработанного дерева, а биологи могут использовать его для изучения структуры небольших хрупких образцов. Например: частицы пыльцы, диатомовые водоросли и насекомые. С другой стороны, он может делать трехмерные снимки, соответствующие поверхности образца. Сканирующая электронная микроскопия имеет широкий спектр применения при изучении твердых материалов и сопоставима с другими инструментами. Для полной характеристики твердых материалов используется сканирующая электронная микроскопия.
