掃描電子顯微鏡的工作原理

掃描電子顯微鏡的設計思想和工作原理，早在1935年便已被提出來了。1942年，英國首先制成一臺實驗室用的掃描電鏡，但由于成像的分辨率很差，照相時間太長，所以實用價值不大。經過各國科學工作者的努力，尤其是隨著電子工業技術水平的不斷發展，到1956年開始生產商品掃描電鏡。近數十年來，掃描電鏡已廣泛地應用在生物學、醫學、冶金學等學科的領域中，促進了各有關學科的發展。
　　一.掃描電鏡的特點
　　和光學顯微鏡及透射電鏡相比，掃描電鏡具有以下特點：
　　(一)能夠直接觀察樣品表面的結構，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，因此，可以從各種角度對樣品進行觀察。
　　(四)景深大，圖象富有立體感。掃描電鏡的景深較光學顯微鏡大幾百倍，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。可放大十幾倍到幾十萬倍，它基本上包括了從放大鏡、光學顯微鏡直到透射電鏡的放大范圍。分辨率介于光學顯微鏡與透射電鏡之間，可達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，還可利用從樣品發出的其他信號作微區成分分析。
　　二.掃描電鏡的結構和工作原理
　　(一)結構
　　1.鏡筒
　　鏡筒包括電子槍、聚光鏡、物鏡及掃描系統。其作用是產生很細的電子束(直徑約幾個nm)，并且使該電子束在樣品表面掃描，同時激發出各種信號。
　　2.電子信號的收集與處理系統
　　在樣品室中，掃描電子束與樣品發生相互作用后產生多種信號，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，zui主要的是二次電子，它是被入射電子所激發出來的樣品原子中的外層電子，產生于樣品表面以下幾nm至渦街流量計
　　幾十nm的區域，其產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zui有用的電子信號。檢測二次電子的檢測器(圖15(2)的探頭是一個閃爍體，當電子打到閃爍體上時，1就在其中產生光，這種光被光導管傳送到光電倍增管，光信號即被轉變成電流信號，再經前置放大及視頻放大，電流信號轉變成電壓信號，zui后被送到顯像管的柵極。
　　3.電子信號的顯示與記錄系統
　　掃描電鏡的圖象顯示在陰極射線管(顯像管)上，并由照相機拍照記錄。顯像管有兩個，一個用來觀察，分辨率較低，是長余輝的管子;另一個用來照相記錄，分辨率較高，是短余輝的管子。
　　4.真空系統及電源系統
　　掃描電鏡的真空系統由機械泵與油擴散泵組成，其作用是使鏡筒內達到10(4～10(5托的真空度。電源系統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出多種電子信號。這些電子信號被相應的檢測器檢測，經過放大、轉換，變成電壓信號，zui后被送到顯像管的柵極上并且調制顯像管的亮度。顯像管中的電子束在熒光屏上也作光柵狀掃描，并且這種掃描運動與樣品表面的電子束的掃描運動嚴格同步，這樣即獲得襯度與所接收信號強度相對應的掃描電子像，這種圖象反映了樣品表面的形貌特征。第二節掃描電鏡生物樣品制備技術大多數生物樣品都含有水分，而且比較柔軟，因此，在進行掃描電鏡觀察前，要對樣品作相應的處理。掃描電鏡樣品制備的主要要求是：盡可能使樣品的表面結構保存好，沒有變形和污染，樣品干燥并且有良好導電性能。