第2章
扫描电镜的原理和结构

2.1　扫描电镜的原理

2.1.1　镜筒概述

图2.1.1是钨阴极扫描电镜的原理示意图。电子束是从顶部电子枪中的阴极尖发射出来的，在加速电位的作用下，阴极尖发射出来的电子束经三个电磁透镜聚焦后汇聚成一束细微的电子探针到达试样表面。该入射束在物镜上方的扫描线圈驱动下，使入射的电子束能在试样表面做有序的光栅扫描。高能电子束射入试样后，会在试样的表面和亚表面激发出SE、BSE和X射线等。这些信息由相应的探测器探测，经放大后传送到显示屏来调制所显示的图像衬度。扫描电镜就是采用这种逐行扫描、逐点成像的方法把试样表面和亚表面发出的不同信息特征按顺序依次成比例地转换为视频信号的，从而使我们能在屏幕上观察到与试样表面相对应的、经过放大后的微观图像。

图2.1.1　钨阴极扫描电镜的原理示意图

2.1.2　供电系统

扫描电镜的加速电压和各透镜的励磁电流不稳定都会给整个光学系统带来明显的像差，从而影响图像的成像质量，因此发射束流、加速电压和透镜电流是否能稳定是衡量SEM性能优劣的一个重要指标。SEM的电源主要由电子枪灯丝的加热电源、高压直流加速电源、透镜励磁电源、扫描偏转线圈电源及各电子线路的工作电源等组成；此外，还有真空系统中的各种泵的驱动电源和一些外围辅助部件的电源，如空气压缩机和冷却循环水机的驱动电源等。另外，多数的SEM还配有能谱仪（EDS）、波谱仪（WDS）、EBSD、打印机等，他们也都需要有合适的工作电源。

扫描电镜都会同时用到几路不同的高、低压直流电源，其外围许多配套附件通常仍是使用一般的工业电源，所以扫描电镜的输入电源仍是取自市电电网。但扫描电镜对电源的电压和频率的稳定性有较严格的要求，整机功耗依电镜的型号和外围配套附件的多少而异，如配备油扩散泵的扫描电镜的主机功耗约为2.3kW，若是配备涡轮分子泵的扫描电镜，主机功耗约为2.2kW。若加上冷却循环水机和空气压缩机等功耗，这样的电镜的整机功耗约为4kW。如果再加上能谱仪（约600W）、波谱仪（约500W）则整套系统的总功耗约为5.1kW；有的扫描电镜配备了风冷式的涡轮分子泵，需加2～3台的小风扇对高压电源、分子泵等分别进行降温冷却，但可省掉冷却循环水机的功耗约1.1kW，这样整套扫描电镜的总功耗（包括EDS+WDS）约为4kW。

供电电压：单相、交流（220±11）V；

频率：（50±1）Hz；

供电电流：25～35A。

从日本进口的电镜有的会随电镜附带一个从220V降为100V的交流电源变压器，专供它们100V的电镜配套使用。这样的电镜在供电时还须考虑该变压器的功率转换因子0.8，像这种类型的扫描电镜再加上能谱仪和波谱仪，整套系统的功耗都会有所增大，总的功耗电流为30～40A。

单相220V的交流电源输入之后，其中一部分供给循环水机、空压机和机械泵等外围附属设施，另一部分经电镜自身的电源系统进行降压、整流、滤波、稳压和稳流后，再分别输入电镜各系统作为工作电源。经降压、整流输出的低压直流电源通常有±5V或±6V、±12V或±15V、±24V、48V或60V等，它们分别供至电镜中各电子线路、电磁阀门和电磁透镜等部件作为工作电源。

供给电磁透镜和电子枪阴极的电流不仅要求要有10-5量级的稳定性，而且加速电压也须有10-5量级的稳定性。电源是否稳定也是评判电镜性能好坏的一个极为重要的指标。因此，对电镜电源系统的主要要求是要能在一定的输入电压波动范围内产生多路高稳定性的稳压源和稳流源。

每台扫描电镜都要用到多路的直流高压，其中最高的是电子枪的加速阳极，商品电镜的最高加速电压一般为30kV（个别机型有25kV，极个别的机型也有35kV）。其中，E-T SED中的闪烁体电位为10～12kV；E-T SED中的光电倍增管常用的偏置电压为-1.2～-1.8kV；场发射电镜常用的激发极电压为4.2～6.5kV，测试加速电压的耐压电位高达35kV；离子泵的阳极电压为4.5～6.5kV；用于测量高真空系统的潘宁真空计也需要有600～800V的电压等。这些高压电源都是用220V的市电经降压、整流和滤波输出成为低压直流电源，再经振荡、倍压整流成为几千和几十千伏不等的多路直流高压，分别供给电镜中需要直流高压的各系统和部件的。下面简要地介绍一种最常用的C-W倍压整流电路。

在1932年由考克洛夫（Cockcroft）和瓦耳顿（Walton）提出的高压倍压直流电路，通常简称为C-W倍压整流电路。它是由多个电容和整流二极管串接组成的，利用滤波电容的储存作用能获得几倍于变压器负边电压的输出值，这种电路被称为倍压整流电路。这种电路非常适用于电镜这种仅需高电压、小电流的设备使用。倍压整流电路的原理是把较低的交变电压用合适的整流二极管和电容进行适当连接组合，“整”出一个高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压与输入电压的比值可分为2倍压、3倍压直到n倍压。电镜上使用的高压电源正是高电压、小电流的电源，所以常用到C-W倍压整流电路。图2.1.2为采用变压器、电容和整流二极管组成的高压倍压整流电路。

图2.1.2　高压倍压整流电路原理图

通常称倍压整流电路每2倍为一阶。若输出电压是输入电压的10倍，阶数用N表示，则该电路是5阶，即N=5。若希望输出电压极性不同，只要将所有的二极管反向连接就可以了，当输出为空载或电流小而稳定时，除了左边的第一个电容外，其他每个电容上的电压Cu均为变压器输出端最高电压的2倍，即Cu=2Uoutm。在分析这类电路时，为了简便起见，总是假设电路为空载，而且是稳态，当加上负载后，输出电压将不可能完全达到Uoutm的N倍。在实际的应用电路中，由于高阶倍压整流电路输出的功率小，带负载的能力很差，只要负载电流稍大一点，就会导致输出电压下降。在设计这种电路时人们不仅要考虑其带负载的能力，留足余量，而且还要采取相应的稳压措施，使之能在一定负载范围内有一个稳定的工作区间。