[发明专利]一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法与装置

说明书

本发明提供了一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，将材料预制成特定形状的光路模型，与样品模型搭配使用，借助电磁铁对软磁材料的吸引的机制，来实现模拟扫描电镜中电子束旋转、聚焦、偏转、与样品相互作用及信号采集全过程的目的，避免了使用光学透镜模拟带来的不利效果。本发明还提供了一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置。所述装置置于透明的镜筒和样品仓内，演示部件除了便于被观察之外，还非常便于布置和改装。本发明的有益效果是：可以演示扫描电镜成像的全过程，即演示从电子束产生到信号接收的全过程及其蕴含的深层次原理；整个演示过程直观、形象，使得原理非常容易理解，装置还具有低成本、易改装等特点。

技术领域

本发明涉及扫描电子显微镜，尤其涉及可视化的扫描电镜演示方法与装置。

背景技术

扫描电子显微镜（简称扫描电镜）目前广泛应用于材料科学、环境科学、生命科学、电子制造、新能源、失效分析等等领域，用于反映样品的微观形貌和成分等诸多信息，功能强大、应用广泛。因此，扫描电镜已经成为国内外各大高校和科研机构涉及材料领域研究的标配，让使用该设备的大学师生及科研和检测人员熟悉并了解扫描电镜的原理和特点，需要较长时间的讲授和培训。

扫描电镜实现原理是：电子枪发射的电子束经过光阑和电磁透镜（习惯也称聚光镜），汇聚后，扫描线圈使其在二维方向上偏转，经强磁透镜（习惯称物镜）汇聚成细束斑作用到样品上，收集样品表面激发出的各种信号就可以得到该处的信息。由于扫描线圈使电子束在二维方向上偏转，电子束在微小的样品表面可以逐点扫描，显示器也同步进行逐点扫描从而形成放大的图像。其中，电镜的放大倍率M=D/d，其中D为显示器上图像的边长，d为扫描区域的边长，D是不变的，通过调整扫描线圈的电流，来控制d的大小可以非常方便的控制放大倍率M。

当一束聚焦的高能电子束入射到样品表面时，样品与电子束相互作用会产生各种可被探测的信号，比如扫描电镜常用的背散射电子、二次电子和特征X射线，它们有不同的能量、信号溢出区并能反映样品的形貌、结构和元素的信息。其中二次电子能量小（小于50eV），运动轨迹容易受外界电磁场干扰，信号溢出区小，反映了样品表面和形貌的信息；背散射电子能量大（大于50 eV），运动轨迹不易受外界电磁场干扰，信号溢出区也大，同时也反映了元素的信息；特征X射线信号溢出区更大，而且能定性和定量反映样品元素的信息。

因为以上信号各自的特点，扫描电镜有不同位置和类型的探测器来接收信号，常见的有样品仓内的电子探测器，物镜内的电子探测器，各种专用的背散射电子探测器，以及能谱探头等。样品仓内的电子探测器可以收集二次电子和背散射电子信号，背散射电子各向发散所以可以被其探测，而二次电子能量弱，该探测器表面加正偏压吸引二次电子。物镜内的电子探测器一般位于物镜上方，因为物镜是倒圆锥的结构，下方只留有电子束通过的很小的开口，所以自身能量很大的背散射电子很难被改变方向，射向物镜后基本都被物镜本身吸收进不了开口，而本身能量低的二次电子，则会受到探测器表面正偏压的吸引（电镜厂商甚至在物镜内加装电磁场来加强这种吸引力）而被探测器吸收。因此物镜内的电子探测器可以收集较大比例二次电子以获得关于样品表面形貌的高分辨图片。专用的背散射电子探测器与物镜内的电子探测器相反，在其表面设置负偏压，使能量高的背散射电子能够到达探测器表面的同时能量低的二次电子被排斥掉。

在扫描过程中，试样表面的细微起伏会使各点二次电子和背散射电子信号的强度有所不同，在显示器的图像上表现为明暗反差的不同，这种差别叫衬度或者反差。对于二次电子，衬度主要产生于形貌的不同，通俗来讲就是凸出或者有尖峰的点信号比平整和凹处的点更强，在图像上也更亮；对于背散射电子，衬度除了跟形貌有关外，还跟元素有关，一般原子序数高的更亮。

目前存在的困难

众所周知电子束跟样品相互作用会产生很强的辐射，所以整个电子光学系统都被金属封闭在真空的电子腔和样品舱内，加上众多的部件，使用电镜本身或者使用电子束做演示的装置不能直观展示整个成像过程。