至高压 电子流游 阳极 孔径 聚光镜 聚光镜 (1-2镜片 检测二次及 一反射射 试样 试样及复膜 物镜 孔径 中间透镜 投射镜 搜射镜 透射的信号成像 最终图像 图1.7透射电子显微镜与光学显微镜光学 系统的比较(摘自 Metal handbook) 通过式(1.1)可知透射电子显微镜的清晰度约为10×10m,而相比光学 显微镜为150mm左右。现在我们可以明白为什么透射电子显微镜有一个投射镜 系统就可以放大到这么多。为了能用眼睛看清10×10°m的细节,把它提升为 0.01cm,所要求的放大倍数为100000×。因此要求透射电子显微镜具有高倍放
3 大的能力,以便把很小的细节放大到使眼睛可以观察到它 同样,通过釆用电子也大大地改善视场深度。例如,如果分辨率是10 m,那么典型的视场深度将会是约500m。一般说,这是最大的允许厚度 可以透过足够的电子以获得图像:这意味整个试样可以聚焦。如果透射电子显微 镜操作时,其分辨率降至100m(例如采用了较大的孔径),则其视场深度可增 加至约50μm。 我们见到,与光学显微镜相比,透射电子显微镜提供了大大改善的清晰度与 视场深度。但有两大缺点即试样制备问题,以及必须采用小尺寸的试样,从而限 制了观察的范围。实际上,透射电子显微镜及光学显微镜是互补的工具,两者都 用于断口的显微试验 1.3.3扫描电子显微镜 扫描电子显微镜的操作与透射电子显微镜多少有些不同。电子流经聚光镜进 行平行校正后,由物镜聚焦成一束小直径的电子流。此电子流撞击试样的表面 经电子流与试样的相互作用后产生发射电子,其数量对表面形貌特别敏感。扫描 线圈使电子流轰击试样的表面。从表面上任何一点发射出的电子数量控制一个同 步阴极射线管的显示。因此当电子流轰击表面时,在阴极射线管上就产生一个图 像,它基本上是此表面的照片。图1.8对光学显微镜、透射电子显微镜及扫描电 子显微镜的光学系统进行了比较 光学显微镜 透射电子显微镜扫描电子显微镜 光或电子源 聚光镜 x光示波器 物镜-二 扫描线图 周 X光分析仪 光检测仪 含试样 中间图像一一 投射二 二②团发生】[ 最终图像 荧光屏 示波器显示 图L.8光学显微镜、透射电子显微镜及扫描电子 显儆镜的光程比较(引自 Backer) 电子流与试样的相互作用产生几种类型的信号(图1.9)。从试样上发射出 的电子流有各种能量,在图1.10中示出其典型的频谱。特别有趣的是具有相当
4 入射电f流 光子(电子致发光 次电子 背散射电子 X荧光姘 俄歌电子 试样 图1.9电子流与试棒相遇后牛的信号的种类。在扫描电子显微镜中背散射 与二次电子用以获得表面的图像:俄敬(Augr)电子很弱,是从表面原子的第 三层中发射出来的,因此它们用作表闻分析、但是需耍有超高真空系统来防止严重 的电子吸收题。X光荧光屏用于化学分析(见1.3.5节) 低的能量的电子流的高度集中,以及具有相当高的能量(接近于入射电子流的 能量)的电子流的高度集 中:当电子流穿透试样表 面时,有些电子弹性地散 射问击试样,近似地保留 其原始能量。这些电子称 背散射电子 作背散射电子。其他电子塑 与试样中原子的电子互相 作用并有能量变化。其中 次电子 绝大多数损失了相当多的 俄歌电子 量,并带着相当低的能 量而发射出来,这些为 次电子.透入试样的电子 位一个汨滴形的容积中 能量 入射电子流的能量 (图1.11),并且仅有在表 扌描电子显微镜中,从试样表面 层以内约500m的电子得 发射出的典型电子试样的频谱
电子流 发射的电子至检测器 试样表面 中产生 电子流的 被发射的电子 图1.11示意图说明发射出电子的风城比电子流的区域大 以逃逸,此区域的直径大于电子流撞击表面的区域直径 可用一相当简单的装置来收集全部电子(图1.12)。从表面发射的电子被驱 电了流 光电倍增管 至示被臂 极(-500 -500V) 闪烁器 萍金属层 背射及次电子 试样 图1.12简要说明扫描电子显微镜中电子检测器的操作情况
向一闪烁器,制成此闪烁器的末 子撞击时会发光。为确保有足句 能到达闪烁器,在其外涂 (例如20m)金属层(如铝) 约I0000-15000V正电压。 子,使之穿透薄金属层而到达 辨低能与高能电子,围绕闪烁暑 栅极,使其位能可在-500~+ 化。采用负压可以赶走低能电 能电子成像,这有时是操作的有 闪烁器出来的光线被发送到光目 此处转换成电信号,然后调制万 中电子流的密度 背散射电子密度随原始元 加而增加,所以可用它产生图 成分的变化:图1.13中以例说 图1.14说明表面形貌如何u 生反差。例如,表面隆起部分由于在表面的图.B3扫描电镜下经抛光的 逃逸距离之内有较大容积的材料被电子流激 a)使用二次电子检测器 活,所以有更多的电子发射出来。注意,清b)使用背散射电子检测器 晰度基本上取决于电子流直径而不是波长。善对比度,因为原子数量不间(引自 因此,扫描电子显微镜可能有10mm的清晰 Verhoven0) 度,而不是透射电子显微镜所获得的1mm。但是它仍保留有较高的视场深度。如 电子流 图1.14简要说明表面形貌如何影响从表面到发射距离4 之内的材料容积,以及改善发射电子的强度