SEM：扫描线圈和放大倍率简析

扫描线圈

常规的TEM使用固定的入射电子束，而SEM的电子束在两个垂直的（X和Y）方向上水平扫描样品。X-扫描相对较快，由工作在线频fx的锯齿波发生器产生（图1a）这个发生器为串联的两个扫描线圈提供电流，扫描线圈分布于光轴的两侧，位于物镜上方。这些线圈在Y方向上产生磁场，对电子(在Z方向上运动)产生力，使其在X方向上偏转（图2）。

图1 锯齿波信号及光栅扫描过程示意图

Y-扫描要慢得多（图1b），由第二个锯齿波发生器产生，帧频率为fy = f x /n ，其中n为整数（每帧的行数）。整个过程被称为光栅扫描，电子束依次覆盖样品上的矩形区域（图1d）。

图2 扫描信号控制模型图

在X偏转信号期间，电子束沿直线运动，从图1d中的A点到B点，形成线扫描。在到达B点后，电子束沿着X轴尽可能快地偏转回来（X波形的飞回部分）。因为Y扫描发生器在行扫描期间增加了输出，所以它不是返回到A点，而是返回到在Y方向上移位的C点。第二行扫描将电子束带到D点，然后飞回E点，重复这个过程，直到n行扫描完成，电子束到达Z点。

整个序列构成光栅扫描的单个帧。由于线和帧发生器的快速反激，电子束从Z点迅速返回到A点，并执行下一帧。这个过程可以连续运行许多帧，就像在电视和视频技术中一样。

两个扫描发生器的输出应用到显示设备上，于是扫描电镜图像出现。这原来是一个阴极射线管(CRT)，该CRT包含的电子束与扫描电镜中的电子束完全同步扫描，因此对于样品上的每个点（在光栅扫描区域内），其显示屏上都有一个等效点，从而满足麦克斯韦的第一成像规则。为了在图像中产生对比度，将电压信号施加到CRT的电子枪上，以改变扫描点的亮度。这个电压是由一个探测器产生的，该探测器对扫描电镜入射电子束引起的样品中的一些变化作出反应。

在现代扫描电镜中，扫描信号是由计算机控制的电路以数字方式产生的，X和Y扫描波形分别是m级和n级的阶梯函数（图1c）。该过程将图像分成mn个图像元素（像素），SEM电子束在跳转到下一个像素之前保持静止一段时间。数字扫描的一个优点是，扫描电镜计算机“知道”每个像素的（x, y）地址，并可以在适当的计算机存储器位置记录适当的图像强度值（作为数字化数字）。数字图像以位置和强度信息的形式存储在计算机存储器中，或永久地存储在磁盘或其他存储设备中。

放大倍率

电子束在样品感兴趣的区域上光栅扫描，观察屏幕上显示扫描区域的图像（图3）。图像的放大倍数是观察屏扫描的长度与样品的长度之比（屏幕放大倍率）。从上面可以清楚地看出，放大倍数是由扫描线圈控制的，它取决于光栅扫描区域和显示器的大小。

光栅扫描尺寸越小或显示器尺寸越大，获得的放大倍率就越大。在20 cm屏幕上显示的图像的放大倍数将是在10 cm屏幕上显示的相同图像的两倍。通常10 cm长的屏幕和10 μm的样品扫描长度将产生10,000倍的放大倍率。

图3 放大倍率是显示器的扫描长度与试样的扫描长度之比

由于显示器的最大长度或多或少是固定的，通过减少样品上扫描的长度来增加放大倍率。扫描的样品面积越小，获得的放大倍率越高。放大率是通过标记为放大（Magnification）的旋钮改变扫描偏转线圈中的电流来改变的。这个旋钮的逆时针运动改变了流过扫描线圈的电流，反过来增加了样品上扫描的长度，从而降低了放大倍率。

目前，场发射扫描电子显微镜可以放大几百万倍。低倍率是通过扫描线圈产生大电子束偏转实现，因此容易受到透镜像差的影响，从而扭曲样品上的光栅扫描形状。高倍率使用的小偏转减少了图像失真的可能性。因此，在低倍率下工作时，扫描电镜实际上是最辛苦的工作（就从扫描发生器获得的电流而言）。

放大倍率还取决于物镜极靴和样品表面之间的距离，称为工作距离（WD）。在保持扫描偏转线圈电流不变的情况下，如果减小工作距离（即使样品靠近物镜），则放大倍率会增大，因为样品上的扫描长度会相对变短，如图4a所示。

另一方面，如果增加工作距离（图4b），扫描长度也会相应增加，导致放大倍率降低。当工作距离改变时，扫描电镜会自动显示正确的放大倍率。由此可见，可达到的最小放大倍数随着工作距离的增加而减小。因此，为了在尽可能小的放大倍率下观察样品区域，应增加工作距离。

图4 工作距离（WD）和放大倍率示意图