- 新型工业扫描电镜（SEM）的特色突破

二、功能结构

工业扫描电镜内部结构示意图如图二所示。 实现高通量成像的前提来自发射源电子枪。 亮度高、发射电流密度高是发射足够初始电子到样品上的首要保障。SE和BSE产额高，探测器在单位时间才能收集尽可能多的电子。 肖特基（Schottky）热场发射枪与以钨丝或六硼化镧为阴极的热发射枪相比，具有性能好和稳定度高的优势。束电流达50pA – 300nA。
 

图二 高速工业扫描电镜内部结构和探测器电路示意图

扫描电镜内部光电系统由上下两部分组成。 上半部是电子枪，下半部是电子束镜筒。加速电压-10kV高，电子速度高。精炼短直的镜筒有利于电子穿射， 减少途中电子互斥。

样品台和聚焦跟踪系统配合宽视场观察样品，自动精确地移动样品， 实时调整电子光学聚焦，实现全自动化图像观察。

三．特色部件

电镜中每一部件都各自独立各行其事，同时又相互制约综合平衡。 在此重点介绍内部结构中颇具特色的两大法宝： 探测器和偏转器。

（1）探测器

探测器优化设计是关键的一环。保证探测器在单位时间收集尽可能多的电子，是实现高通量的前提。

首先，探测器安放位置很有讲究。参阅图二，SE探测器和BSE探测器都布局安装在光学镜筒中心轴上，SE探测器位置靠上方。 BSE探测器位于下方靠近样品台。大角度返回信号电子的接收效率高，并且不影响物镜的工作距离。

其次，不同的探测器类型有着本质区别。 国产电镜的专利半导体型探测器是功臣部件。它具有较高的增益，加上优良的信噪比，带宽50MHz。 探测器的信号电子收集效率高达90%以上。SE探测器与BSE探测器收集电子，采集数据，既可以分别独立成像又可以综合成像，图像分析时互为参照。两层同轴的BSE和SE探测器具有几乎相同的增益和速率，两者信号同步。

传统常用的探测器由闪烁体、光导管和光电倍增管组成。当信号电子进入闪烁体时引起电离，当离子与自由电子复合时产生可见光。光子沿着光导管传送到光电倍增器进行放大，并转变成电流信号输出，经视频放大后成为调制信号。虽然增益较高，但信噪比低，一般带宽约10MHz。

第三，探测器扫描放大调制电路至关重要。二极管型探测器直接连接前置放大器和主放大器。探测器电路负责放大电子信号，控制信噪比，扫描电路产生扫描波形信号，图像采集和显示由图像采集卡完成，智能识别海量数据管理由电镜配置的图像存贮和处理服务器完成。

BSE信号成像因其衬度好而受到生物神经专家的青睐。实验中新型工业扫描电镜对一鼠脑组织样品提供BSE信号，在1kV能量下得到了3倍TV级成像速率。

（2）偏转器

复合聚焦偏转系统是新型工业电镜的闪光点。 偏转器功能是使电子束偏转，数个偏转器构成一组，在物镜内壁纵向排列。当偏转器的场被设计成与物镜聚焦场重叠在一起，就组成了偏转器和物镜复合聚焦偏转系统。

在二者场有独特耦合设计的情况下，偏转器组可以实现等效于摆动式物镜场或移动式物镜场的效果。 视场边缘象差较小，无需进行动态校正， 线性度高， 聚焦性能好，没有场曲。 采用物镜中偏转系统可改善大扫描场条件下视场边缘的分辨能力，实现优质大视场观察。 这相比于传统SEM中的物镜外加偏转器系统的结构，清晰图像区域扩大了数倍。

浸没式磁透镜和减速电透镜组成的电磁复合式物镜带来了出其不意的应用效果，能有效地提高低能条件下观测分辨能力。磁透镜物镜采用短焦距的浸没物镜，样品沉浸在其产生的磁场中。初始电子离开电子光学镜筒后在物镜和样品之间减速，减速静电场形成的静电透镜避免了低落点能量时分辨能力的减弱。从而，低落点能量下电子光学系统的像差予以改善，分辨率得以保证。