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扫描电镜成像原理
扫描成像原理如下图所示，电子枪1（钨丝枪或LaB6枪或场发射枪等）发射一束电子，这就是电子源，其最少截面的直径为d0，对钨丝枪而言大约为20～50μm （场发射枪大约为10～20nm ) ，这个小束斑经3 和5 两级聚光镜进一步缩小几百倍，最后再经物镜缩小并聚焦在样品面上，这时束斑10 直径最小可到3～6nm （约小于扫描电镜的分辨本领），电子束打在样品上，就产生上节所述的各种信号。二次电子和背散射电子信号是最常用的两种信号，尤其是二次电子。信号由接收器取出，经光电倍增器和电子放大器放大后，作为视频信号去调制高分辨显示器的亮度，因此显示器上这一点的亮度与电子束打在样品上那一点的二次电子发射强度相对应。由于样品上各点形貌等各异，其二次电子发射强度不同，因此显示器屏上对应的点的亮度也不同。用同一个扫描发生器产生帧扫和行扫信号，同时去控制显示的偏转器和镜筒中的电子束扫描偏转器，使电子束在样品表面上与显示器中电子束在荧光屏上同步进行帧扫和行扫，产生相似于电视机上的扫描光栅。这两个光栅的尺寸比就是扫描电镜的放倍数。在显示器屏幕光栅上的图像就是电子束在样品上所扫描区域的放大形貌像。图像中亮点对应于样品表面上突起部分，暗点表示凹的部分或背向接收器的阴影部分。由于显示器屏幕上扫描尺寸是固定的，如14in(1in= 25.4mm）显示器的扫描面积是267×200mm2，在放大倍数为十万倍时样品面上的扫描面积为2.67×2 μm2如放大倍数为20 倍时，则为13.35×10mm2。因此改变电子束扫描偏转器的电流大小，就可改变电子束在样品上的扫描尺寸，从而改变扫描电镜的放大倍数。
扫描电镜的分辨本领一般指的是二次电子像的空间分辨本领，它是在高放大倍数下，人们能从照片中分清两相邻物像的最小距离。通常是用两物像边缘的最小距离来计算。但照片放大近十万倍后，边缘轮廓往往不十分清晰敏锐，难以测量准确。现在多数人喜欢用两个亮点（或黑点）之间的中心距离来表示，像透射电镜的分辨本领测试一样，这种方法比较严格可靠。
二次电子像和背散射电子像是最常用的两种成像模式。二次电子像是用二次电子探头取出二次电子信号而成的样品表面形貌像，这是扫描电镜的最主要和最基本工作模式，它的分辨率高、图像立体感强。背散射电子像是用背散射电子探头取出背散射电子信号而成的像，它的分辨率和像的质量虽不如二次电子像，立体感也差，但它可以得到样品中大致的成分分布值化、、二值图滤波以及二值图运算。 图像二值化，是把灰度图像转化成为二值图像，即只有黑，白两种灰度的图像。设定一个灰度值作阀值，图像中任何一个像素的灰度大于此值的则用白色（255）代替其灰度，小于则用黑色（0）代替。若经二值分割出的二值图不够理想则可用二值图滤波进行再处理。二值图滤波有①填洞。对整幅图像进行处理，把画面上一些孤立点滤掉。②腐蚀滤波。去掉一些与提取特征不相关联的部分。先设定一个一定小如3×3 的矩阵，令此矩阵在图像的每个像素上移动，若矩阵的中心点在物体内，则一切不变；若矩阵中心点在背叉斑成像在物镜的前焦平面上，经物镜后电子束接近平行束并射到样品面上，它的发射角只侠定于双聚细境
缩小的交叉斑对物镜的张角矛扫描系统工作于抓放大倍数禅戎，扫描使电子束偏转中心仍在物镜光栏处；当然也可以用单偏转方式（关掉下扫描线圈电流），同时去除物镜光栏，这时电子束偏转中心在上扫描偏转线圈中心。
对于小单晶样品可用会聚束摇摆法。让电子束以其在样品上的入射点为顶点而作摇摆运动。用单偏转方式（关掉下扫描线圈电流），去除物镜光栏。由双聚光镜形成的细电子束受上扫描线圈偏转后，进一步受到物镜的偏转和聚焦作用。调节物镜电流，使上扫描线圈的偏转平面与样品表面共扼，这样就使会聚电子束以入射点为顶点作摇摆运动。如果这时再改变物镜电流的大小，在欠焦和过焦的情况下，在荧光屏上有隐约可见的样品表面特征物的像。当正聚焦时，特征物的放大像趋于无限大，而出现清晰的电子通道花样图像，这就是选区电子通道花样的正聚焦条件。这时打在样品面上的电子束斑的大小决定了通道花样的选区面积。因此调节两个聚光镜的电流，改变电子束斑的大小可以改变选区面积。当电子枪交叉斑正好成像在上扫描线圈的偏转平面处，而第一聚光镜缩小倍数又最小时，就可以获得最小的选区面积。
一、分析测试步骤
开机
1、接通循环水（流速1.5～2.0L/min） 2、打开主电源开关。
3、在主机上插入钥匙，旋至“Start”位置。
松手后钥匙自动回到“on”的位置，真空系统开始工作。 4、等待10秒钟，打开计算机运行。 5、点击桌面的开始程序。
6、点击［JEOL·SEM］及［JSM-5000主菜单］。
7、约20分钟仪器自动抽高真空，真空度达到后，电子枪自动加高压，进入工作状态。 8、通过计算机可以进行样品台的移动，改变放大倍数、聚焦、象散的调整， 直到获得满意的图像
9、对于满意的图像可以进行拍照、存盘和打印。
10、若需进行能谱分析，要提前1小时加入液氮，并使探测器进入工作状态。 11、打开能谱部分的计算机进行谱收集和相应的分析。
12、需观察背散射电子像时，工作距离调整为15mm，然后插入背散射电子探测器，用完后随
时拔出。
更换样品
1、点击“HT on”,出现“HT Ready”。 2、点击“Sample”,再点击“Vent”。
3、50秒后拉出样品台,从样品台架上取出样品台.
4、更换样品后,关上样品室门,再点击“EVAC”,真空系统开始工作,重复开机10.1.8、
10.1.9。
关机
1、点击［EXIT］,再点击［OK］,扫描电镜窗口关闭,回到视窗桌面上.
2、电击桌面上的［Start］。 3、退出视窗,关闭计算机.
4、关闭控制面板上的电源开关. 5、等待15分钟后关掉循环水. 6、关掉总电源.
二. 方法原理
1、扫描电镜近况及其进展
扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年已经被提出来了，直到1956年才开始生产商品扫描电镜。商品扫描电镜的分辨率从第一台的25nm提高到现在的0.8nm，已经接近于透射电镜的分辨率，现在大多数扫描电镜都能同X 射线波谱仪、X 射线能谱仪和自动图像分析仪等组合，使得它是一种对表面微观世界能够进行全面分析的多功能的电子光学仪器。数十年来，扫描电镜已广泛地应用在材料学、冶金学、地矿学、生物学、医学以及地质勘探，机械制造、生产工艺控制、产品质量控制等学科和领域中，促进了各有关学科的发展。随着纳米材料的出现，原有的钨灯丝扫描电镜由于分辨率低，不能满足纳米材料分析检测的要求，之后，电镜生产厂家推出了场发射扫描电子显微镜，使扫描电镜的分辨率提高到了0.8nm。场发射扫描电子显微镜又分为冷场场发射扫描电子显微镜和热场场发射扫描电子显微镜，它们的共性是分辨率高。热场发射扫描电镜的束流大且稳定，适合进行能谱分析，但维护成本和要求高；冷场发射扫描电镜的束流小且不稳定，适合于做表面形貌观察，不适合能谱分析，相对而言维护成本和要求要低一些。环境扫描电镜的特点是对于生物样品、含水样品、含油样品，既不需要脱水，也不必进行导电处理，可在自然的状态下直接观察二次电子图像并分析元素成分。 2、扫描电镜的特点
2.1能够直接观察样品表面的微观结构，样品制备过程简单，对样品的形状没有任何 限制，粗糙表面也可以直接观察；
2.2样品在样品室中可动的自由度非常大，可以作三度空间的平移和旋转，这对观察
不规则形状样品的各个区域细节带来了方便；
2.3图象富有立体感。扫描电镜的景深是光学显微镜的数百倍，是透射电镜的数十倍，
故所得到的图象立体感比较强；
2.4放大倍数范围大，从几倍到几十万倍连续可调。分辨率也比较高，介于光学显微
镜和透射电镜之间；
2.5电子束对样品的损伤与污染程度小。由于扫描电镜电子束束流小，且不是固定一
点照射样品表面，而是以光栅扫描方式照射样品，所以对样品的损伤与污染程度比较小；
2.6在观察样品微观形貌的同时，还可以利用从样品发出的其它物理信号作相应的分
析，如微区成分分析。如果在样品室内安装加热、冷却、弯曲、拉伸等附件，则可以观察相变、断裂等动态的变化过程。 3、
从电子枪阴极发出的电子束，经聚光镜及物镜会聚成极细的电子束（0.00025微米-25微
米），在扫描线圈的作用下，电子束在样品表面作扫描，激发出二次电子和背散射电子等信号，被二次电子检测器或背散射电子检测器接收处理后在显象管上形成衬度图象。二次电子像和背反射电子反映样品表面微观形貌特征。而利用特征X射线则可以分析样品微区化学成分。
扫描电镜成像原理与闭路电视非常相似，显像管上图像的形成是靠信息的传送完成的。电子束在样品表面逐点逐行扫描，依次记录每个点的二次电子、背散射电子或X射线等信号强度，经放大后调制显像管上对应位置的光点亮度，扫描发生器所产生的同一信号又被用于驱动显像管电子束实现同步扫描，样品表面与显像管上图像保持逐点逐行一一对应的几何关系。因此，扫描电子图像所包含的信息能很好地反映样品的表面形貌。 4、 X射线能谱分析原理
X射线能谱定性分析的理论基础是Moseley定律，即各元素的特征X射线频率ν的平方根与原子序数Z成线性关系。同种元素，不论其所处的物理状态或化学状态如何，所发射的特征X射线均应具有相同的能量。
X射线能谱定性分析是以测量特征X射线的强度作为分析基础，可分为有标样定两分析和无标样定量分析两种。在有标样定量分析中样品内各元素的实测X射线强度，与成份已知的标样的同名谱线强度相比较，经过背景校正和基体校正，便能算出它们的绝对含量。在无标量定量分析中样品内各元素同名或不同名X射线的实测强度相互比较，经过背景校正和基体校正，便能算出它们的相对含量。如果样品中各个元素均在仪器的检测范围之内，不含羟基、结晶水等检测不到的元素，则它们的相对含量经归一化后，就能得出绝对含量。
三.仪器的组成
1、 扫描电镜的组成
扫描电子显微镜由电子光学系统、信号检测和放大系统、扫描系统、图像显示和记录系统、电源系统和真空—冷却水系统组成。 2、 X射线能谱仪的仪器结构
X射线能谱仪由半导体探测器、前置放大器、主放大器、脉冲堆积排除器、模拟识数字转换器、多道分析器、计算机以及显示器和打印机等组成。
四．仪器设备
1、 扫描电镜：JSM-5610LV （分辨率：3.5纳米） 2 、 X射线能谱仪： Phoenix （分辨率：129ev）
3、 喷镀仪：JFC-1600型和IB-3型离子溅射仪，JEE-420真空喷镀仪
五．样品形态和制备方法
制备合格的扫描电镜样品是能否获得扫描电镜观察预期最佳结果的先决条件，除环境扫描电镜外，其它扫描电镜的样品必须是固体，且在真空条件下能够保持长时间稳定。对于含水的样品必须进行干燥，表面被污染的样品要选择合适的溶剂进行清洗。有些样品必须用化学试剂腐蚀后才能显露显微结构，如金属样品、玻璃样品等。导电性差或不导电的样品，在电子束作用下会产生电荷聚集，阻挡入射电子束进入样品及样品内电子射出样品表面，造成图象质量下降，这类样品固定到样品台上后，要在离子溅射仪或真空镀膜仪中喷镀一层厚约10nm的导电层。
本实验要求学生动手制备粉末样品和块状样品，首先由实验老师详细介绍与学生所学专业有关的样品的保存与处理方法，如：水泥水化样品到了龄期要终止水化，且以小块状样品保存；微晶玻璃样品需要经过腐蚀处理后才能观察到微晶；陶瓷等脆性样品最好观察新断口；复合材料一般可直接观察力学断口；金属样品可以根据具体要求选择观察断口或经过抛光腐蚀后的表面；有机薄膜、橡胶等较软的样品通过液氮冷冻法可获得良好的断面。然后实验老师准备制样工具和样品，演示和讲解粉末样品、块状样品的制备方法，之后发给每位同学一个样品台进行制样，完成后由实验老师验收制备的样品是否合格并收回样品台。
常用的制样设备、工具与消耗材料
1.1常用的制样设备主要有镀膜用的离子溅射仪和真空镀膜仪； 1.2常用的制样工具有：剪刀、镊子、吸耳球、斜口钳、锤子等；
1.3常用的制样消耗材料有：导电双面胶、银导电胶、脱脂棉、酒精等。 2、样品的制备方法 2.1、粉末样品的制备：
粒径在0.01～1毫米的粉末样品，取少量样品均匀洒落在贴有双面胶带的样品台上，用吸耳球吹去未粘牢的颗粒即可；粒径小于0.01毫米的粉末样品，由于颗粒微小，用双面胶制样观察效果不佳，可采用悬浮法，用超声波分散后滴在割小的载玻片上，自然干燥即可。 2.2、固体块状样品的制备：
对于导电的固体样品只要取适合于样品台大小的试样块，注意不要损伤或污染所要观察的新鲜断面，用导电胶固定在样品台上，可直接放入扫描电镜中观察；对于导电性差或不导电的样品，采用同样的制样方法，制好的样品须喷镀一层导电层后再放入扫描电镜中观察。 2.3、生物样品的制备：
样品经取材和适当清洗后进行固定、脱水、临界点干燥或冷冻干燥，用双面胶带纸或导 电银胶固定在样品台上，喷镀导电层即可。 2.4、纤维样品的制备：
需要按观察要求将化纤、羊毛、棉纱等原丝或编织物横向（轴向）两端用胶带固定或纵向观察（观察断口或内部），也可以将纤维插进专业的套管或利用医学中常用的包埋法将其固定。
不导电样品表面需要蒸镀一层导电层，可有效地防止样品荷电，提高试样二次电子的发射率，减少试样表面的热损伤，增加导电、导热性。用于蒸镀导电层的材料有金、铂、银、铜、铝、碳等，观察二次电子象常选择金、铂作为蒸镀导电层的材料，这是因为金、铂易蒸 镀，膜厚易控制，二次电子发射率高，导电膜化学性能稳定。对于用背散射电子信号观察原子序数衬度像的样品需要进行抛光，不导电的样品还须在其表面喷碳（因镀金层吸收背散射电子过大，影响背散射电子信号观察）。