掃描電鏡中的電子束掃描是如何實現的
日期：2024-12-25
掃描電鏡（SEM）中的電子束掃描是其成像過程的核心。電子束掃描通過將聚焦的電子束按照預定路徑掃描樣品表面，不同位置的電子相互作用產生信號，形成圖像。以下是電子束掃描的工作原理和實現方式：
1. 電子束的產生與加速
電子槍：在掃描電鏡中，電子束的產生通常由熱發射電子槍（如鎢絲或LaB6槍）或場發射電子槍（FEG）來完成。電子槍通過加熱或施加高電場使電子從源點釋放。
加速器：電子從電子槍釋放后，會被加速至高能量。加速電壓通常為1-30 kV，這樣電子束在樣品表面擊打時具有足夠的能量（幾千到幾萬電子伏特）。
聚焦系統：加速后的電子束通過電磁透鏡系統進行聚焦，形成一個細小的電子束，這個束的直徑通常為幾納米到幾微米，取決于顯微鏡的分辨率。
2. 掃描方式
掃描信號的產生：電子束的掃描路徑是由一個偏轉系統控制的，通常是由一對X和Y軸的偏轉線圈組成。通過在X和Y軸上施加適當的電流或電壓，能夠控制電子束在樣品表面沿著二維網格（像素）進行掃描。水平掃描：電子束從左到右逐行掃描，沿水平方向運動。
垂直掃描：在完成一行掃描后，電子束會稍微移動到下一行，繼續掃描，直到完成整個圖像區域的掃描。
電子束的連續掃描：掃描過程一般是連續的，電子束在非常高的頻率下（通常是幾千赫茲至幾兆赫茲）在X和Y方向上來回掃描樣品表面，形成一個完整的掃描圖像。每個掃描周期對應圖像中的一個像素。
3. 信號的采集與成像
電子與樣品相互作用：當電子束擊中樣品表面時，會發生多種物理相互作用，如彈性散射、非彈性散射、次級電子發射、X射線發射等。這些相互作用產生的信號被探測器捕捉并轉換為電信號：二次電子（SE）主要用于表面形貌成像。
背散射電子（BSE）提供關于樣品組成的對比度信息。
X射線用于元素分析（如EDX分析）。
信號處理：通過電子束掃描樣品并收集到信號后，探測器的輸出信號被放大并傳輸到顯示系統。圖像的每個像素值對應一個電子束掃描位置的信號強度。
4. 圖像的生成
信號與像素的關聯：每個掃描位置的信號（如二次電子的強度）被與圖像中的一個像素關聯。隨著電子束逐行掃描，信號逐漸被累積，每個像素的亮度與信號強度成比例。
電子束掃描的方式：掃描可以是逐行掃描（如電視掃描）或逐點掃描。在逐點掃描的情況下，電子束每次只擊中一個點，但需要非常快的掃描速度來生成完整的圖像。
5. 掃描模式的選擇
快掃描與慢掃描：在掃描電鏡中，掃描可以通過不同的速度進行調整。較快的掃描速度適合快速成像，但可能導致分辨率降低；較慢的掃描速度則能提高圖像分辨率，但需要更長的時間。
恒定亮度模式與恒定增益模式：在圖像處理過程中，可以選擇恒定亮度模式或恒定增益模式。恒定亮度模式下，探測器的增益是恒定的；而在恒定增益模式下，信號強度會隨電子束的掃描位置而變化，以保持圖像的對比度。
6. 點掃描與區域掃描
點掃描模式：在點掃描模式中，電子束逐點掃描樣品，每次掃描時只關注一個特定位置。這種方式可以提高圖像的分辨率，但掃描速度較慢。
區域掃描模式：區域掃描模式中，電子束對較大的區域進行一次快速掃描。此模式下，圖像生成速度較快，但分辨率通常較低。
7. 掃描電鏡中的像素和分辨率
像素大小：在掃描電鏡中，圖像分辨率與像素大小密切相關。通過減少電子束掃描的步長或增大掃描次數，可以提高圖像分辨率，獲得更細膩的細節。
分辨率與束斑大小：電子束的束斑大小（即電子束的直徑）決定了分辨率的上限。束斑越小，分辨率越高。通常，束斑尺寸會受到電子槍的質量、加速電壓和樣品的影響。
8. 調節掃描區域
可調掃描范圍：掃描區域的大小通常可以根據需要進行調節。較大的掃描區域適合快速獲取整體圖像，而較小的掃描區域則適合進行細節成像或高分辨率成像。
9. 顯示與圖像重建
圖像顯示：隨著電子束的掃描和信號的采集，顯示系統會實時更新圖像。在計算機中，生成的信號會轉換成數字圖像并顯示在屏幕上。
圖像后處理：掃描電鏡系統可以對圖像進行后處理，例如調節對比度、亮度，或者對圖像進行平滑處理，以增強細節和提高可讀性。
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作者：澤攸科技