电镜学堂丨扫描电子显微镜的结构(一) - 电子光学系统

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发表时间:2020-07-08 11:56


§2. 电磁透镜


电磁透镜主要是对电子束起汇聚作用,类似光学中的凸透镜。电磁透镜主要有静电透镜和磁透镜两种。


①   静电透镜

一些特定形状的并成旋转对称的等电位曲面簇可以使得电子束在库仑力的作用下进行聚焦,形成这些等电位曲面簇的装置就是静电透镜,如图3-7。


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图3-7 静电透镜


静电透镜在扫描电镜中使用相对较少。不过电子枪外的栅极和阳极之间,自然就形成了一个静电透镜。另外一些特殊型号的电镜在某些地方采用了所谓的静电透镜设计。


②   磁透镜

电子束在旋转对称的磁场中会受到洛伦兹力的作用,进而产生聚焦作用。能使产生这种旋转对称非均匀磁场并使得电子束聚焦成像的线圈装置,就是磁透镜,如图3-8。


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图3-8 磁透镜


磁透镜主要有两部分组成,如图3-9。第一部分是软磁材料(如纯铁)制成的中心穿孔的柱体对称芯子,被称为极靴。第二部分是环形极靴的铜线圈,当电流通过线圈的时,极靴被磁化,并在心腔内建立磁场,对电子束产生聚焦作用。

磁透镜主要包括聚光镜和物镜,靠近电子枪的透镜是聚光镜,靠近试样的是物镜,如图3-10。一般聚光镜是强励磁透镜,而物镜是弱励磁透镜。


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                                                              图3-9 磁透镜结构                                              图3-10 聚光镜和物镜    

聚光镜的主要功能是控制电子束直径和束流大小。聚光镜电流改变时,聚光镜对电子束的聚焦能力不一样,从而造成电子束发散角不同,电子束电流密度也随之不同。然后配合光阑,可以改变电子束直径和束流的大小,如图3-11。当然,有的电镜不止一级聚光镜,也有的电镜通过改变物理光阑的大小来改变束流和束斑大小。


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                         图3-11 聚光镜改变电流密度、束斑和束流



物镜的主要功能是对电子束做最终聚焦,将电子束再次缩小并聚焦到凸凹不平的试样表面上。


虽然电磁透镜和凸透镜非常像似,不过电子束轨迹和光学中的光线还是有较大差别的。几何光学中的光线在过凸透镜的时候是折线;而电子束在过磁透镜的时候,由于洛伦兹力的作用,其轨迹是既旋转又折射,两种运动同时进行,如图3-12。


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图3-12 电子束在过磁透镜时的轨迹