掃描電子顯微鏡是利用聚焦得非常細的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信息。通過對這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得測試試樣表面形貌的觀察。掃描電子顯微鏡可粗略分為鏡體和電源電路系統(tǒng)兩部分。

真空系統(tǒng)

　　真空系統(tǒng)在電子光學(xué)儀器中十分重要，這是因為電子束只能在真空下產(chǎn)生和操縱。對于掃描電子顯微鏡來說，通常要求真空度優(yōu)于10^-3～10^-4Pa。任何真空度的下降都會導(dǎo)致電子束散射加大，電子槍燈絲壽命縮短，產(chǎn)生虛假的二次電子效應(yīng)，使透鏡光闌和試樣表面受碳氫化合物的污染加速等等，從而嚴重的影響成像的質(zhì)量。因此，真空系統(tǒng)的質(zhì)量是衡量掃描電子顯微鏡質(zhì)量的參考指標之一。

　　常用的高真空系統(tǒng)有如下三種：

　　①油擴散泵系統(tǒng)。這種真空系統(tǒng)可獲得10^-3～10^-5Pa的真空度，基本能滿足掃描電子顯微鏡的一般要求，其缺點是容易使試樣和電子光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)壁受污染。

　　②渦輪分子泵系統(tǒng)。這種真空系統(tǒng)可以獲得10^-4Pa以上的真空度，其優(yōu)點是屬于一種無油的真空系統(tǒng)，故污染問題不大，但缺點是噪音和振動較大，因而限制了它在掃描電子顯微鏡中的應(yīng)用。

　?、垭x子泵系統(tǒng)。這種真空系統(tǒng)可以獲得10^-7～10^-8Pa的極高真空度，可滿足在掃描電子顯微鏡中采用LaB6電子槍和場致發(fā)射電子槍對真空度的要求。

　　目前商品生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡，多采用油擴散泵系統(tǒng)，為了減輕污染程度和提高真空度，常在油擴散泵上方安裝一個液氮冷阱，從而大大改善真空系統(tǒng)的質(zhì)量。

電子槍

　　電子槍的作用是產(chǎn)生電子照明源，它的性能決定了掃描電子顯微鏡的質(zhì)量，商業(yè)生產(chǎn)掃描電子顯微鏡的分辨率可以說是受電子槍亮度所限制。

　　目前，應(yīng)用于電子顯微鏡的電子槍可以分為三類。

　?、僦睙崾桨l(fā)射型電子槍。陰極材料是鎢絲(直徑大約0.1～0.15mm)，制成發(fā)夾式或針尖式形狀，并利用直接電阻加熱來發(fā)射電子，它是一種Z常用的電子槍。

　?、谂詿崾桨l(fā)射型電子槍。陰極材料式用電子逸出功小的材料如LaB6，YB6，TiC或ZrC等制造，其中LaB6應(yīng)用Z多，它是用旁熱式加熱陰極來發(fā)射電子的。

　　③場致發(fā)射型電子槍。陰極材料是用(310)位向的鎢單晶針尖，針尖的曲率半徑大約為100nm。它是利用場致發(fā)射效應(yīng)來發(fā)射電子的。

　　目前商業(yè)生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡大多是采用發(fā)夾式鎢燈絲電子槍的。

　　影響電子槍發(fā)射性能的因素：

　?、贌艚z陰極本身的熱電子發(fā)射性質(zhì)(如電子逸出功，幾何形狀等);

　　②燈絲陰極的加熱電流。試驗表明，發(fā)射電流強度是隨著陰極加熱電流的增加而增加的;

　?、垡话銇碚fα角越大，故可以獲得較大的電子束強度，但燈絲的壽命卻越短;

　?、荜枠O的加速電壓Vo。因為燈絲的亮度是同加速電壓Vo成正比的，故高的加速電壓可以獲得較大的發(fā)射電流強度。

透鏡系統(tǒng)

　　1、基本要求

　　透鏡系統(tǒng)的作用有三：①把虛光源的尺寸從幾十微米縮小到5nm(或更小)，并且從幾十微米到幾個納米間連續(xù)可變;②控制電子束的開角，可以在0.01~0.001rad范圍內(nèi)可變;③所形成的聚焦電子束可以在試樣的表面上作光柵狀掃描，且掃描角度范圍可變。

　　為了獲得上述掃描電子束，其透鏡系統(tǒng)通常是由電磁透鏡，掃描線圈和消像散器等組成。采用電磁透鏡的優(yōu)點是：這種透鏡可以安置在鏡筒外面，可避免污染和減小真空系統(tǒng)的體積，而且透鏡的球像差系數(shù)較小。

　　2、透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型

　　目前掃描電子顯微鏡的透鏡系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)：①雙透鏡系統(tǒng);②雙級勵磁的雙級透鏡系統(tǒng);(c)三級勵磁的三級透鏡系統(tǒng)。其中以三級勵磁透鏡系統(tǒng)具有較多優(yōu)點，其理由如下：①多一級透鏡的效果是使電子束的收縮能力更強，對原始光源的尺寸要求不高，仍可以獲得小于5nm的電子束斑;②電子光學(xué)系統(tǒng)具有較大的靈活性，便于形成各種掃描式的光路，特別是要形成單偏轉(zhuǎn)搖擺掃描式的光路(這是一種獲得選區(qū)電子通道花樣的光路)，只有用三個獨立可調(diào)的透鏡系統(tǒng)才有可能做到。

　　3、末級透鏡的結(jié)構(gòu)

　　在掃描電子顯微鏡中，前級透鏡的作用是聚光鏡，把從電子槍所發(fā)射出的電子束聚成足夠細的束斑，而末級透鏡的作用是物鏡，末級透鏡的像差直接影響成像的分辨率，因此，在末級透鏡的設(shè)計上，如何降低其球像差是主要任務(wù)。

　　裝在末級透鏡中的像散校正裝置是采用八極式電磁消像散器，其用途是消除由于透鏡污染(其效果是導(dǎo)致像場的畸變)所產(chǎn)生的像散。

　　在掃描電子顯微鏡中，從下極件到試樣上表面的距離(沿光軸方向量)習(xí)慣稱為工作距離。經(jīng)驗表明，工作距離對掃描電子像的像差有很大影響。

　　因此，雙偏轉(zhuǎn)線圈的安裝位置十分重要。為了可以獲得小的工作距離，Z好把掃描線圈裝在透鏡中物空間的位置。

　　末級透鏡光闌的作用是控制電子束的開角，從而控制圖像的景深(它與電子束開角的大小成反比)。如果觀察圖像時所采用的工作距離為D，光闌孔徑為a，則電子束的開角2α由下式來確定：2α=a/D;掃描電子顯微鏡的工作距離越大，2α越小，相應(yīng)焦深越大。由于掃描電子顯微鏡的焦深大，故所得圖像Z富有立體感，特別宜于觀察高低不平表面。

樣品室

　　在掃描電子顯微鏡中，一個理想的樣品室，在設(shè)計上要求如下：①為了試樣能進行立體掃描，樣品室空間應(yīng)足夠大，以便放進試樣后還能進行旋轉(zhuǎn)、傾斜和沿三度空間做平移動作，并且能動范圍越大越好;②在試樣臺中試樣能進行拉伸、壓縮、彎曲、加熱或深冷等，以便研究一些動力學(xué)過程;③樣室四壁應(yīng)有數(shù)個備用窗口，除安裝電子檢測器外，還能同時安裝其它檢測器和譜儀，以便進行綜合性研究;④備有與外界接線的接線座，以便研究有關(guān)電場和磁場所引起的襯度效應(yīng)。

　　近代的大型掃描電子顯微鏡均備有各種高溫、拉伸、彎曲等試樣臺，試樣Zda直徑可達100mm。此外，在樣品室的各窗口還能同時聯(lián)接X射線波譜儀、X射線能譜儀、二次離子質(zhì)譜儀和圖像分析儀等。