一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，将材料预制成特定形状的光路模型，与样品模型搭配使用，借助电磁铁对软磁材料的吸引的机制，来实现模拟扫描电镜中电子束旋转、聚焦、偏转、与样品相互作用及信号采集全过程的目的，避免了使用光学透镜模拟带来的不利效果。本发明专利技术还提供了一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置。所述装置置于透明的镜筒和样品仓内，演示部件除了便于被观察之外，还非常便于布置和改装。本发明专利技术的有益效果是：可以演示扫描电镜成像的全过程，即演示从电子束产生到信号接收的全过程及其蕴含的深层次原理；整个演示过程直观、形象，使得原理非常容易理解，装置还具有低成本、易改装等特点。

A scanning electron microscope demonstration method and device without optical lens

The present invention provides an optical lens without using scanning electron microscope demonstration method, the light path model materials perform to a specific shape, the use of collocation and sample model, with the help of the electromagnet of soft magnetic materials attract mechanism to achieve the simulation of the scanning electron microscope electron beam focusing and deflection, rotation, and interaction with the sample the signal acquisition process to avoid the use of optical lens simulation brings adverse effect. The invention also provides a scanning electron microscopy demonstration device that does not use an optical lens. The device is placed in a transparent lens tube and a sample bin, and the demonstration part is easy to be arranged and modified in addition to the convenience of being observed. The invention has the advantages that the whole process can demonstrate the SEM imaging, which is generated from the electron beam to demonstrate the deep principle the whole process and its signal; the whole demonstration process is visual, the principle is very easy to understand, the device has low cost, easy modification etc..

【技术实现步骤摘要】
一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法与装置
本专利技术涉及扫描电子显微镜，尤其涉及可视化的扫描电镜演示方法与装置。
技术介绍
扫描电子显微镜（简称扫描电镜）目前广泛应用于材料科学、环境科学、生命科学、电子制造、新能源、失效分析等等领域，用于反映样品的微观形貌和成分等诸多信息，功能强大、应用广泛。因此，扫描电镜已经成为国内外各大高校和科研机构涉及材料领域研究的标配，让使用该设备的大学师生及科研和检测人员熟悉并了解扫描电镜的原理和特点，需要较长时间的讲授和培训。扫描电镜实现原理是：电子枪发射的电子束经过光阑和电磁透镜（习惯也称聚光镜），汇聚后，扫描线圈使其在二维方向上偏转，经强磁透镜（习惯称物镜）汇聚成细束斑作用到样品上，收集样品表面激发出的各种信号就可以得到该处的信息。由于扫描线圈使电子束在二维方向上偏转，电子束在微小的样品表面可以逐点扫描，显示器也同步进行逐点扫描从而形成放大的图像。其中，电镜的放大倍率M=D/d，其中D为显示器上图像的边长，d为扫描区域的边长，D是不变的，通过调整扫描线圈的电流，来控制d的大小可以非常方便的控制放大倍率M。当一束聚焦的高能电子束入射到样品表面时，样品与电子束相互作用会产生各种可被探测的信号，比如扫描电镜常用的背散射电子、二次电子和特征X射线，它们有不同的能量、信号溢出区并能反映样品的形貌、结构和元素的信息。其中二次电子能量小（小于50eV），运动轨迹容易受外界电磁场干扰，信号溢出区小，反映了样品表面和形貌的信息；背散射电子能量大（大于50eV），运动轨迹不易受外界电磁场干扰，信号溢出区也大，同时也反映了元素的信息；特征X射线信号溢出区更大，而且能定性和定量反映样品元素的信息。因为以上信号各自的特点，扫描电镜有不同位置和类型的探测器来接收信号，常见的有样品仓内的电子探测器，物镜内的电子探测器，各种专用的背散射电子探测器，以及能谱探头等。样品仓内的电子探测器可以收集二次电子和背散射电子信号，背散射电子各向发散所以可以被其探测，而二次电子能量弱，该探测器表面加正偏压吸引二次电子。物镜内的电子探测器一般位于物镜上方，因为物镜是倒圆锥的结构，下方只留有电子束通过的很小的开口，所以自身能量很大的背散射电子很难被改变方向，射向物镜后基本都被物镜本身吸收进不了开口，而本身能量低的二次电子，则会受到探测器表面正偏压的吸引（电镜厂商甚至在物镜内加装电磁场来加强这种吸引力）而被探测器吸收。因此物镜内的电子探测器可以收集较大比例二次电子以获得关于样品表面形貌的高分辨图片。专用的背散射电子探测器与物镜内的电子探测器相反，在其表面设置负偏压，使能量高的背散射电子能够到达探测器表面的同时能量低的二次电子被排斥掉。在扫描过程中，试样表面的细微起伏会使各点二次电子和背散射电子信号的强度有所不同，在显示器的图像上表现为明暗反差的不同，这种差别叫衬度或者反差。对于二次电子，衬度主要产生于形貌的不同，通俗来讲就是凸出或者有尖峰的点信号比平整和凹处的点更强，在图像上也更亮；对于背散射电子，衬度除了跟形貌有关外，还跟元素有关，一般原子序数高的更亮。目前存在的困难众所周知电子束跟样品相互作用会产生很强的辐射，所以整个电子光学系统都被金属封闭在真空的电子腔和样品舱内，加上众多的部件，使用电镜本身或者使用电子束做演示的装置不能直观展示整个成像过程。目前在本科生和研究生的实验教学中，分析测试技术课程内扫描电子显微镜内容的讲解是其重要组成部分，但是现有的教学往往只涉及理论的讲授，既不形象又难直观，而且课堂内容上扫描电镜的光路图常借用光学透镜来表达电子束的聚焦过程，很多学生学习后还误以为扫描电镜中会使用光学透镜。市场上也没有现成的关于扫描电镜的实体教学模型，在已有的申请专利中，申请号CN201510498386.8所述的装置其实是制造一种完整的扫描电镜实体，需要非常多的配件、复杂的工艺、多方的配合和不菲的造价，不实用也不能直观地观察电子束的汇聚电子束与样品的相互作用过程。同属电子显微镜的透射电镜，申请专利号CN201610237039.4和CN201610326811.X则是使用光学透镜来模拟电子束行为，但是并不能演示电子光学中的独特现象，比如电子束在聚光镜磁场中是旋转前进的，而且使用透镜的光路系统非常复杂，部件多且需要精密的调节。于是，如何设计出一种实体的扫描电镜演示模型，使扫描电镜的教学和演示直观、形象、易懂，具有较大的实际意义。
技术实现思路
用于解决问题的方法为了设计一种实体的扫描电镜演示模型，本专利技术提供了一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法与装置，可以在不使用光学透镜的基础上，演示扫描电镜成像的整个过程。为了克服以上困难，本专利技术提供的一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法与装置从以下几个方面入手1．演示电子束汇聚这个过程既要直观又要可见，既然电子束本身不适合，那么最直接的方法是使用光束，模拟电子束的汇聚最直接的方法就是使光束在凸透镜中聚焦，但是这种方法需要在暗室条件下进行且需要严格的校准操作，并不利于现场演示，更不利的是电子束在磁场中受洛伦兹力的作用，聚焦的同时运动轨迹是旋转的，而非光线的直线运行，光束不能演示这种情形，同时不加以仔细讲解，学生有可能误以为电镜里边存在凸透镜这种光学组件，因此使用光学透镜聚焦光束的机制来演示电子束汇聚的原理存在很多不利效果。所以，本专利技术尝试不使用光学透镜，只是把透光或者发光材料预先做成螺旋向下且曲率逐渐增加的形状，直接模拟电子束的在磁透镜中汇聚的轨迹。2．扫描电镜的扫描成像，是通过改变扫描线圈的电流，改变电磁场来使得电子束朝预定方向偏转来实现的，如果使用光学透镜装置来模拟此过程，改变光束的方向并进行有序的偏转必然会用到复杂的机械装置和光学装置，比较难以实现。本着去繁就简的原则本专利技术使用了一种非常简单的方法，该法基于电磁铁对软磁材料的吸引，具体是在模拟的电子束焦点处固定一块软磁材料，模拟的样品台的方格内置电磁铁（样品台有很多方格，每个方格代表一个像素点），待扫描的方格施加电磁场，软磁材料就会向其运动，每个方格依次按程序开关电磁场就可以非常容易演示电子束的偏转过程。3．另外就是电子束与样品的相互作用，目前也没有演示模型，教学更多是结合图片进行讲解，受训者难有直观体会。本专利技术也设计了一个相互作用模型，通过两个模块的对比来解释电镜衬度的形成，通过剖面图演示信号溢出区，通过使用不同的材质演示不同的信号类型和特点，同时结合主体装置使用，基于电磁铁对软磁材料的吸引的机制还可以演示不同信号的接收和利用情况。4．在信号探测器方面，为了突出形貌、突出成分或者进行信号的复合，需要采集不同信号、不同比例、甚至是不同轨迹的二次电子和背散射电子，因此不同电镜厂商设计了种类繁多、位置各异的探测器，目前也没有模拟装置。但是其原理无非是在采集信号电子的时候，考虑其运动轨迹，把探测器置于不同位置，然后附加以电场或磁场来改变他们的轨迹来筛选并收集它们。因为本专利技术的设计使用了软磁材料和电磁铁的磁场作用，非常易于模拟以上的原理，而且整个装置置于透明的罩子中，可以将各种探测器模型方便设置于模型中并被直观看到，在不同地方设置电磁铁，模拟电场和磁场对电子的作用也非常容易，模拟过程简单、直观，扩展性更大。5.因为光是在预先制成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：不使用光学透镜，而是将光路预制成特定的形状，构成光路模型，与样品模型搭配使用，并且基于电磁铁对软磁材料的吸引来演示扫描过程和信号接收的过程。

【技术特征摘要】
1.一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：不使用光学透镜，而是将光路预制成特定的形状，构成光路模型，与样品模型搭配使用，并且基于电磁铁对软磁材料的吸引来演示扫描过程和信号接收的过程。2.根据权利要求1所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：使用透光或发光材料预制成光路模型，光路又分成上下两部分，分别是演示电子束轨迹的上部光路和演示扫描原理的下部光路，上部光路做成螺旋向下且曲率逐渐增加的形状并保持固定，下部光路可以在磁场作用下偏转。3.根据权利要求2所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：所述透光或发光材料选择细长的LED灯带、玻纤、塑料纤维或者发光光纤等材料，所述透光或发光材料为毫米级粗细，不与光源发生全反射和强烈吸光现象。4.根据权利要求2所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：在透明镜筒内设有固定装置，将所述固定装置分别与上部光路、下部光路连接，通过所述固定装置来固定上部光路，使下部光路可以活动。5.根据权利要求2所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：在所述下部光路的底端设置软磁材料，可以在磁场作用下偏转。6.根据权利要求1所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：除光路模型外还...

【专利技术属性】
技术研发人员：高尚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44