2.8　扫描偏转线圈

扫描控制系统的作用是使在镜筒中运行的电子束能按一定的方式和规律产生同步扫描。为了使电子束在试样上既能可控又能按规律做光栅状扫描，于是人们在镜筒内设计了上下两组用以驱动电子束的扫描偏转线圈。人们在显示屏上看到的扫描顺序都是从左到右，从上到下，逐点、逐行依序在试样表面的视场范围内进行有序扫描。由于要求电子束在试样上的扫描与显示屏上的扫描要完全同步，所以用同一个扫描信号发生器来同时控制和驱动镜筒中的扫描线圈和显示屏的扫描装置，以确保扫描方式和时序两者都能完全保持同步。

扫描偏转线圈是扫描电镜中的一个重要组件，不同的机型放置的位置不同，有的把它放置在第二聚光镜和物镜之间；也有的把它放置在物镜中部空间内，使电子束在未进入末级透镜的强磁场区之前就发生偏转。为保证方向一致的电子束能通过末级透镜的中心而入射到试样表面，现在的扫描电镜几乎全是采用麦哲马伦（McMullan）提出的双偏转扫描线圈串联驱动模式，如图2.8.1所示。当入射电子束进入上偏转线圈时，电子束的运行方向会发生转折，随后又通过下偏转线圈使它的方向发生第二次转折，在电子束偏转的同时又进行逐行扫描，电子束在下偏转线圈的作用下，在试样表面扫出一个矩形，相应地在显示屏上就会显现出一幅与它相对应的放大图像。若电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或摇摆扫描。入射电子束经上偏转线圈后，转折的角度越大，则电子束在入射点上摆动的角度也就越大。

电子束通过如图2.8.1所示的双偏转线圈中的上偏转线圈A之后，电子束以θA角偏离中心轴，该角度与偏转场中的磁场强度成正比，与电子束的加速电压的平方根成反比。通过下偏转线圈B后，电子束又以θB角折回中心轴，并通过物镜光栏中心。在实际应用中通常将上下偏转线圈串联，但上下线圈的绕向相反，即要使线圈产生的磁场方向的极性相反，这样只要同一电流通过上下线圈，而且在小偏转角度的情况下，有一个假设前提是认为tanθ≈θ，还有一个是上下线圈的匝数比NA和NB与线圈到光栏中心的距离hA和hB的比值应满足：

NB/NA=hA/hB

这样电子束将随偏转信号的频率而围绕物镜中心来回往复摆动，若hA=2hB，则NA/NB=1/2，NB=2NA，这是扫描电镜生产厂家最常采用的设计构思。在实际操作应用中，电镜倍率的调节往往是通过改变扫描线圈中的驱动电流来改变电子束的偏转角度，这是一种非常实用又方便操作的设计。因为观察用屏幕中的图像显示区域的尺寸是固定的，在一定的工作距离下，若电子束的偏转角越小，则在试样上所扫过的面积就越小，其所对应的放大倍率也就越大；反之，若电子束的偏转角越大，在试样上所扫过的面积也就越大，其所对应的放大倍率也就越小。电子束的偏转角度除了与扫描线圈的驱动电流的大小有关，还与入射电子束的能量有关。扫描系统电路在设计时还要考虑入射电子的加速能量和工作距离的不同所产生的倍率也会不同，因电子束的偏转角还与有效加速电压的平方根成反比。这几个参数的改变也都会使实际的放大倍率跟着改变，所以都需要在扫描电路中加设倍率校准补偿电路才能使校正补偿后的放大倍率更准确，即更接近于实际的放大倍率。这就是扫描电镜用于调节放大倍率最主要的方式和方法。

此外，还可以通过调整Z轴的高低来改变倍率，即通过改变WD来实现小范围内的倍率变化，也就是调节试样位置，把试样升高或降低，在正焦的情况下，放大倍率将会随工作距离的增大而减小。仅从调整Z轴的高低来改变放大倍率的大小，这样的倍率变化范围是很小的。因为Z轴从上到下这一段的高差本来就不大，通常大样品仓的WD变化范围一般是5～50mm，若是小样品仓的WD变化范围则更小，有的只有3～25mm。另外在实际应用时，若试样离物镜太远，则物镜的像差会随之增大，信噪比也会变差，图像的分辨力也会随之下降。所以通过调节Z轴的距离来调节放大倍率的大小是很有限的，故只能做小范围内的倍率调整。

目前，商品扫描电镜所显示的标称放大倍率都经过了一定的校正，主要是针对工作距离和实际加速电压的变化来自动调节其放大倍率，这样最后显示在照片上的放大倍率的精度还是比较高的。多数机型的电镜放大倍率，在万倍范围的误差要小于2%，千倍范围的误差要小于3%，百倍范围的误差要小于4%。对于电磁透镜来说，能达到这样的精度已经是很高了。因为实际的调焦过程都是从过焦到欠焦，又从欠焦回到过焦，这样来回反复多次的调节，直到正焦为止。在这种调焦过程所产生的磁场变化是非线性的，即使补偿电路能很好地补偿，但物镜磁场的剩磁影响和非线性变化也会给取样电路和模数转换带来一定的误差。在超低倍率的放大范围内误差就更大，如在100倍以下，其倍率的误差可能会超出5%，50倍时的误差可能会超出6%，25倍时的误差可能会超出7%。因为放大倍率越低，电子束的偏转角度越大，在低倍率下的大角度偏转时，前面的假设条件tanθ≈θ就会越来越偏离，当tanθ≠θ时，即使有补偿电路补偿，低倍时的放大倍率误差还是会比高倍率时的误差大，图像的正、负和各向异性畸变也会比较明显。

通过改变加在扫描线圈上的直流电平，可以在微小区域内连续移动照射在试样上的电子束的扫描区域，这称为束移动。束移动常用在高放大倍率的情况下，对感兴趣的图像区域进行精细位移，而试样和样品台实际上都是原地不动的。电子束的实际移动若超过10μm，一般需要重新聚焦和消像散，移动若在10μm以内，一般都不必重新调焦和消像散。

总之，对扫描电镜的整个扫描系统的基本要求是：

（1）在电子束所扫过的视场范围内束斑应都能保持良好聚焦。

（2）偏转线圈所产生的像差不应超过物镜球差或色差的极限。

（3）要有尽可能高的灵敏度，即用尽可能低的电压或安匝数来实现电子束的有效偏转。

（4）扫描器必须与屏幕的扫描始终保持完全同步。

扫描电镜在屏幕上显示的放大倍率通常会有几种不同的显示数值供用户选择，用户可以根据需要或习惯用法来选择合适的放大倍率显示模式，在图像下缘的数字条（data bar）上显示的放大倍率，依电镜型号的不同可能会出现以下几种模式。

（1）最常见的电镜显示倍率是屏幕的实时放大倍率，即所显示的倍率是呈现在屏幕上图像的边长与电子束在试样上同方向扫过的长度之比。

（2）有的机型可选择所显示的倍率是把所采集到的图像打印或拍摄成4in×5in（即102mm×127mm）照片面积时的倍数，图像的实际有效成像区域约为92mm×117mm时的面积所对应的放大倍率。

（3）有的机型还可选择所显示的倍率是通过视频拷贝机用热敏纸打印出来的3in×4in（即76mm×102mm）照片时的倍数，图像的实际有效成像区域约为68mm×92mm时的面积所对应的倍率。

同一个画面，可根据不同的输出方式和路径来选择其所对应的放大倍率。若选用不同形式的显示倍率，图像下缘数字条中显示的放大倍数的数值就会随所选用的不同形式而改变，显示出的倍数值有时可能会相差很大，使用时人们必须注意这倍率的变化，认清所显示倍率的实际含意。但图像下缘数字条中所显示的微米标尺的比例长度始终都会是准确的，除非是显示板中的模数转换电路产生自激、振荡等不正常的情况。在正常情况下，微米标尺的长度会依图像画面的倍率大小而成比例地伸缩。所以有些文稿中的照片为了避免所显示的放大倍率的数值造成混乱或误解，通常只要求显示微米标尺的比例长度，而不希望出现放大倍率的具体数值。

扫描电镜电子枪和镜筒的主要作用归纳如下。

（1）电子枪是电镜最重要的部件，从其阴极发射出来的电子束密度的大小对电镜图像分辨力的高低起到决定性的作用。

（2）镜筒中透镜的作用是把阴极发射出来的电子束斑逐级汇聚、缩小，使原来从阴极尖发射出来的电子束经两级聚光镜和一级物镜的压缩、汇聚、缩小形成纳米或亚纳米级直径的微细电子束。

（3）钨阴极和LaB6阴极的扫描电镜一般有三个电磁透镜，从上往下数，第一和第二这两个透镜是专用于汇聚、缩小电子束斑的强磁透镜，分别称为第一聚光镜和第二聚光镜。

（4）有的场发射的扫描电镜虽然也有三个透镜，但第一个聚光镜通常是静电透镜，第二个透镜才是电磁透镜，同样都是用于汇聚和缩小电子束斑的透镜，也同样分别称为第一和第二聚光镜。

（5）第三个透镜相对于上面两个汇聚透镜来说是弱磁透镜，该透镜下方用于放置试样，所以要有较长的焦距，该透镜通常采用上下不同尺寸的极靴，且使用上下不对称的结构，这样既可以减小下极靴的圆孔直径又可减少该线圈的漏磁对试样表面的影响。这第三透镜通常被称为物镜或末级透镜。

（6）有的机型把扫描偏转线圈设置在第二聚光镜和物镜之间，而有的把它设置在物镜的中部空间内，以便于能更灵敏地控制电子束的偏转。

（7）镜筒中通常还设置有3～4个光栏以用于遮挡那些非旁轴的杂散电子，多数机型的物镜光栏是可通过镜筒外部手动调节的多孔可变光栏。若是环境扫描或低真空的电镜，在镜筒下部和物镜极靴附近还会增加1～2个压差光栏，以此分段增压，既可以保证电子枪的高真空，又能使样品仓中的气压达到上百帕或上千帕的压力。