自制扫描式电子显微镜原理与分析

提起电子显微镜，大多数人都认为高不可攀，深奥莫测，其实不然，自制一台简易扫描电子显微镜并非难事，笔者十年前曾经制作过一台，下面给打大家详细介绍一下。

扫描电子显微镜的工作原理与黑白工业电视非常相似，显示部分与黑白工业电视可以说是完全相同，只不过显像管用的是长余辉的，扫描电路是慢扫描的，再把屏幕转九十度观看而已；摄像部分的区别略大一些，它是把闪烁体上的图像用光电倍增管转换成电信号，而不是用CCD或者CMOS等传感器直接转换成电信号。闪烁体（相当于摄像管）上的图像是二次电子所激发产生的，这个图像面积很小，和电子曙在样品上扫描的面积相同，这个小面积上的图像将显示在整个显像管屏幕上。如果图像面积为1.8×140=25200平方毫米，那么放大倍数便为一万倍，见图1。业余爱好者制作一台简易的，用来观察集成电路芯片，各种金属、花粉以及死掉的昆虫等，十分有趣；只不过真空部分繁（烦）一些，必要时还得找个帮手。

电子成像是在镜筒里完成的。镜筒上部是电子枪，顶端有一条V字形灯丝（即阴极）是用0.12mm钨丝做成的，通入10~30KV的负高压。第二层是栅极，它像一个漏斗，用镍做成，中心有一个2毫米的小圆孔能让电子束穿过，加速极，也是一个中央有孔的圆镍片，四周与镜筒密合（接地）。镜筒中部有第一和第二聚光镜线圈、行场偏转线圈以及物镜线圈。镜筒最底下是样品台，它有机械手，可以调节样品台上下左右与倾角。电子束打在样品上便会产生第二子电子，二次电子又再打到闪烁晶体（碘化钠）上就发出荧光，很弱的荧光要由光电倍增管放大才能变成电信号。闪烁晶体和光电倍增管杯水平地安装在镜筒侧面，与镜筒垂直。请参看图2左边。镜筒内要保证约5×10^-6左右的真空，故所用的真空系统至少也要扩散泵才行。

第一、第二聚光镜以及物镜共三个线圈，其尺寸和匝数都是一样的，要求每个大约1000安匝，为方便起见，三个都绕成1000匝的空心线圈，可不加极靴；行场偏转线圈共四个，尺寸和匝数也都是一样的（行、场对称），绕好后套在四个圆柱形铜心上。偏转线圈本应该用木模绕成马鞍形，但由于扫描面积很小，线性较易保证，故绕成圆柱形也无妨，见图3所示。第一、二聚光镜线圈时串联起来用，它和物镜线圈都要用恒流源供电，其电原理图见图4所示。该电路的工作原理是这样的：若把线圈与标准电阻串联，只要保证电阻两端的电压恒定，则流过线圈的电流必定是恒流的。详细的原理与其他注意事项，大家可以参考《电子报》1994年2月6日第6期第七版上本人的文章“电子显微镜用的恒流电源”。为节约篇幅，此处便不仔细讲了。调节它们的电流大小，事先要用一小片荧光屏（10平方毫米即可）代替样品水平放置在镜筒内的样品台上，抽至真空，一边看着光斑的大小，一边调节两个电位器，使光斑又圆又细小才行。但是如果改变加速负高压，聚焦的情况则会变动，还需重调。

正规的显示器应该有两个对称的显像管，长短余辉各一个，屏幕尺寸为138×99mm²（七吋），工作行频有500Hz、100Hz、50Hz及20Hz等几挡（对应的帧频为2Hz、0.2 Hz、0.1 Hz及0.02 Hz），采用逐行扫描，所以帧频及场频。扫描频率越低图像越清楚。但由于长余辉显像管买不到，本人只好用一台九吋黑白电视机代替，由于它是中余辉管，所以行频不可能降得太低，我把行频定为4000 Hz，场频10 Hz，比原来电视的频率低了许多倍，原有的行场扫描系统当然不能用了，管颈上的行场偏转线圈要引出来接到新的慢扫描电路上。但为保持原来的高、中压工作正常，使屏幕能发光且亮度可调，还得再买一套同型号的行场偏转线圈作为假负载接上。原来的释放电路略加改造即可沿用，当然其中的行场消隐电路要改接到新的慢扫描电路上（本人曾按图5装过显示器，可效果尚不及用现成电视机改造者佳，所以图5的电路仅供参考，不作介绍。

行场扫描电路见图6 所示，扫盲的锯齿波不论行或者场均用单结晶体管产生，同时它们又是同步电路。单结晶体管产生的锯齿波，分别由两块集成功放放大后驱动显示器及镜筒内的行场偏转线圈。因为行场偏转线圈均系电感，为获得良好的线性，驱动电流应当是锯齿波，线圈两端的电压应当是矩形波，但在实践中情况没那么单纯，调节起来也是比较困难的。电位器P1、P2是调节行、场频率的，用示波器监视着，分别调成4000和10Hz即可锁住。另外四个电位器都是用来调节扫描幅度的，其中调节镜筒内扫描幅度的两个电位器，实际上就起着调节图像放大倍数的作用，图上已有说明。为简化起见，本人在扫描电路中没有设置线性补偿电路。

电子束加速高压电源见图7所示，它的主电路是一个它激式高频开关电源，开关管为Q4，型号3DD15，用555集成块构成的方波振荡器来激励。高频变压器次级获得的高压，经四倍压整流便可输出。此输出的负高压经330M电阻取样后分两路走：第一路送到运放比较器LM324的反相输入端与给定电压比较，然后输出，再经Q1、Q2和Q3放大后来调整开关管的供电电压+Ec。假设输出的负高压不稳变高，经此负反馈后+Ec就会自动变低，使输出的负高压下降以保持稳定。三个电位器P1、P2及P3分别把负高压调到10KV、20KV和30KV即可锁住。第二路送到一只100μA的表头上，作为高压指示，电流30μA则相当于-10KV，而61μA则相当于-20KV。高频变压器的次级是一个14吋的黑白机的高压包，磁芯为口字形。高压部分一定要放入邮箱中，注入变压器油浸泡一天后方可通电，而且引出线要用高压屏蔽线。该高压电源电路稳定度很高，笔者已作过许多台，其中一台现在正稳定地用于其他设备中呢！

既然图7这高压电源电路性能又好稳定度又高，那么其他高压电源为河不可借鉴呢！闪烁体电源时正高压。所以只需把倍压整流器的二极管极性调一下，并把比较器的两个输入端也对调一下即可，见图8所示。光电倍增管用的高压电源也如法炮制，只不过不必使用倍压整流了，见图9岁所示。（过去本人所制作的扫描电镜中，这两个电源，是借用成品JGY-3型高压稳压电源）。

灯丝电源电路已绘于图10中，亦采用它激式开关电源，次级至少要用一毫米粗的线来绕，因为高频电流难以测量，故先接到一只汽车大灯（50W者）上试，电位器开到最大时，能点得发红才行。工作时，因为次级上带有数万伏高压，故一定要放入油里，引出线照样要用高压屏蔽线。

光电倍增管电路见图12所示，因为电路很简单，这里就不再赘述其工作原理。场效应管后面若能加一级宽带放大器，再送到显示器的视放中，效果将更好。关于光电倍增管，各位还可以参考《电子报》1994年4月10日第15期七版上本人的文章。

图13二次电子收集电源，这是一台很普通的串联型稳压器，输出电压有100V和150V两挡。正规的电镜要求250V，但经本人多年试验证明，100V和250V效果毫无区别，因为100V时收集到的二次电子即已饱和。

图14是最后一张图了，它把我使用的镜筒内各主要电极的安装尺寸标出，供读者参考，这些尺寸不是唯一的，有许多种方案可采用。各位可参考有关“电子光学”方面的书籍。