CN113421813A - 一种高收集效率的扫描电镜电子探测器 - Google Patents

一种高收集效率的扫描电镜电子探测器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，其提高二次电子或者背散射电子的收集效率、能够进一步改善图像的信噪比和分辨力。其包括：栅网；法拉第杯；闪烁体；光导柱；光电倍增管；高压电源；电流放大电路板；不锈钢外壳；法拉第杯的电子信号输入端设置有外凸的筛网，法拉第杯的电子信号输出端朝向闪烁体布置，闪烁体的光子信号输出端朝向光导柱的输入端布置，导管柱的输出端连接至光电倍增管的信号输入端，光电倍增管的信号输出端连接电流放大电路板的信号输入端，光电倍增管连接有高压电源；不锈钢外壳内包覆有高压电源、光电倍增管、光导柱、闪烁体，不休钢外壳的前部输入端固装有法拉第杯。

Description

一种高收集效率的扫描电镜电子探测器
技术领域
本发明涉及物料转运的技术领域，具体为一种高收集效率的扫描电镜电子探测器。
背景技术
扫描电镜(SEM)是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。由于高能电子束入射到试样后在试样表面会激发出二次电子、背散射电子和X射线等多种信息。这些信息由相应的探测器检测，经信号处理和放大后传送到显示屏上来调制显示屏的亮度。扫描电镜就是采用这种逐行扫描、逐点扫描的方法，把试样表面的不同信息特征按顺序依次成比例地转换成视频信号，从而能够观察到与样品表面相对应的经过放大后的微观形貌图像。
二次电子是指试样被高能入射电子束轰击出来的核外电子，主要来自于距试样表面1～10nm之间深度的亚表面，二次电子能量在0～50eV之间，平均能量约30eV，所以这些二次电子能够很好的显示出试样表面的微观形貌。二次电子的发射率随原子序数的变化不是很明显，主要取决于样品的形貌。而背散射电子是指当入射电子与试样相互作用后，其中有一部分电子会返回表面逸出，能量大于50eV而小于入射能量。在一定的加速电压下，背散射电子的产额随试样原子序数的增高而增加。因此，利用背散射电子作为成像信号不仅能分析试样形貌特征，还可以用于显示化学组分的组成特征，粗略定性分析试样的组分分布。在当前主流的扫描电镜中，受限于方位角，电子信号的接收效率有限，存在信号逸出等问题，这降低了电子探测器的成像效率和分辨力。此外，利用常规E-T二次电子探测器接收背散射电子的效率只有2％～4％，并且信噪比很差。因此，常使用分立的二次电子探测器和背散射电子探测器用于分别实现形貌和组分成像。为此，急需通过改进探测器的结构，提高二次电子或者背散射电子的收集效率能够进一步改善图像的信噪比和分辨力，并且使用改造后的电子探测器同时探测二次电子和背散射电子可以降低探测器的成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，其提高二次电子或者背散射电子的收集效率、能够进一步改善图像的信噪比和分辨力，且同时具备探测二次电子和背散射电子的功能，从而降低探测器的成本，其通过切换栅网电压实现了试样形貌和化学组分的原位观察。
一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，其特征在于，其包括：
栅网，其通过施加正负电压对低能二次电子和高能背散射电子进行选择性吸引和排斥；
法拉第杯，其对栅网收集的电子信号进行收集和汇聚；
闪烁体，其将入射到闪烁体荧光层上的电子信号转换成光子信号；
光导柱，将闪烁体荧光层产生的光子信号传输到光电倍增管，避免光子信号损失；
光电倍增管，将传输过来的光子信号进行倍增放大，转换成电信号；
高压电源，为光电倍增管提供电压；
电流放大电路板，接收倍增放大的电信号，进行信号处理和电流放大、并将处理完成的信号传输至外接的显示屏显示；
不锈钢外壳，形成电磁屏蔽外壳，防止电子信号收到外部电磁场的干扰；
所述法拉第杯的电子信号输入端设置有外凸的筛网，所述法拉第杯的电子信号输出端朝向所述闪烁体布置，所述闪烁体的光子信号输出端朝向光导柱的输入端布置，所述导管柱的输出端连接至所述光电倍增管的信号输入端，所述光电倍增管的信号输出端连接所述电流放大电路板的信号输入端，所述光电倍增管连接有高压电源；
所述不锈钢外壳内包覆有高压电源、光电倍增管、光导柱、闪烁体，所述不休钢外壳的前部输入端固装有所述法拉第杯。
其进一步特征在于：
其还包括有宝石垫片，所述宝石垫片布置于所述闪烁体和光导柱的输入端之间，其用于防止光导柱与闪烁体直接接触，损坏闪烁体；
所述法拉第杯的输出通道的环壁上设置有石墨环，所述石墨环用于将电子信号充分汇集至后方的闪烁体荧光层；
所述闪烁体具体为P47闪烁、YAG闪烁体或YAP闪烁体；
所述光电倍增管的轴向前端为信号输入端，所述光电倍增管的轴向后端布置有所述高压电源，所述光电倍增管的轴向区域的旁侧设置有电流放大电路板，其使得整个产品的结构布置合理、方便；
所述不锈钢外壳包括后端壳体、中部连接件、前端壳体，所述后端壳体内包覆有高压电源、电流放大电路板、光电倍增管，所述中部连接件用于连接后端壳体、前端壳体，所述前端壳体和中部连接件所形成的轴向内腔内包覆有光导柱、闪烁体、宝石垫片，所述前端壳体的轴向前部安装有所述法拉第杯，所述法兰第杯的电子信号输入端外露于所述前端壳体、且固装有筛网；
优选地，所述筛网的网面前凸设置。
采用上述技术方案后，筛网外接电源，通过对筛网施加正电压，吸引进来的二次电子通过法拉第杯收集和汇聚后，经闪烁体前面的高压加速，入射到闪烁体的荧光层，闪烁体的荧光层在受到二次电子激发后便会发光产生光子信号，光子信号沿着玻璃光导柱传送到光电倍增管，把光信号转换成电信号并进行倍增放大，再通过电流放大电路板进行信号处理，最后经过功率放大就后信号输出至显示屏，显示屏显示视频图像；而当在栅网上施加负电压时，负电压会排斥低能二次电子，只能让高能背散射电子通过，经过法拉第杯收集和汇聚后，这些背散射电子入射到闪烁体上的荧光层，荧光层受激发产生的光电信号经转换和倍增放大后，最后同样成为显示屏中的视频图像；这种高收集效率的新型扫描电镜电子探测器能够通过切换不同的栅网电压实现低能二次电子和高能背散射电子的同时探测，并且利用法拉第杯增加了入射到闪烁体荧光层上的电子信号总数，提高了电子信号的收集效率，改善了图像的信噪比，最终实现高成像精度的图像；其提高二次电子或者背散射电子的收集效率、能够进一步改善图像的信噪比和分辨力，且同时具备探测二次电子和背散射电子的功能，从而降低探测器的成本，其通过切换栅网电压实现了试样形貌和化学组分的原位观察。
附图说明
图1为本发明的剖视图结构示意图；
图2为通过现有技术进行探测的成像；
图3为高收集效率扫描电镜电子探测器的成像；
图中序号所对应的名称如下：
栅网1、法拉第杯2、石墨环3闪烁体4、宝石垫片5、光导柱6、光导柱导向套筒组件61、第一盖板62、光电倍增管7、第二套管71、第一法兰盖72、后凸接电头73、高压电源8、电池安装壳81、第二法兰盖82、内凹槽83、电流放大电路板9、不锈钢外壳10、后端壳体11、连接环面111、中部连接件12、前端壳体13、封装盖板14、电路板安装盖板15。
具体实施方式
一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，见图1，其包括栅网1、法拉第杯2、闪烁体4、光导柱6、光电倍增管7、高压电源8、电流放大电路板9、不锈钢外壳10；
栅网1通过施加正负电压对低能二次电子和高能背散射电子进行选择性吸引和排斥；法拉第杯2对栅网1收集的电子信号进行收集和汇聚；闪烁体4将入射到闪烁体荧光层上的电子信号转换成光子信号；光导柱6将闪烁体荧光层产生的光子信号传输到光电倍增管7，避免光子信号损失；光电倍增管7将传输过来的光子信号进行倍增放大，转换成电信号；高压电源8为光电倍增管7提供电压；电流放大电路板9用于接收倍增放大的电信号，进行信号处理和电流放大、并将处理完成的信号传输至外接的显示屏显示；
不锈钢外壳10，形成电磁屏蔽外壳，防止电子信号收到外部电磁场的干扰；
法拉第杯2的电子信号输入端设置有外凸的筛网1，法拉第杯2的电子信号输出端朝向闪烁体4布置，闪烁体4的光子信号输出端朝向光导柱6的输入端布置，导管柱6的输出端连接至光电倍增管7的信号输入端，光电倍增管7的信号输出端连接电流放大电路板9的信号输入端，光电倍增管7连接有高压电源8；
不锈钢外壳10内包覆有高压电源8、光电倍增管7、光导柱6、闪烁体4，不休钢外壳10的前部输入端固装有法拉第杯2。
具体实施时、见图1：
其还包括有宝石垫片5，宝石垫片5布置于闪烁体4和光导柱6的输入端之间，其用于防止光导柱6与闪烁体4直接接触，损坏闪烁体4；
法拉第杯2的输出通道的环壁上设置有石墨环3，石墨环3用于将电子信号充分汇集至后方的闪烁体4荧光层；
闪烁体4具体为P47闪烁、YAG闪烁体或YAP闪烁体；
光电倍增管7的轴向前端为信号输入端，光电倍增管7的轴向后端布置有高压电源8，光电倍增管7的轴向区域的旁侧设置有电流放大电路板9，其使得整个产品的结构布置合理、方便。
具体实施例中、见图1：不锈钢外壳10包括后端壳体11、中部连接件12、前端壳体13，后端壳体11内包覆有高压电源8、光电倍增管7，后端壳体的旁侧设置有电路板安装盖板15，电路板安装盖板15和后端壳体11组合形成的腔体内放置有电流放大电路板9，光电倍增管7的信号输出端通过线连接或金属接触连接至电流放大电路板9的输入端，中部连接件12用于连接后端壳体11、前端壳体13，前端壳体13和中部连接件12所形成的轴向内腔内包覆有光导柱6、闪烁体4、宝石垫片5，前端壳体13的轴向前部安装有法拉第杯2，法兰第杯2的电子信号输入端外露于前端壳体13、且固装有筛网1；
筛网1的网面前凸设置、形成半球状结构；光导柱6的外环周设置有光导柱导向套筒组件61，光导柱导向套筒组件61的前部盖装有第一盖板62，闪烁体4、宝石垫片5通过第一盖板62安装在光导柱6的前端位置，光导柱导向套筒组件61的后端通过中间连接套63连接中部连接件12，光电倍增管7的外环周设置有第二套管71，第二套管71的后端设置有第一法兰盖72，高压电源8内置于电池安装壳81内，电池安装壳81的前端设置有第二法兰盖82，光电倍增管7的轴向后端设置有后凸接电头73，后凸接电头73定位插装于高压电源8的内凹槽83，第一法兰盖72、第二法兰盖82通过螺栓固接于后端壳体11的对应连接环面111，后端壳体11的末端盖装有封装盖板14。
具体实施例中，法拉第杯2具体为黄铜法拉第杯，筛网1具体为紫铜筛网，闪烁体4具体为P47闪烁体，光导柱6具体为K9玻璃光导柱，宝石垫片5具体为蓝宝石垫片。
具体实施时，筛网外接电源，通过对筛网施加+300V电压，吸引进来的二次电子通过法拉第杯收集和汇聚后，经闪烁体前面的高压加速，入射到闪烁体的荧光层，闪烁体的荧光层在受到二次电子激发后便会发光产生光子信号，光子信号沿着玻璃光导柱传送到光电倍增管，把光信号转换成电信号并进行倍增放大，再通过电流放大电路板进行信号处理，最后经过功率放大就后信号输出至显示屏，显示屏显示视频图像；而当在栅网上施加-150V电压时，负电压会排斥低能二次电子，只能让高能背散射电子通过，经过法拉第杯收集和汇聚后，这些背散射电子入射到闪烁体上的荧光层，荧光层受激发产生的光电信号经转换和倍增放大后，最后同样成为显示屏中的视频图像。
其能够通过切换不同的栅网电压实现低能二次电子和高能背散射电子的同时探测，并且利用法拉第杯增加了入射到闪烁体荧光层上的电子信号总数，提高了电子信号的收集效率，改善了图像的信噪比，最终实现高成像精度的图像；其提高二次电子或者背散射电子的收集效率、能够进一步改善图像的信噪比和分辨力，且同时具备探测二次电子和背散射电子的功能，从而降低探测器的成本，其通过切换栅网电压实现了试样形貌和化学组分的原位观察。
现有技术检测和具体实施例检测的对比如下
现有技术检测：在钨灯丝热发射扫描电子显微镜中使用常规的二次电子探测器，把标准锡球样品放入样品舱内，然后抽真空，在真空完成后，打开电子枪，将加速电压设置为20kV，工作距离为15mm，聚焦和消像散完成后在10000x放大倍数下观察锡球样品。采集图像(见图2)后可以发现图像模糊，边缘粗糙，对比度差。因此，在这种情况下，常规电子探测器的探测效率较低。
具体实施例检测：在钨灯丝热发射扫描电子显微镜中使用高收集效率的扫描电镜电子探测器，把标准锡球样品放入样品舱内，然后抽真空，在真空完成后，打开电子枪，将加速电压设置为30kV，工作距离为5mm，聚焦和消像散完成后在12000x放大倍数下观察锡球样品。采集图像(见图3)后可以发现图像清晰，边缘锐利，对比度明显，成像效果得到了极大的改善。因此，在这种情况下，该扫描电镜电子探测器的探测效率得到了极大的提高。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，其特征在于，其包括：
其包括：
栅网；
法拉第杯；
闪烁体；
光导柱；
光电倍增管；
高压电源；
电流放大电路板；
不锈钢外壳；
所述法拉第杯的电子信号输入端设置有外凸的筛网，所述法拉第杯的电子信号输出端朝向所述闪烁体布置，所述闪烁体的光子信号输出端朝向光导柱的输入端布置，所述导管柱的输出端连接至所述光电倍增管的信号输入端，所述光电倍增管的信号输出端连接所述电流放大电路板的信号输入端，所述光电倍增管连接有高压电源；
所述不锈钢外壳内包覆有高压电源、光电倍增管、光导柱、闪烁体，所述不休钢外壳的前部输入端固装有所述法拉第杯。
2.如权利要求1所述的一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，其特征在于：其还包括有宝石垫片，所述宝石垫片布置于所述闪烁体和光导柱的输入端之间。
3.如权利要求2所述的一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，其特征在于：所述法拉第杯的输出通道的环壁上设置有石墨环。
4.如权利要求1所述的一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，其特征在于：所述闪烁体具体为P47闪烁、YAG闪烁体或YAP闪烁体。
5.如权利要求1所述的一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，其特征在于：所述光电倍增管的轴向前端为信号输入端，所述光电倍增管的轴向后端布置有所述高压电源，所述光电倍增管的轴向区域的旁侧设置有电流放大电路板。
6.如权利要求3所述的一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，其特征在于：所述不锈钢外壳包括后端壳体、中部连接件、前端壳体，所述后端壳体内包覆有高压电源、电流放大电路板、光电倍增管，所述中部连接件用于连接后端壳体、前端壳体，所述前端壳体和中部连接件所形成的轴向内腔内包覆有光导柱、闪烁体、宝石垫片，所述前端壳体的轴向前部安装有所述法拉第杯，所述法兰第杯的电子信号输入端外露于所述前端壳体、且固装有筛网。
7.如权利要求1所述的一种高收集效率的扫描电镜电子探测器，其特征在于：所述筛网的网面前凸设置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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