人类智慧促使着科技不断发展，从而开始了我们对于现存空间的无限探索。

大到宇宙苍穹，小到微观世界，我们沉醉于浩瀚星河的磅礴壮阔，也痴迷于微观材料世界的奇妙引力。

没有什么能阻挡我们探秘的步伐，今天，我们就借用扫描电子显微镜来走进材料的微观领域，感受科学技术的力量！

我们首先一起来简单了解一下，什么是扫描电子显微镜？它是凭借什么优势来带领我们探秘微观世界的！

扫描电镜（Scanning Electron Microscope ,简称SEM)利用电子束打在样品表面逐点扫描，与样品作用产生各种信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在显示屏上反映样品表面各种特征的像，且有强烈的立体感。

扫描电子显微镜的原理①

扫描电子显微镜是一个复杂的系统，浓缩了电子光学技术、真空技术、精细机械结构以及现代计算机控制技术。

扫描电子显微镜是在加速高压作用下将电子枪发射的电子经过多级电磁透镜汇集成细小的电子束。

以上动图来源：材料测试

在试样表面进行扫描，激发出各种信息，通过对这些信息的接收、放大和显示成像,以便对试样表面进行分析。

扫描电子显微镜的结构②

结构: SEM 主要包括电子光学系统、电子系统、显示部件和真空系统组成。

电子光学系统：主要包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。

电子系统：主要包括电源系统和检测系统。电源系统主要是指各种部件的电源，如加速电压电源、透镜电源和光电倍增管电源等。检测系统主要由探测器、信号放大器和电信号处理器组成。

显示部件：主要是显像管，将经处理后的信号通过显像管转换成图像显示。

真空系统：真空系统为电子光学系统提供必需的高真空，保证了电子束的正常扫描，还可以防止样品受到污染。

1. 有较高的放大倍数，20倍-20万倍之间连续可调；

2. 有很大的景深，视野大，图像的分辨率高，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构，还能获得与形貌相对应的多方面的信息；

3. 对于导电材料，可直接放入样品室进行分析，对于导电性差或绝缘的样品则需要喷镀导电层；

4. 制样简单，能够直接观察大尺寸试样的原始表面，同时辐照对样品表面的污染小；

5. 在不牺牲扫描电子显微镜特性的情况下扩充附加功能，如与EDS联用，可对材料的成分进行分析。

在我们对SEM有了一个稍细致的了解之后，接下来就着重进入其在微观材料领域的应用，看看能为我们呈现哪些极富价值的景观！

美信检测实验室对于扫描电子显微镜技术应用于材料及零部件检测方面有着丰富的经验：

对于金属材料的分析方面，涉及金属材料断裂失效分析、金属材料的表面缺陷分析、金属材料的微区化学成分分析等；

对于非金属材料而言，涉及材料纳米级尺寸检测、材料的表面形貌观察与测量、涂镀层表面形貌分析与镀层厚度测量、材料的微区化学成分分析等。下面，我们一一来展示这些应用：

一、扫描电子显微镜在金属材料领域的应用

（1）金属材料断裂失效分析。常见以磨损、腐蚀、断裂、变形等失效形式存在。通过对断口微观形貌的观察，根据脆性断裂及韧性断裂机理，结合材料受力状态分析，找出失效根源。

（2）金属材料的表面缺陷分析。常见缺陷以起泡、翘皮、裂纹等形式存在。利用扫描电子显微镜对金属表面或界面的薄层进行组分、结构和能态等分析，揭示金属材料及其制品的表面形貌、成分、结构或状态。

（3）金属材料的微区化学成分分析。分析表面形貌及微区成分，为失效机理推断提供定性定量依据。

判定合金中析出相或固溶体的组成、测定金属及合金中各种元素的偏析、研究电镀等工艺过程形成的异种金属的结合状态、研究摩擦和磨损过程中的金属转移现象以及失效件表面的析出物或腐蚀产物的鉴别等。

二、扫描电子显微镜在非金属材料领域的应用

（1）材料的表面形貌观察

通过扫描电子显微镜观察材料表面形貌，为研究样品形态结构提供了便利，有助于监控产品质量，改善工艺。

观察的主要内容是分析材料的几何形貌、材料的颗粒度及颗粒度的分布、物相的结构等。

（2）涂镀层表面形貌分析与镀层厚度测量

常见涂镀层失效现象有：褪色、图案模糊、表面磨损、腐蚀等，通过对涂层表面形貌的观察与分析，可以有效的对产品质量进行管控。材料剖面的特征 、零件内部的结构及损伤的形貌，都可借助扫描电子显微镜来判断和分析。

涂镀层厚度直接影响了零件或产品的耐腐蚀性、装饰效果、导电性、产品的可靠性和使用寿命，因此，镀层厚度在产品质量、过程控制、成本控制中都发挥着重要作用。使用扫描电子显微镜能精确测量材料镀层厚度，且成像清晰。

（3）材料的微区化学成分分析

分析过程中，获得形貌放大像后,往往希望能同时进行原位化学成分或晶体结构分析,提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在内的更多信息,以便能更全面、客观地进行判断分析。

为此,相继出现了扫描电子显微镜——电子探针多种分析功能的组合型仪器，如常与EDS(X射线能谱仪)联用，对材料进行定性半定量分析。

（4）扫描电子显微镜分辨率可达纳米级别，可对纳米材料进行观察。

纳米材料的一切独特性能主要源于它的超微尺寸,通过使用高分辨率的SEM对纳米级材料进行形貌观察和尺寸检测，对纳米材料的研究及应用起到了基础性的作用。

三、扫描电子显微镜的实际应用案例展示

（1）某PCB板，需要对指定位置的IMC层厚度进行测量，得到如下结果。

（2）对某LED芯片进行内部结构观察。

（3）使用 SEM+EDS对某轴断裂位置进行观察。

得到其定性半定量分析结果，进而为失效原因分析提供微区化学方面的依据。

（4）某车用塑料零件出现断裂现象，使用SEM观察断口情况。

由此，我们看到了扫描电子显微镜（SEM）在材料的微观领域的诸多应用，其应用涉及的行业领域十分广泛，如材料、电子、航空、汽车地学、冶金、机械加工、半导体制造、陶瓷品等。美信检测作为专业的第三方检测实验室，在SEM相关检测项目方面拥有丰富的实践经验，针对不同的产品和客户需求，采用不同的材料分析方法和测试标准，帮助企业监控产品质量，维护产品品质！

①07)02-0081-04《扫描电子显微镜及其在材料科学中的应用》朱琳

②1001－) 19－0028－03《扫描电子显微镜的结构及对样品的制备》王醒东，林中山等

③07)05(c)-0005-02《扫描电子显微镜在非金属材料分析中的》王蕾，张静等

④《现代制造技术与装备》2010第1期总第194 期《扫描电镜对金属材料失效及表面缺陷的研究》曹鹏，孙黎波等

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大家上学的时候一定都见过或者亲手操作过显微镜，借助它我们能看到细胞、纤维等各种微小的结构。

随着科学家对材料科学研究的逐渐深入，普通的光学显微镜已经无法满足人们的需求。于是，人们用电子束、中子束等代替光束，射入物体内部，窥探物体内部更小的结构。

今天要为大家介绍的就是中国自主研发建造的一套超强、超大的“显微镜”——中国散裂中子源（CSNS）。

先上图感受下它的全貌：

小伙伴们是不是惊呆了？说好的显微镜呢，这看起来明明是一座座“大工厂”啊！

其实，严格来讲中国散裂中子源是一台粒子加速器。加速器就像一个制造中子的车间，能够产生大量飞快运动的中子，我们把这些中子收集、减速，并使其射入材料中，就能探测到材料内部的微观结构了。

加速器是什么？中子又是何方神圣？为什么它可以用来探测物体的微观结构？下面就和小编一起了解下吧~

我们知道，常见的物质一般都由分子或原子构成，原子又可分为核外电子和原子核两部分，原子核中又包含了许多紧密结合在一起的质子和中子。

一般情况下，原子核十分稳定，不会轻易地解体、破裂。不过当外来的高能粒子，如飞速运动的质子，撞击到原子核时，原子核中的一些中子就会被撞出来，就好像打台球一样，这个过程被称为散裂反应。

原子核被轰击之后，除了会直接被撞出去一些中子外，一部分碰撞的能量传递到了原子核内部，使得原子核的“温度”升高，其内部的中子和质子剧烈地振动，并且互相之间不断发生碰撞。

当原子核内部的能量高到一定程度时，其内部更多的中子就会“沸腾起来”，脱离原子核的束缚，射向四面八方。

就好比一个碗中装满了小钢珠，当我们用另外一个小钢珠飞快地射入碗中时，一些小钢珠会被直接撞飞。

此外，由于碰撞，碗中没有被直接撞飞的钢珠也会来回滚动、撞击、弹跳，一些弹跳剧烈的钢珠就会溢出碗外。

通常一个飞速驶来的质子可以从原子核中轰击出20~30个中子，当质子源源不断地轰击时，就能高效地生产出大量的中子。

知道了中子怎么来的，下面我们还需要获得轰击原子核用的“子弹”——高能质子。

前面提到过，中国散裂中子源本质上是一台粒子加速器。我们知道，相同的子弹，速度越快，威力越大。加速器的作用是给轰击原子核用的“子弹”加速，使其获得能够撞碎原子核的能量。

中国散裂中子源采用的子弹是质子。首先，离子源产生制造质子的原料——负氢离子。负氢离子产生后随即进入带有强电场的直线加速器。

我们知道带电粒子可以在电场作用下沿一个方向加速。直线加速器中的强电场可以使带负电的负氢离子一边沿着直线加速器运动，一边加速。负氢离子在加速器中走得越远，速度就越快。

不过，直线加速器的长度是有限的，一旦负氢离子走到加速器的另一端，就没办法继续加速，这时就需要环形加速器来帮忙。

负氢离子走到直线加速器末端并获得一定的速度后，会经过一个剥离膜，使其脱胎换骨，变成我们需要的子弹——质子。

负氢离子转变为带正电质子进入环形加速器。环形加速器中不仅有电场，还有磁场。电场负责给质子加速，磁场则专门让质子转弯。

在电场和磁场的相互配合下，质子会一边加速一边拐弯，由于加速器是环形的，质子可以一圈圈地在加速器内持续加速，不受空间限制。

在经历数圈的加速后，当质子运动速度大小接近0.9倍光速（光速是宇宙中最快的速度， m/s）时，即可将它从环形加速器中导出，进入靶站。

像子弹打靶一样，高能质子射入到钨靶中，轰击钨原子核，使其发生散裂反应，发射出大量中子。

不过，钨靶内散裂反应产生的中子速度十分快，能量也极高，无法直接用来探测材料，还需要慢化器来给这些中子减速。

打台球时，母球撞击其他球后，不仅运动方向会改变，速度也会降低。

类似地，当快中子进入慢化器后，会与慢化器内的介质不断发生相互作用，如同台球一次次碰撞，每一次“碰撞”中子的速度都会有所降低。

经过慢化器的减速后，快中子变为适宜探测材料用的慢中子，慢中子通过中子束线系统，从指定的方向射出，用以探测材料结构。

中子是如何探测材料结构的？

说完中子如何制备，那么这个小小的微观粒子是如何探测材料结构的呢？

看似致密、连续、完整的材料，从微观的角度来看，内部其实是由不计其数的原子构成。这些原子依靠着相互作用，以一定排列方式零零散散地分布在材料里面。

比原子还小的中子可以轻易地透过间隙，射入材料内部。当射入材料的中子与原子核相撞时，中子的运动方向就会改变，从另一个方向射出，被探测器接收到。

大量中子同时从某个方向射入材料，各自与材料内部的原子核相碰又弹开的过程称为散射。

如果我们用探测器收集经散射后从材料里弹出来的中子，就会发现有些方向弹回来的中子多，有些方向弹回来的中子少，有些方向几乎没有中子弹回来。

根据中子弹回来的具体方向，科学家们就可以反推出材料内部的原子到底是如何排列的，相当于间接地“看见”了材料内部原子的排列方式，这也是为什么散裂中子源被人们称作“显微镜”。

我们知道，材料内的原子不是静止不动的，而是在不停地振动着。中子散射除了能知道材料内的原子在哪，还能知道这些原子怎么动。

这是因为中子在与原子核碰撞时，可能会把自身的能量传给原子核，使自己减速，并加强原子的振动；还可能吸收原子核振动的能量，减弱原子的振动，并让自己加速。

材料内部的各个原子可不是随意振动的，它们只能以一些特定的模式振动。

科学家们通过分析散射前后中子运动方向与速度大小的变化，就可以推测出这个材料内部的原子适宜哪些模式振动的。这对研究材料的热学性能是有很大帮助的。

中子还有一个本领——探测磁性材料的性质。这是因为中子虽然不带电，但它具有磁矩，磁矩的方向会随外界磁场变化而变化，就好像一个“小磁针”。

当把中子射入磁性材料时，中子的磁矩会和磁性材料里原子的磁矩发生相互作用，发生磁散射。科学家们通过分析磁散射前后中子运动方向的变化，即可得到材料相应的磁学性质。

2018年中国散裂中子源正式建成，2019年对全社会各科研单位，中国成为第四个拥有散裂中子源的国家。

自开放起，中国散裂中子源就吸引了一大批用户。第一批用户包括国内外56所科研机构和大学，共74项课题。

其中，来自中国香港的黄明欣教授就曾表示：“太方便了，就像在自己家门口。”借助中国散裂中子源，他的团队有望研制出世界上最强的钢材。

目前，中国散裂中子源只开放了一部分功能。未来在科学家和工程师的努力下，中国散裂中子还会研制并开放更多种类的中子谱仪，来满足材料的不同需求。

同时，我们也期待中国科学家能在中国散裂中子源的帮助下，登上材料科学的一个又一个高峰。

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