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SEM掃描電鏡是利用電子束代替可見光作為探針，利用電磁透鏡代替光學透鏡聚集和控制電子束，聚集電子束在樣品上掃描，激發某種物理信號來調制一個同步掃描的顯像管在相應位置的亮度而成像。SEM的電子槍發出的電子束經過柵極靜電聚焦成點光源，然后在加速電壓的作用下經過光學電子系統匯聚成直徑幾納米的電子束聚焦到樣品的表面，在末級透鏡上掃描線圈的作用下，電子束在樣品的表面掃描。
由于高能電子束與試樣物質發生相互作用產生各種信號，如二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子等，經接收器、放大器輸送到顯像管的柵極上調制顯像管的亮度。由于樣品表面的形貌及元素組成不同，在電子束的轟擊下能發出強度不等的信號，通過解析便能得到樣品表面的形貌不同元素的分布情況。掃描電鏡的分辨率大概在幾納米，擁有較大的景深。
SEM掃描電鏡主要由電子光學系統、信號收集及顯示系統、真空系統及電源系統組成。電子光學系統包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室等。電子槍主要是提供高質量的電子源，一般有鎢燈絲、六硼化鋪燈絲和場發射電子槍幾類。電磁透鏡主要是把電子槍的束斑縮小，由幾十微米縮小成數納米。掃描線圈主要用來提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內的電子束在熒光屏上的同步掃描信號。樣品臺要能三維移動和一定角度的傾斜和旋轉。整個電子光學系統都要保持在起高真空條件下。信號收集及顯示系統主要是檢測樣品在入射電子作用下產生的物理信號，然后經視頻放大作為顯像系統的調制信號，大致可分為：電子檢測器、陰極熒光檢測器和X射線檢測器三類。
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