CN107833513A - 一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，将材料预制成特定形状的光路模型，与样品模型搭配使用，借助电磁铁对软磁材料的吸引的机制，来实现模拟扫描电镜中电子束旋转、聚焦、偏转、与样品相互作用及信号采集全过程的目的，避免了使用光学透镜模拟带来的不利效果。本发明还提供了一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置。所述装置置于透明的镜筒和样品仓内，演示部件除了便于被观察之外，还非常便于布置和改装。本发明的有益效果是：可以演示扫描电镜成像的全过程，即演示从电子束产生到信号接收的全过程及其蕴含的深层次原理；整个演示过程直观、形象，使得原理非常容易理解，装置还具有低成本、易改装等特点。

Description

一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法与装置

技术领域

本发明涉及扫描电子显微镜，尤其涉及可视化的扫描电镜演示方法与装置。

背景技术

扫描电子显微镜（简称扫描电镜）目前广泛应用于材料科学、环境科学、生命科学、电子制造、新能源、失效分析等等领域，用于反映样品的微观形貌和成分等诸多信息，功能强大、应用广泛。因此，扫描电镜已经成为国内外各大高校和科研机构涉及材料领域研究的标配，让使用该设备的大学师生及科研和检测人员熟悉并了解扫描电镜的原理和特点，需要较长时间的讲授和培训。

扫描电镜实现原理是：电子枪发射的电子束经过光阑和电磁透镜（习惯也称聚光镜），汇聚后，扫描线圈使其在二维方向上偏转，经强磁透镜（习惯称物镜）汇聚成细束斑作用到样品上，收集样品表面激发出的各种信号就可以得到该处的信息。由于扫描线圈使电子束在二维方向上偏转，电子束在微小的样品表面可以逐点扫描，显示器也同步进行逐点扫描从而形成放大的图像。其中，电镜的放大倍率M=D/d，其中D为显示器上图像的边长，d为扫描区域的边长，D是不变的，通过调整扫描线圈的电流，来控制d的大小可以非常方便的控制放大倍率M。

当一束聚焦的高能电子束入射到样品表面时，样品与电子束相互作用会产生各种可被探测的信号，比如扫描电镜常用的背散射电子、二次电子和特征X射线，它们有不同的能量、信号溢出区并能反映样品的形貌、结构和元素的信息。其中二次电子能量小（小于50eV），运动轨迹容易受外界电磁场干扰，信号溢出区小，反映了样品表面和形貌的信息；背散射电子能量大（大于50 eV），运动轨迹不易受外界电磁场干扰，信号溢出区也大，同时也反映了元素的信息；特征X射线信号溢出区更大，而且能定性和定量反映样品元素的信息。

因为以上信号各自的特点，扫描电镜有不同位置和类型的探测器来接收信号，常见的有样品仓内的电子探测器，物镜内的电子探测器，各种专用的背散射电子探测器，以及能谱探头等。样品仓内的电子探测器可以收集二次电子和背散射电子信号，背散射电子各向发散所以可以被其探测，而二次电子能量弱，该探测器表面加正偏压吸引二次电子。物镜内的电子探测器一般位于物镜上方，因为物镜是倒圆锥的结构，下方只留有电子束通过的很小的开口，所以自身能量很大的背散射电子很难被改变方向，射向物镜后基本都被物镜本身吸收进不了开口，而本身能量低的二次电子，则会受到探测器表面正偏压的吸引（电镜厂商甚至在物镜内加装电磁场来加强这种吸引力）而被探测器吸收。因此物镜内的电子探测器可以收集较大比例二次电子以获得关于样品表面形貌的高分辨图片。专用的背散射电子探测器与物镜内的电子探测器相反，在其表面设置负偏压，使能量高的背散射电子能够到达探测器表面的同时能量低的二次电子被排斥掉。

在扫描过程中，试样表面的细微起伏会使各点二次电子和背散射电子信号的强度有所不同，在显示器的图像上表现为明暗反差的不同，这种差别叫衬度或者反差。对于二次电子，衬度主要产生于形貌的不同，通俗来讲就是凸出或者有尖峰的点信号比平整和凹处的点更强，在图像上也更亮；对于背散射电子，衬度除了跟形貌有关外，还跟元素有关，一般原子序数高的更亮。

目前存在的困难

众所周知电子束跟样品相互作用会产生很强的辐射，所以整个电子光学系统都被金属封闭在真空的电子腔和样品舱内，加上众多的部件，使用电镜本身或者使用电子束做演示的装置不能直观展示整个成像过程。

目前在本科生和研究生的实验教学中，分析测试技术课程内扫描电子显微镜内容的讲解是其重要组成部分，但是现有的教学往往只涉及理论的讲授，既不形象又难直观，而且课堂内容上扫描电镜的光路图常借用光学透镜来表达电子束的聚焦过程，很多学生学习后还误以为扫描电镜中会使用光学透镜。

市场上也没有现成的关于扫描电镜的实体教学模型，在已有的申请专利中，申请号CN201510498386.8所述的装置其实是制造一种完整的扫描电镜实体，需要非常多的配件、复杂的工艺、多方的配合和不菲的造价，不实用也不能直观地观察电子束的汇聚电子束与样品的相互作用过程。同属电子显微镜的透射电镜，申请专利号CN201610237039.4和CN201610326811.X则是使用光学透镜来模拟电子束行为，但是并不能演示电子光学中的独特现象，比如电子束在聚光镜磁场中是旋转前进的，而且使用透镜的光路系统非常复杂，部件多且需要精密的调节。

于是，如何设计出一种实体的扫描电镜演示模型，使扫描电镜的教学和演示直观、形象、易懂，具有较大的实际意义。

发明内容

用于解决问题的方法

为了设计一种实体的扫描电镜演示模型，本发明提供了一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法与装置，可以在不使用光学透镜的基础上，演示扫描电镜成像的整个过程。为了克服以上困难，本发明提供的一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法与装置从以下几个方面入手

1．演示电子束汇聚这个过程既要直观又要可见，既然电子束本身不适合，那么最直接的方法是使用光束，模拟电子束的汇聚最直接的方法就是使光束在凸透镜中聚焦，但是这种方法需要在暗室条件下进行且需要严格的校准操作，并不利于现场演示，更不利的是电子束在磁场中受洛伦兹力的作用，聚焦的同时运动轨迹是旋转的，而非光线的直线运行，光束不能演示这种情形，同时不加以仔细讲解，学生有可能误以为电镜里边存在凸透镜这种光学组件，因此使用光学透镜聚焦光束的机制来演示电子束汇聚的原理存在很多不利效果。所以，本发明尝试不使用光学透镜，只是把透光或者发光材料预先做成螺旋向下且曲率逐渐增加的形状，直接模拟电子束的在磁透镜中汇聚的轨迹。

2．扫描电镜的扫描成像，是通过改变扫描线圈的电流，改变电磁场来使得电子束朝预定方向偏转来实现的，如果使用光学透镜装置来模拟此过程，改变光束的方向并进行有序的偏转必然会用到复杂的机械装置和光学装置，比较难以实现。本着去繁就简的原则本发明使用了一种非常简单的方法，该法基于电磁铁对软磁材料的吸引，具体是在模拟的电子束焦点处固定一块软磁材料，模拟的样品台的方格内置电磁铁（样品台有很多方格，每个方格代表一个像素点），待扫描的方格施加电磁场，软磁材料就会向其运动，每个方格依次按程序开关电磁场就可以非常容易演示电子束的偏转过程。

3．另外就是电子束与样品的相互作用，目前也没有演示模型，教学更多是结合图片进行讲解，受训者难有直观体会。本发明也设计了一个相互作用模型，通过两个模块的对比来解释电镜衬度的形成，通过剖面图演示信号溢出区，通过使用不同的材质演示不同的信号类型和特点，同时结合主体装置使用，基于电磁铁对软磁材料的吸引的机制还可以演示不同信号的接收和利用情况。

4．在信号探测器方面，为了突出形貌、突出成分或者进行信号的复合，需要采集不同信号、不同比例、甚至是不同轨迹的二次电子和背散射电子，因此不同电镜厂商设计了种类繁多、位置各异的探测器，目前也没有模拟装置。但是其原理无非是在采集信号电子的时候，考虑其运动轨迹，把探测器置于不同位置，然后附加以电场或磁场来改变他们的轨迹来筛选并收集它们。因为本发明的设计使用了软磁材料和电磁铁的磁场作用，非常易于模拟以上的原理，而且整个装置置于透明的罩子中，可以将各种探测器模型方便设置于模型中并被直观看到，在不同地方设置电磁铁，模拟电场和磁场对电子的作用也非常容易，模拟过程简单、直观，扩展性更大。

5. 因为光是在预先制成的光路内传输，演示扫描、信号产生与接收等过程是通过电磁铁与软磁材料的磁力作用来实现，再加上灯光效果，这样几乎没有机械部件，许多部件只是用于演示且空间占用很小。以上都非常易于实现模块化，重量可以控制在比较轻的范围以利于移动展示，另外就是整个装置外壳都是透明的，除了有很好的展示效果外，也便于故障的排除。

以上设计，步步推进，环环相扣，不仅使扫描电镜的原理演示直观、简单，而且可以演示从电子束产生到信号接收的全过程，也便于理解深层次原理（比如信号的类型和探测器选择吸收）。

发明详述

本发明提供了一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，使用透光或发光材料将光路预制成特定的形状，构成光路模型，与对应的样品模型配合使用，借助电磁铁对软磁材料的吸引来演示扫描过程和信号的接收过程，有效避免了使用光学透镜系统演示带来的不利效果。

作为本发明的进一步改进，将透光或发光材料预制成的光路模型分成上下两部分。上部光路做成螺旋向下且曲率逐渐增加的形状并保持固定不动；下部光路可以在磁场作用下偏转，可用于演示电子束扫描的过程。作为本发明的进一步改进，所述透光或发光材料可选择细长的LED灯带、玻纤、塑料纤维或者发光光纤等材料，所述透光或发光材料为毫米级粗细，不与光源发生全反射和强烈吸光现象。

作为本发明的进一步改进，在透明镜筒内设有固定装置，将所述固定装置分别与上部光路、下部光路连接，通过固定装置来固定上部光路，并且让下部光路可以偏转。

作为本发明的进一步改进，在所述下部光路的底端设置软磁材料。

作为本发明的进一步改进，采用两种样品模型，第一样品模型用于演示电子束的扫描过程，第二样品模型用于演示信号产生和接收。

作为本发明的进一步改进，使用时将第一样品模型置于透明样品仓内，位于上述光路的下方，所述第一样品模型表面由多个方格组成，每个方格代表一个像素点，每个方格的内部均设有一个电磁铁，通过电磁铁内电流的通断过程来吸引上方的软磁材料，从而使下部光路实现可控的偏转。

作为本发明的进一步改进，在所述透明样品仓内设置同步装置，将所述同步装置分别连接第一样品模型和显示器模型，使两者同步扫描。

作为本发明的进一步改进，为了演示电子束与样品的相互作用，即信号产生，将第二样品模型分成两部分，通过对比两部分的不同来展示衬度产生的机理；同时做出剖面来演示各种信号的溢出区；在第二样品模型表面用不同的透光材料模拟不同的信号，其中部分材料上端固定有软磁材料，在不同的地方固定电磁铁，通过电磁场对软磁材料的吸引，演示了电子束与样品的相互作用以及各种常用信号类型、特点和接收方式。

本发明还提供了一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置，将所述光路模型、样品模型都置于透明镜筒和透明样品仓内，用于演示如上述中任一项所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法。

本发明所需的运动部件很少，大多部件只是用于展示，因此大部分部件都有良好的互换性，非常容易实现模块化，也便于移动展示；另外就是整个装置外壳都是透明的，除了有很好的展示效果外，还便于故障的排除。本发明不仅使扫描电镜的原理演示直观、简单，而且可以演示从电子束产生到信号接收的全过程，也便于解释深层次原理（比如信号的类型和探测器选择吸收）；更值得一提的是，按本发明阐述的设计原理所制造出的产品，既不需要复杂的部件，又不需要光学调校（没有光学透镜系统），简单易用。

因此，本发明的有益效果是：通过上述方案，在不使用光学透镜的基础上，演示扫描电镜成像的全过程，即从电子束产生到信号接收的全过程及其蕴含的深层次原理；整个演示过程直观、形象，使得原理非常容易理解，装置因为没有光学透镜系统，所以不需要复杂的部件和光学调校，简单易用且易被改装。

附图说明

图1是本发明一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置的示意图，所述示意图中配合使用第一样品模型。

图2是本发明一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置配属的第一样品模型的平面示意图。

图3是本发明一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置配属的第一样品模型的断面示意图。

图4是本发明一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置配属的第二样品模型的示意图。

图5是本发明一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置与第二样品模型配合使用的信号吸收演示示意图。

图6是第一样品模型在具体实施中的各个部件的通断电及光路中光的传递过程。

图7是第二样品模型在具体实施中的各个部件的通断电及光路中光的传递过程。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置的总体结构，包括透明镜筒1-1和透明样品仓1-2，光路模型贯穿透明镜筒和样品仓，分为上下光路，分别是上光路模型1-6和下光路模型1-10。其中透明镜筒1-1内依次设置的各个演示组件为电子枪1-3、光阑1-4、聚光镜1-5、扫描线圈1-8、物镜1-9，透明样品仓1-2设置探测器1-12、第一样品模型1-13。因为所有部件都位于透明罩子中，光路、全部演示组件和整个结构都能一览无余，并且大部分部件只做展示用。特别地，如果演示光路使用玻纤、塑料纤维或者发光光纤等需要照明才能发光的介质，用光源来模拟电子枪，如果演示光路使用能自行发光的LED灯带，电子枪模型只做展示。

从电子枪1-3往下的整个演示光路做成预设的形状：上光路模型1-6在光阑1-4以下部分制作成螺旋向下且曲率逐渐增加的形状，用来模拟电子束的在磁透镜中汇聚的轨迹，下光路模型1-10用较细的透光或者发光材料模拟细聚焦的电子束在扫描线圈作用下偏转的部分。特别地，为了演示光阑对电子束的阻挡和选择的作用（离轴的电子束被其挡住，近轴的电子束通过），离轴的光路直接连接到光阑1-4上，近轴的光路直接通过。上光路模型1-6、下光路模型1-10通过固定装置1-7固定，上光路模型1-6是做成形状后固定不变的，只演示电子束的聚焦过程；在下光路模型1-10下端固定一软磁材料1-11，使其可以在磁场下受力移动。优选方式：一、如果演示光路使用细的LED灯带能自行发光，可以设置发光顺序自上而下直观演示电子束的行进；二、如果演示光路如果使用玻纤、塑料纤维或者发光光纤，要根据介质的折射率情况选择光源，避免光线在介质中发生全反射或者不透过现象而在外部观察不到光线；三、整个模拟光路配置可以非常灵活，例如固定装置1-7上下的材料可以根据需要选择不同的介质，比如上侧的上光路模型1-6可以不考虑柔韧性，下侧的下光路模型1-10考虑柔韧性， 固定装置1-7将两部分紧密连接起来，并能保证光路能顺利传播，当然也可以选择同一种材料，固定装置1-7仅起到固定上方的作用；四、软磁材料1-11可以采用各种软磁性的材料，优选为软铁，或者使用普通的碳钢替代，端头加工成是圆球的形状以利于被磁场吸引，特别地，如果扫描的范围很大，可以将其做成伸缩结构。

图1中的第一样品模型1-13是扫描演示样品模型，详细设计见图2、3，用于演示电子束在样品区域扫描的过程，该样品模型设计成正方形或者长方形，因为是演示情形，可设计成较少的方格，每个方格表示为一个像素，此例中设为3×3个像素。从组件的剖面可以看出，每个方格2-1下边都设置一个电磁铁2-2，电磁铁通电后产生的磁场吸引软磁材料1-11。各个方格中的电磁线圈按照ABC，DEF，GHI的顺序依次通断电流，使电磁场按照这个顺序在模型中传递，吸引软磁材料1-11在模型表面逐点逐行的移动，从而模拟了电子束在样品表面的逐行扫描过程。

优选方案：一、可以设置一同步装置1-14连接显示器模型1-15，随着第一样品模型1-13的逐行扫描，显示器模型1-15也在同步动作，同时设置一条透光或者发光材料制成的信号接收模型1-16，它连接探测器1-12和显示器模型1-15，通过光亮表示出信号被处理后在屏幕显示的过程，从而更具体的解释了扫描电镜显示器随样品扫描同步成像的过程；二、可以选择某一个像素方格，再分隔成成更小的像素方格，如例图中的像素方格E，再细分成3×3个方格，原有的电磁铁外再多布置8个电磁铁，可以在之后的演示中，只对这9个电磁铁通断电，根据公式M=D/d，相对于扫描整个方格，只扫描区域E这个方格，d为原来的三分之一，从而放大倍数是原倍数的三倍，这就非常形象地模拟了如何改变放大倍数；四、也可以将样品台多设置一些方格，改变不同位置方格内电磁铁的通电和断开顺序，也非常容易实现扫描区域的变换，可以非常直观展示扫描区域的微移和旋转；五，每个方格设置成透明的平板，可以加装LED灯，跟电磁铁一起通断电流，增强视觉效果；六、可以在不同位置设置多个探测器模型，分别用于展示背散射电子探测器、二次电子探测器和能谱探头。

除了第一样品模型1-13，还设计了电子束和样品相互作用模型（第二样品模型），见图4，用于阐述信号的产生和收集过程。本设计通过以下方式来实现：模型由两个模块拼接而成，一个模块表面是凸出的，一个模块表面是平整的，凸出的样品二次电子和背散射电子的信号量都比平整的多，所以可以依据理论在凸出模块上设置比平面模块更多的纤维束来表示更多的信号量，从而直观的模拟出形貌衬度产生的机理。当然也可以用两个表面平整的模块，一个表示重元素一个表示轻元素，表示重元素的模块表现出背散射电子信号更多的情形，从而模拟出元素衬度产生的机理。此外，第二样品模型的一部分以剖面来展示（本例中以凸出模块为例），表示出二次电子、背散射电子和特征X射线的信号溢出区。

优选方案：为了定性说明两个模块信号类型和数量的不同，在模块内插入不同的透光或者发光纤维束，以不同颜色或形状区分各信号类型，如图4所示，此处优选为发光光纤，不同发光光纤又分别与各自的信号溢出区相连。其中，代表背散射电子的发光光纤做成各向发散的形状（3-3直线所示），代表二次电子的发光光纤（3-2直线所示）在最上端固定有软铁块（3-1所示），特征X射线可以使用较细或者弯曲的发光光纤（3-4曲线所示）以与电子区别。更优选地，可以根据信号在不同角度内的产额来设计发光光纤的长度，或疏密，从而使模型更为精准形象。

在图5中，将第二样品模型同物镜及探测器模型组合，可以演示信号的筛选和收集过程。图5中，物镜模型4-1，第二样品模型4-2。在样品仓内的探测器模型朝向样品的一侧加装电磁铁4-3，通电可以吸引带软铁的发光光纤（虚线），表示出电子探测器对二次电子的吸收，因为背散射电子轨迹（实线）不会改变且各向发散，模拟背散射电子光纤的法向方向也指向探测器模型，模拟出也被其吸收。而对于在物镜内的电子探测器模型，则在物镜模型4-1内合适的位置加装电磁铁，电磁铁吸引模拟二次电子的光纤表示出物镜内探测器对靠近物镜的二次电子的吸收，但是理论上背散射电子的轨迹必然被物镜模型挡住而不能被接收到（演示时，光纤的法向方向指向了物镜模型表示其被物镜吸收），此例中物镜内探测器在电镜中相应的位置为位置4-5处，但是如果此处安装电磁铁产生的磁场距离太远而吸引不到软铁，可以将电磁铁置于位置4-4，位置4-5仅做演示用。同样道理，如果演示只接收背散射电子的背散射电子探测器（BSED），除了在相应位置做出该探测器模型外，在第二样品模型内加电磁铁，会使得模拟二次电子的发光光纤的软铁被下方磁场吸引而转向下方，从而模拟了BSED表面加负的偏压使二次电子被排斥的原理。特征X射线的轨迹类同背散射电子，不过只能被能谱探头接收。

优选方案：不同颜色的发光光纤连接各自的信号溢出区内不同颜色的光源，在发光光纤的端头，光线会被观察到并照射到相应的位置或者探测器模型上，非常直观、形象地模拟了探测过程。对应地，可以根据电镜的型号和探测器原理在透明罩子的相应位置加装探测器的模型，探测器模型装有指示灯，亮灯显示其接收到了相应的信号。

以上是实现的原理，装置有许多电磁铁，可以简单地通过手动开关每个线圈来控制，也可以用程序控制器来实现，以下以光路采用自发光的LED灯带，使用程序控制器的演示过程来进行举例说明：

一、为了演示扫描全过程（与第一样品模型配合使用）

1. 模拟装置下方，接入样品模型和显示器模型，并且设置LED灯带从上往下依次亮；

2. 打开LED灯带的电源，光路自上而下闪亮，部分灯光被光阑挡住（这部分灯带只连接到光阑位置，不向下连接），大部分光路通过光阑，在聚光镜模型处旋转前进并汇聚成较细的光束，以上的上部光路模型模拟电子束的行进过程和光阑的选择作用；

3. 当灯光行进到扫描线圈模型及部件处时，程序控制器使样品模型内的电磁铁产生磁场，吸引位于下部光路的端头（软铁材料1-11）偏转到有磁场的位置，从而演示了电子束在扫描线圈作用下发生偏转的过程；

4. 通过程序控制，样品模型内各个方格中的电磁铁和LED灯按照ABC，DEF，GHI的顺序依次通断电流，使电磁场也按照这个顺序在模型中传递，吸引软铁1-11在模型表面逐点逐行的移动，从而模拟了电子束在样品表面的逐行扫描过程；

5. 同时设置一同步装置来连接显示器模型，随着样品模型的逐行扫描，模拟的显示器也在逐行扫描，从而更具体的解释了扫描电镜显示器随样品扫描同步成像的过程；

6. 根据程序控制，样品台上每个方格断电后，下个方格通电前，应该顺序是：第一样品模型的方格亮，探测器模型灯亮，信号接收模型1-16随后亮，最后显示器模型对应方格亮。这个顺序代表了信号产生和接收的全过程。

整个过程的各个部件的通断电及光路中光的传递过程见图6。

以上过程完整演示了每个扫描点（像素方格）电子束产生、汇聚、偏转、与样品相互作用、收集信号，然后下一个扫描点，逐点成行，然后逐行成为一个区域的扫描。此外，根据前面所述，也可以演示放大倍率的改变，电子束微移和旋转等功能，不再详述。

二、为了演示对于电子束与样品相互作用以及探测器的信号接收过程（与第二样品模型配合使用）

1. 撤走第一样品模型和显示器模型，在装置下方放入第二样品模型，把下光路模型1-10固定在模型上，这样光路模型只用于演示电子束作用到一个像素点的情况；

2. 同上个模型的步骤2；

3. 当距下光路模型1-10最近的LED灯亮，程序控制打开模型电源，溢出区的灯亮，不同类型的发光光纤亮，演示不同信号的信号溢出区、产额及运动轨迹；

4. 通过对比凸出和平整模块表面不同信号的发光光纤数量，演示图像衬度产生的机理；

5. 探测器模型的灯和电磁铁通电，模拟二次电子轨迹的发光光纤会在磁场中偏转，展示了样品仓内的探测器模型以及物镜内的电子探测器对信号的选择和吸收过程。

同样，整个过程各个部件的通断电及光路中光的传递过程见图7。

关于材料和组件的规格，建议如下：

1．如果光路材料选用LED灯带，宽度在毫米级，灯泡间隔小于1厘米；如果光路材料选用玻纤或者塑料纤维，其规格建议截面是圆形，宽度在毫米级或者更小，透光良好，气泡少；如果选用普通光纤，使用外层没有涂漆的裸光纤，因为光在光纤传播中会发生全反射使得光线不会泄漏到光纤外，但是在光纤弯折处可以观察到光的泄露，可以将光路在上光路模型1-6部位弯折较大的角度从而观察到光纤泄露出的光线；但是发光光纤不存在这些不足，是最优选择。

2．光阑、聚光镜、扫描线圈、物镜和探测器的模型使用塑料制作，非常方便粘合到透明罩子上，透明罩子可以使用有机玻璃，软铁材料1-11可以制成1-10mm直径的小球。

3．第一样品模型和第二样品模型上表面设置成同样的高度，且需要考虑与光路模型的距离，尤其是第一样品模型的高度与软铁下端平齐。

4．电磁铁通电所产生磁场的磁感强度随距离增加而显著减少，所以应该选用吸力强的电磁铁，推荐使用吸盘式电磁铁，吸力强且便于布置。而且，第一样品模型的尺寸不宜过大，方格内的电磁铁间距较小，使得每个电磁铁距软铁材料1-11都比较近，以利于通电时都能吸引到软铁材料1-11。

5．程序控制器通过控制各个部件的通断电顺序来实现其功能，其控制电路不再详述。为了增强演示效果，通电顺序最好按上述实现步骤进行，上个部件断电，下个部件通电，从而直观且完整的展现电子束的轨迹和信号接收的过程。

6．显示器模型用来在屏幕上显示样品扫描的过程，可以通过制作一个类似第一样品模型的装置，通过同步装置使其同第一样品模型动作同步。当然也可以使用电脑屏幕来做显示器模型，电脑自带简易的软件，除了集成上述的程序控制器功能，还可以实现屏幕显示和样品扫描的同步。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：不使用光学透镜，而是将光路预制成特定的形状，构成光路模型，与样品模型搭配使用，并且基于电磁铁对软磁材料的吸引来演示扫描过程和信号接收的过程。

2.根据权利要求1所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：使用透光或发光材料预制成光路模型，光路又分成上下两部分，分别是演示电子束轨迹的上部光路和演示扫描原理的下部光路，上部光路做成螺旋向下且曲率逐渐增加的形状并保持固定，下部光路可以在磁场作用下偏转。

3.根据权利要求2所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：所述透光或发光材料选择细长的LED灯带、玻纤、塑料纤维或者发光光纤等材料，所述透光或发光材料为毫米级粗细，不与光源发生全反射和强烈吸光现象。

4.根据权利要求2所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：在透明镜筒内设有固定装置，将所述固定装置分别与上部光路、下部光路连接，通过所述固定装置来固定上部光路，使下部光路可以活动。

5.根据权利要求2所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：在所述下部光路的底端设置软磁材料，可以在磁场作用下偏转。

6.根据权利要求1所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：除光路模型外还分别配合采用两种样品模型，第一样品模型用于演示电子束的扫描过程，第二样品模型用于演示信号产生和接收过程。

7.根据权利要求6所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：使用时第一样品模型位于上述光路模型的下方，所述模型由多个方格组成，每个方格代表一个像素点，每个方格的内均设有电磁铁，基于电磁铁内电流的通断来吸引上方的软磁材料，从而使下部光路实现可控的偏转。

8.根据权利要求7所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：在所述透明样品仓内设置同步装置，将所述同步装置分别连接第一样品模型和显示器模型，使两者实现同步动作。

9.根据权利要求6所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，其特征在于：第二样品模型分成两部分，基于对比两部分的不同来展示衬度产生的机理；基于剖面来演示各种信号的溢出区；在第二样品模型表面用不同的透光材料模拟不同的信号，其中部分材料上端固定有软磁材料，并在不同的地方固定电磁铁，基于电磁场对软磁材料的选择性吸引来演示各种常用信号的类型、特点和接收方式。

10.一种不使用光学透镜的扫描电镜演示装置，其特征在于：用于演示如权利要求1至9中任一项所述的不使用光学透镜的扫描电镜演示方法，而且将所述光路模型、样品模型都置于透明镜筒和透明样品仓内。