引言
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）是材料微观形貌与成分表征的核心设备，通过聚焦电子束与样品表面相互作用产生特征电子信号，经探测器转换为电信号后形成可视化图像。探测器的类型、安装位置与信号接收机制直接决定图像的分辨率、衬度类型、景深与信噪比。SEM 探测器按安装位置可分为镜筒内探测器与镜筒外探测器，二者分别适配高分辨率表面表征、常规形貌观测及成分衬度分析等不同场景。明确不同探测器的工作原理、信号特性与适用条件，对提升表征结果准确性、优化实验方案具有重要意义。本文基于西湖大学物质科学平台的蔡司高分辨分析型场发射扫描电镜（SEM） Analytical Field Emission Scanning Electron Microscope的设备原理及使用经验，围绕电子–样品相互作用，系统梳理镜筒内、外各类探测器的性能特点与应用范围，形成规范的选型参考。设备更多信息详见：https://iscps.westlake.edu.cn/info/1024/1628.htm
1、 电子束与样品的相互作用
SEM 主要接收二次电子（SE, Secondary Electron）与背散射电子（BSE, Backscattered Electron）两类信号，分别承担表面形貌与内部成分表征功能。
1.1 二次电子（SE）
二次电子由入射电子电离样品原子核外电子，使其成为自由电子并逸出样品表面形成，逸出深度＜10 nm，是样品表面形貌表征的主要信号源。按产生机制分为两类：
SE1：由入射电子直接激发产生，源于弹性散射过程，产生于样品极表层，以高角度出射，集中于电子束入射点附近。
SE2：由高能背散射电子逸出样品表面时激发产生，携带样品亚表层信息，以低角度出射。
1.2 背散射电子（BSE）
背散射电子是入射电子受样品原子核卢瑟福散射发生大角度偏转后重新逸出表面的高能电子，出射深度范围 10~1000 nm，对样品原子序数敏感，主要用于成分衬度表征。
2、 镜筒内探测器
镜筒内探测器沿镜筒正光轴环形安装，包含InLens 探测器与ESB 探测器，适用于电子束敏感样品及高分辨率观测，最佳工作距离≤5 mm，加速电压≤20 kV。
2.1 InLens 探测器
以接收高纯度 SE1 信号为核心，可获取样品极表层高分辨形貌信息，适用于纳米尺度精细结构观测。
典型应用：碳纳米管（直径约 40 nm）成像，工作距离 1.9 mm，加速电压 0.5 kV。
2.2 ESB 探测器
主要接收样品浅表层背散射信号，可在低加速电压下实现高分辨率成分衬度成像。
典型应用：氧化硅球负载金颗粒（Au/SiO₂）表征，InLens 探测器呈现表面形貌，ESB 探测器显示金颗粒分布，工作距离 1 mm，加速电压 1 kV。
InLens 探测器成像
ESB 探测器成像
3、 镜筒外探测器
镜筒外探测器安装于样品室内部，包含SE2 探测器与BSD 探测器，适配常规形貌与成分观测，使用范围更宽泛。
3.1 SE2 探测器
接收低角度二次电子信号，成像景深大、立体感强，可全面反映表面形貌信息，适用于全电压范围常规观测，最佳工作距离 5~12 mm。
典型应用：太阳能电池材料表征，工作距离 6.2 mm，加速电压 2 kV。
3.2 BSD 探测器
安装于物镜极靴下方，探测面积大、信噪比优异，对原子序数差异敏感，适用于金属及金属 / 非金属复合体系表征，最佳工作距离 5~12 mm，加速电压＞3 kV。
典型应用：Fe/Co 在 C/N 基底上的磁性纳米颗粒表征，Inlens 探测器呈现形貌衬度及表面颗粒细节，BSD 探测器区分成分差异，工作距离10 mm，加速电压 5 kV。
Inlens探测器成像
BSD探测器成像
4 、结论
镜筒内 InLens 与 ESB 探测器以短工作距离、低电压、高分辨率为优势，分别面向极表层形貌与浅表层成分精细表征；镜筒外 SE2 与 BSD 探测器以大景深、高信噪比、宽工况适应性为特点，适用于常规形貌与金属基成分衬度观测。实际测试中应根据样品特性、表征目标与观测尺度，匹配探测器类型并优化工作距离与加速电压，以获得最佳成像效果。
