1948年10月，Charles Oatley爵士教授与他的研究学生Dennis McMullan一起开始了扫描电子显微镜的研究和开发工作，并最终于1965年推出了世界上第一台商业化产品。通过几代人的研究，这项工作一直持续到今天。我们在这里将详细介绍这一里程碑事件的历史细节。
1. 故事的开始
扫描电子显微镜的发展将永远与Manfred von Ardenne和Charles Oatley的名字联系在一起，但他们的贡献和成果形成了明显的对比。尽管在1935年Knoll得到了第一幅样品表面的扫描图像，但在第二次世界大战之前，是Manfred von Ardenne奠定了扫描电子显微镜的基础。他在1938年发表的论文以及他在战争期间（1940年）出版的《 'Elektronen-Übermikroskopie' 电子显微镜》一书中关于扫描电子显微镜的章节，都是权威性著作（McMullan 1988）。
然而，当他的所有仪器在1944年的一次空袭中被摧毁时，他对电子显微镜的研究戛然而止。战后，他转入其他科学领域，也没有进一步参与电子显微镜的开发。正如他后来描述那样，留给其他研究小组的是"再次接过接力棒"（von-Ardenne1985）。
1947年，Charles Oatley在剑桥接过了接力棒，但与von Ardenne相对短暂的研究不同，他花了20年的时间才获得成功，即在世界范围内都开始接受SEM是迄今为止，发明的最强大和最有成效的显微镜方法之一。为了理解Oatley是如何获得成功，使他有资格接过Manfred von Ardenne的 "接力棒"，我们必须回到战后将他带到剑桥的一系列事件。
Manfred von Ardenne(左)和Charles Oatley(右)2. 教育和早期职业生涯
Charles Oatley于1904年出生于萨默塞特郡的弗罗姆，巧合的是，这一年该镇开始引入电力。他的父亲威廉是一家生意兴隆的面包店的老板，他在面包店中安装了电力，并立即使用。虽然没有受过任何正规的科学教育，但William-Oatley对科学事务有着浓厚的兴趣，并将这种热情传给了他的儿子。他在Charles六岁生日时送给他一个电动马达，这在1910年并不是一个常见的玩具，他还拥有一台精美的沃森皇家显微镜，并教儿子使用。
因此，Charles与生俱来的科学兴趣在很小的时候就得到了培养。12岁之前，Charles一直在当地的一所委员会学校就读，然后进入贝德福德现代学校寄宿，在那里，他在科学科目上表现出色，并获得了在剑桥大学圣约翰学院阅读自然科学书籍的机会，并于1922年进入该大学。
在圣约翰学院，他的导师是E.V.Appleton，与他同时代的是JD Cockcroft ，Cockcroft比他大7岁，这两个人对Charles Oatley的事业产生了深远的影响。他在剑桥大学的头两年很顺利：游泳得了很好的成绩，数学得了第一。他的第三年也同样顺利；他被任命为大学游泳队队长，并成功地与Rutherford进行了面谈，Rutherford同意让他去做核物理研究，但事情并没有按计划进行。Appleton已经离开圣约翰学院，在伦敦国王学院担任主席，Charles Oatley非常想念他的监督和指导。不管是什么原因，预期的物理学的一等成绩未能实现，而获得与Rutherford合作的机会也随之消失。
在Appleton的建议和鼓励下，Charles Oatley在无线电配件公司获得了一份工作，这是一家位于威尔斯登的制造无线电阀门的小公司；在这里，他获得了宝贵的制造技术经验，并且作为公司唯一的毕业生，被要求解决各种各样的物理问题。然而，两年后，该公司因无法与大型阀门制造商竞争而进行了破产清算。
就在那时，1927年，Appleton邀请他重返学术界，并为他提供了伦敦国王学院物理系的职位。接下来的12年里，他在国王学院主要从事教学工作，很少有时间进行科学研究，但他在各种课题上发表了一些有用的论文，其中一些已列在参考文献中（Oatley 1931, 1936a, 1936b, 1939）。他还成为无线电接收机领域公认的专家；他在1932年出版的Methuen专著《无线接收机》被当时的爱好者们广泛阅读。
3. 战争时期的雷达研究
1939年夏天，当时他在国王学院担任讲师，Oatley收到了一封来自同门JD Cockcroft的信，他代表空军部，邀请他加入一个由大学物理学家组成的小团队，以了解他们在战争中可能提供的帮助。在接下来的几周里，Cockcroft的成员开始了解在R A Watson-Watt的指导下，正在秘密进行的雷达研究工作，并听取了当时正在英国东海岸和南海岸周围建造的链式住宅站的介绍。
那年冬天，在9月3日宣战后，Charles Oatley回到了卡文迪许实验室的高压实验室，从事修改派伊电视接收器以用于海岸防御雷达装置，并建造各种测试仪器。不久后，雷达开发被转移到了基督城新成立的机构，后来被称为防空研究与发展机构（ADRDE），Cockcroft在1941年成为该机构的主管。
Charles Oatley在ADRDE的第一个任务是研究如何改进海岸防御雷达中使用的接收器，这些接收器在当时相对较高的200兆赫频率下工作。对微弱雷达回波的探测主要取决于接收器中第一级放大的噪声性能。在这个频率上没有商业测试设备，所以他开始建造一个信号发生器，其中第一次包含了一个活塞式衰减器，后来他将这一技术扩展到厘米级的波长。
有了这个仪器，他能够定量地比较用于接收器关键输入级的各种类型的阀门噪声性能。测试产生了惊人的结果，表明GEC公司专门为此目的生产的一个新阀门几乎没有用。因此，对研究所生产的所有部件和设备进行精确的定量测试的重要性得到了普遍认可，并导致了Charles Oatley的 "基础小组"的形成，该小组在整个战争期间为整个研究所服务。
随着ADRDE工作的发展，改善与其他雷达机构以及设计的需求变得越来越多，而Charles Oatley凭借他对ADRDE所有小组工作的广泛了解，参与了为促进合作而成立的委员会。这项工作的重要性，以及对他行政能力的认可，使他被任命为Cockcroft的副手，后来当Cockcroft转而负责加拿大乔克河核项目时，Charles Oatley成为代理主管。实际上，他独自负责该组织，到1943年，该组织已迁至马尔文，人数约为4000人。
到1945年战争结束时，他对政府机构和工业界正在进行的雷达和电子方面的工作，拥有无与伦比的知识，他在详细的技术层面上熟悉这些工作，而且他认识所有参与的关键人物；所有这些积累都使他在职业生涯的下一个阶段非常有帮助。尽管，他成为研究所的主管，但他的心在大学：剑桥大学的讲座和三一学院的奖学金被证明是最大的吸引力。
图1. Charles Oatley爵士与以前的研究学生和同事在他90岁生日之际举行的研讨会上。站着的（从左到右）：A N Broers; W C Nixon; R F W Pease; T E Everhart; D McMullan; K C A Smith; O C Wells; C W B Grigson; A D G Stewart; P Chang; H Ahmed。4. 花开在剑桥
Charles Oatley被任命为大学工程系的讲师[1]，当时的系主任John Baker特别要求他要首次引入现代电子学的本科教学，并在该学科上建立了一个强大的研究小组。扫描电子显微镜是他在战后最初几年内，启动的一系列研究项目之一。当他了解到Manfred von Ardenne战前在德国的工作和Zworykin 1940年代初在美国的工作时，他对该仪器的兴趣第一次被激发出来。[1]英国老牌大学的教师分为四个等级，即Lecturer、Senior Lecturer、Reader和Professor。Lecturer，讲师，主要负责开设讲座课程，带领研究小组和指导研究生，是英国大学里初级的学术头衔；Senior Lecturer，高级讲师，既要具备良好的教学和行政能力，又要展示出很强的研究能力；Reader，是英国特有的，薪水与教授很接近，有人译为副教授，有人译为准教授。Professor，教授，资历深，学术地位高，是英国大学向资深学者授予的最高学术头衔，位于大学学术领域的最高位置，负责该领域的教学和研究。尽管这项工作没有得出结论，但刚从战时的雷达经验中走出来的Charles Oatley意识到，有新的技术和方法可以应用于扫描电子显微镜。尤其是，当他知道A S Baxter在卡文迪什实验室所做的工作：研究一种新型的电子倍增器，它可以反复暴露在大气中，从而用于可拆卸的真空系统。(这也是Manfred-von-Ardenn在他的书中《Elektronen-Übermikroskopie》提出的，但当时Oatley并不知道这一点）。
对Oatley来说，这个课题似乎有一个理想的途径，可以利用他在电子物理学方面的强大背景，扩展他未来领导学生的思路："博士生的项目必须要能提供良好的仪器培训，如果学生要做实验工作，那么选择一个涉及到建造或修改一些相当复杂的仪器，是非常有必要的。我一直认为，大学的工程研究应该是冒险的，应该不介意处理一些不被看好的项目"（Oatley 1982）。他不顾该领域许多专家的建议，这完全是浪费时间，决定将扫描电子显微镜的制造纳入学生的课题中。
他的第一个学生D McMullan于1948年开始工作，到1951年，一台可以使用的仪器已经制作完成。与之前的仪器不同，这台仪器有三个特点：从试样表面散射的电子是通过一个带有铍铜阳极的电子倍增器来检测的；样品倾斜着，与电子束成一个非常大的角度（由于探测器的进步，现在的设计都是样品水平摆放，但如今的不少教科书还是引用当年的设计）；使用高的电子束能量来减少表面污染对二次电子发射的影响。此外，图像直接在慢扫描雷达型CRT显示器上观看，并使用高分辨率CRT记录在胶片上。这台仪器从一开始就产生了引人注目的"三维"图像，这是现代扫描电镜的特点。
图2. (a) McMullan的原始电子显微镜，SEM1。(b) 用SEM1获得的早期显微照片（蚀刻的铝）。水平视野宽度：37微米。用SEM1获得的结果使Oatley相信，即使在这个早期阶段，SEM也会成为一个重要的科研工具；然而，这远不是电子显微镜专家们的共识，除了少数的例外，他们认为这个新仪器永远无法与当时成熟的透射电子显微镜技术竞争，特别是与能提供更高的分辨率的复制技术相比。这台新仪器受到了冷落，甚至在某些方面受到了嘲笑。
Charles Oatley没有气馁，决定继续进行这个项目。他这样做的主要理由是：对于大多数样品来说，高分辨率并不重要，适度的放大率足以提供所有重要的信息。扫描电镜提供了样品准备的便利性，大景深，且易于解释的图像，以及在可检查的样品大小和类型方面有着巨大的灵活性，包括观察动态变化的样品特性。所有这些优点都是Oatley在用SEM1获得的第一个结果的基础上体会到的，比一般的电子显微镜专家被迫得出相同的结论早了整整十年。
接着，Charles-Oatley又招收了两名研究学生：1952年，KC.A.Smith继续开发SEM1，一年后，O C Wells开始建造一台新的电子显微镜，即SEM2。L R Peters，一个有天赋的技术员，被分配到这个项目。
尽管电子倍增器似乎为SEM的检测问题提供了一个不错的解决方案，但它的实践在技术上被证明是极其困难的。对低能量二次电子的检测需要倍增器的输入处于几百伏的正电位，这反过来又要求输出处，要高于地面6千伏的位置。由于在高电压下工作的电容器会产生显著的噪声，因此在这个阶段不可能将信号电容耦合到地面。因此，一个浮动在6千伏的前置放大器，以及所有随之而来的电源、屏蔽和去耦问题，必须被用来将信号提升到一个电容噪声变得不重要的水平。所有这些困难随着1956年 "Everhart-Thornley "检测器的引入而被一举消除。有了这种检测器，倍增器的输出处于地电位，而且整个信号链都可以使用直流耦合。
图3说明了这种检测器是如何随着Oatley小组的研究进展而发展的。当K C A Smith在进行环境电池的实验时，Oatley首先建议使用塑料有机闪烁器与光电倍增器相耦合，以检测通过电池传输的电子。在Oatley的安排中（图3(a)），棒状闪烁体放置在原位环境中细胞的底部，并作为一个光管将闪烁体传送到倍增器的光电阴极。
图3. Everhart-Thornley检测器的演变：(a) Oatley的安排，用于检测通过原位环境中细胞传输的电子。(b) 检测BSE成分。(c) Everhart的SE检测器。(d) 由Thornley确定的电子轨迹。这个探测器后来被Wells和Smith用来制作固体样品的背散射电子图像。随后，Everhart接管了SEM1，并将该技术扩展到检测低能量的二次电子。稍后，Thornley利用电子轨迹追踪器对Everhart的探测器进行了详细的研究—这是Oatley发起的另一个研究项目（Sander 1951）。
Oatley为展示SEM的能力和灵活性，组织的研究和开发计划非常广泛，也许可以通过参考参加该计划的学生们的工作来得到最佳说明。以下是对他们工作的简要总结。这一时期从1940年代末到1960年代初，当时支持SEM商业化生产的呼声终于成为压倒性的。Oatley等人在1985年对这一时期进行的工作进行了全面的描述，并列出了一份完整的已发表工作的参考文献。
D McMullan: 1948年。构建了SEM1，并制作了第一张显示现代扫描电镜所特有的 "三维 "显微照片。电子探针形成的理论分析；测量背向散射电子随角度的分布；研究了BSE对比形成的机制。学位论文："Investigations relating to the Design of Electron Microscopes" 1952年。K C A Smith: 1952年。对SEM1进行了改进，包括对低能量二次电子（SE）成分的有效探测；研究了SE对比度的形成；扩展了电子探针形成的理论；研究了广泛的应用；动态实验，包括高温下的化学反应。
学位论文： "The Scanning Electron Microscope and its Fields of Application" ，1956年。
O C Wells: 1953年。构建了SEM2并将其应用于纤维的研究。探索了新型的检测器；在许多新的配置中使用闪烁器/光电倍增器检测器；建立了SEM中的立体显微镜理论；研究了检测非导电样品的方法，包括使用正离子轰击；研究了原子序数对比的函数关系。学位论文："The construction of a Scanning Electron Microscope and its application to the study of fibres" ，1957年。T-E-Everhart：1955年。继续改进SEM1；设计了新的检测器（'Everhart-Thornley'检测器）。详细研究了不同的对比机制，包括电位对比；发展了固体电子反射的新理论。学位论文："Contrast formation in the Scanning Electron Microscope" ，1958。
P J Spreadbury: 1956年。建造了一个简单的扫描电子显微镜，使用阴极射线示波器作为显示单元；对电子枪的性能进行了仔细测量。建造了许多电子设备，这些设备被用于实验室的其他扫描电镜和项目。学位论文："Investigations relating to the design of a Simple Scanning Electron Microscope"，1958。
R F M Thornley 1957年。对SEM2进行了改进。对Everhart检测器进行了详细研究。低电压操作以检查不导电的样品；研究冷冻生物样品。学位论文："New applications of the Scanning Electron Microscope" 1960.
A D G Stewart 1958年。完成了由Oatley开始的新显微镜的建造（SEM4）。增加了离子枪，可以直接观察正在进行溅射的样品。后来搬到剑桥仪器公司，从事 "立体镜 "项目的工作。学位论文：未提交。
H Ahmed 1959（导师A H W Beck）。使用SEM2来研究阴极的活化过程。在超过1300K的温度下直接观察发光阴极。学位论文："Studies on high-current-density Thermionic Cathodes" ，1962年
R F W Pease 1960年。设计了一个新的显微镜（SEM5），第一个达到10纳米分辨率的SEM。工程部制造了几台这样的仪器，并在其他小组使用。也提供给卡文迪许实验室的F P Bowden小组。学位论文："High resolution Scanning Electron Microscope" ，1963年
A N Broers 1961年。对SEM4进行了改进，包括增加了磁性透镜。在离子束系统中加入质量过滤器，以获得纯净的离子束种类。发现表面污染物影响了溅射的速率，因此可以用来掩盖试样表面的选定区域。利用这种效应来铺设金线和其他结构的图案--这是电子束微加工和微机械加工的最早的成功尝试之一。学位论文："Selective ion beam etching in the Scanning Electron Microscope"，1965年。
1960年，Oatley被任命为电气工程系主任和电气部门的负责人，此后他对研究计划的直接参与减少了；对Pease和Broers的监督工作交给了W C Nixon，他于1959年从卡文迪什的V E Cosslett小组加入该系。然而，在他1971年退休时，Oatley又开始了研究，并在他80多岁时继续为这个领域做出贡献（Oatley1975,1981, 1983, 1985）。他关于SEM的书于1972年出版。
5. SEM的商业发展： STEREOSCAN
直到20世纪50年代中期，人们对Oatley小组的工作兴趣不大，但当加拿大纸浆和造纸研究所（PPRIC）的成员D Atack和帝国化学工业公司的J H L McAuslan了解到扫描电子显微镜的工作后，人们对扫描电子显微镜的态度出现了转折点。
两人当时都在卡文迪许的F P Bowden小组休假，他们决定为他们的工作探索该仪器的潜力。利用SEM1，Atack检查了一系列纸浆和纸张的样品，而McAuslan则研究了叠氮化银晶体的热分解。这项工作在PPRIC引起了强烈的兴趣，随后安排研究所出资在工程部建造一台新的SEM。1956年，Smith承担了设计这台新仪器的任务，命名为SEM3，作为一个博士后研究项目。
图4. 剑桥仪器公司向美国杜邦公司提供的第一台立体照相机的原型（Stewart和Snelling，1965年）在这个阶段，Oatley说服了Associated-Electrical-Industries(AEI)（前身为Metropolitan Vickers）对SEM感兴趣，一家当时同时生产透射电子显微镜和电子探针显微分析器的公司。双方达成的一致是，如果该显微镜在商业上是可行的，AEI将接受它。后来，在1958年，AEI收到了来自Bowden的订单，但由于商业原因，所生产的仪器是基于他们目前生产的微束分析器，几乎没有从SEM3的建造和操作中获得经验，并且没有取得成功。Bowden把显微镜还给了AEI，后来又从工程部订购了一台Pease-Nixon的显微镜。这结束了AEI进入SEM市场的尝试（Agar 1996; Brown et.al. 1996）。
SEM3于1958年被运到加拿大，并被PPRIC在其蒙特利尔实验室和其他雇用该仪器的公司成功使用，包括美国的杜邦化学公司。这一点，加上Oatley小组的成员--Nixon、Thornley、Stewart、Ahmed、Pease和Broers的成果在加速流动，使人们对SEM的态度发生了变化，因为它的优势得到了更好的赞誉。
1961年，Nixon和Smith与剑桥仪器公司进行了一次非正式的接触，建议该公司在生产SEM的同时也生产他们当时正在销售的微束分析仪。此后不久，Oatley与该公司的总经理H-C-Pritchard达成了正式协议，并安排制造两台原型机，其中一台交给了杜邦公司（图4）。1962年，Oatley以前的研究学生之一，A D G Stewart，加入了公司，接管了新的SEM的开发，在政府的支持下，1965年制造了5台显微镜。
Oatley在1982年发表的论文"扫描电子显微镜的早期历史"中，以下面一段话结束——这是对他开创性工作的恰当见证： “首批四个生产型号，以 "Stereoscan "的商品名称出售，分别交付给班戈北威尔士大学的P-R-桑顿、利兹大学的J-西科尔斯基、明斯特大学的G-E-普费弗科恩以及中央电力研究实验室。这时，公司已经开展了宣传活动，订单开始滚滚而来。另外一批12台电子显微镜已经到货；然后又有40台的订单........扫描电子显微镜问世了。”参考资料https://www.cam.ac.uk/和http://www.eng.cam.ac.uk/
来源于老千和他的朋友们，作者
赵工
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