材料分析方法第五章透射电镜的结构

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1、第五章透射电镜的结构内容提要：引言第一节电子光学基础第二节透射电镜的结构第三节透射电镜的主要部件引言电子显微分析技术？就是应用电子显微镜和其它电子束仪器来研究微观世界中的物质的组织形态、结构、组成及变化规律的学科。第一节电子光学基础一、光学显微镜的分辨率二、电子波的波长三、电磁透镜四、电磁透镜的像差及其对分辨率的影响五、电磁透镜的景深与焦长一、光学显微镜的分辨率1、光学透镜的分辨率—衍射效应的影响分辨率（也称分辨本领）：指显微镜能分辨出来的样品上（即物面上）两物点间的最短距离。一个理想的物点，经过透镜成像时，由于光的衍射效应，在像平面上形成的并

2、不是一个像点，而是一个具有一定尺寸的中央亮斑和周围明暗相间的圆环所构成的Airy斑。通常以Airy斑的第一暗环的半径R0来衡量Airy斑的大小：由瑞利判据，两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径R0时，刚好能分辨开两个物点所成的像。由衍射效应决定的显微镜的分辨本领为：对于光学透镜，上式简化为：表明：①光学显微镜的分辨率主要取决于照明源的波长。②半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波长是390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是≈200nm（0.2μm）。2、有效放大倍数一般地，人眼的分辨本领是大约0.2mm，光学显微镜的最大分辨

3、率大约是0.2μm，光镜的最高放大倍数一般在1000～1500之间。若要提高显微镜的有效放大倍数，则需提高显微镜的分辨本领。3、电子显微镜的出现提高显微镜的分辨率的关键：降低照明光源的波长。在电磁波谱中：紫外光的波长在13～390nm之间，但是大多数物质都强烈地吸收短波紫外线，故可供照明使用的紫外线波长只在200～250nm范围，分辨率的提高有限（仅一倍）。更短波长的是X射线,但无法折射和聚焦成像，因此X射线也不能作为显微镜的照明光源。二、电子波的波长根据德布罗意的观点，运动的电子具有波粒二象性。电子波的波长为：物质波的波长等于普朗克常量除以动

4、量。电子的运动速度v，取决于加速电压U：注：当电子运动速度很高时，电子质量须经过相对论修正。不同加速电压下的电子波波长TEM常用的加速电压为100～1000kV，对应的电子波波长为10-2Å。加速电压U/kV20406080100电子波长λ/Å0.08590.06010.04870.04180.0371加速电压U/kV1201602005001000电子波长λ/Å0.03340.02850.02510.01420.0087三、电磁透镜电子束在轴对称的非均匀电场和磁场的作用下，会产生会聚或发散，起到透镜作用，达到成像的目的。电子透镜：在电镜内造成

5、的起透镜作用的一定的电场或磁场。静电透镜——由静电场构成的透镜；电磁透镜——由电磁线圈产生的磁场构成的透镜，简称磁透镜。在电镜中，静电透镜用来使电子枪中阴极发射出的电子会聚成很细的电子束，而不用来成像。透射电镜中用于成像的是电磁透镜。1、电磁透镜的聚焦原理运动的电子在磁场中会受到洛仑兹力的作用：式中：—电子运动的速度矢量；—磁场强度矢量电子在磁场中运动，当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时，将产生一个与运动方向垂直的力（洛仑兹力）使电子运动方向发生偏转。通电的短线圈就构成了一个简单的电磁透镜。电磁透镜的聚焦原理，如图。①当入射电子沿线圈轴线运

6、动时，电子运动方向与磁感应强度方向一致，电子不受力，以直线运动通过线圈；②当入射电子运动偏离轴线（即以速度v平行于线圈轴进入透镜磁场时，电子受磁场力的作用，将产生三个运动分量：轴向运动（速度vz）、绕轴旋转（vt）和指向轴的运动（vr），作圆锥螺旋近轴运动，最后会聚在轴线上的一点F。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。电子显微镜是用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的具有高分辨率和高放大倍数的电子光学显微镜。2、电磁透镜的结构实际的电磁透镜的结构：线圈+内环形间隙的铁壳+极靴使磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米的范围内。磁场强度沿简单螺旋管、

7、包壳透镜和极靴透镜的轴向分布3、电磁透镜的焦距电磁透镜的焦距f：讨论：①、改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜的焦距；②、电磁透镜的焦距总是正值，即电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。③、f与加速电压有关，加速电压不稳将使图像不清晰。四、电磁透镜的像差及其对分辨率的影响电磁透镜的分辨率除了受衍射效应影响外，还有像差对分辨率的影响，使得实际分辨率低于理论极限值（半波长）。1、球差（球面像差）产生原因：电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。用物面上的ΔrS表示球差大小，计算公式为：Cs―球差系数，通常情况下相当于透镜的焦距，

8、大小约为1～3mm。故与透镜的磁场强度有关，磁场强度越大，焦距越短，Cs减小。α―孔径半角。减小α，可显著减小Δrs。2、像散产生原因：由透镜磁场的非