电子显微分析技术

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1、现代仪器分析电子显微分析技术2016.03.14陈芳kenobi@163.com115257155137教八108观察事物的需要----电子显微镜放大和分辨率2本部分的主要内容和目的：1、了解电子与物质的交互作用以及电磁透镜分辨率的影响因素；2、了解扫描电镜的基本结构及其工作原理，掌握原子序数衬度、表面形貌衬度及其在材料领域的应用；4、了解能谱仪的结构及工作原理，掌握点分析，线扫描，面分布在材料分析中的应用；3、了解透射电镜的基本结构和工作原理，掌握粉末样品的制备及其透射电子显微分析；3瑞利判据:对于两个等光强

2、的非相干物点,如果其一个象斑的中心恰好落在另一象斑的边缘(第一暗纹处),则此两物点被认为是刚刚可以分辨。两艾里斑中心距小于艾里斑半径,两象点不能分辨。观察屏衍射屏L(艾里斑刚可分辨不可分辨θ1λ)圆孔孔径为DfRI/Io相对光10强曲线01.22(λ/D)sinθ中央为亮斑,外围为一些同心亮环.光强主要在中央亮斑区(84%)——艾里(Airy)斑。艾里斑4透镜分辨率通常把两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径时，物平面上相应的两个物点间距（Δr）定义为透镜能分辨的最小间距，0即透镜分辨率（也称分辨本领）。由式

3、1-1得：0.61λ即∆r0=（1-1）nsinα对于光学透镜，当n•sinα做到最大时（n≈1.5，α≈70-75°），式（1-2）简化为：λ∆r0≈（1-2）25有效放大倍数•上式说明，光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。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。•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率大约是0.2μm。把0.2μm放大到0.2mm让人眼能分辨的放大倍数是1000倍。这个放大倍数称之为有效放大

4、倍数。光学显微镜的分辨率在0.2μm时，其有效放大倍数是1000倍。•光学显微镜的放大倍数可以做的更高，但是，高出的部分对提高分辨率没有贡献，仅仅是让人眼观察更舒服而已。所以光学显微镜的放大倍数一般最高在1000-1500之间。如何提高显微镜的分辨率•根据式（1-2），要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。•顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13-390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。•更短的波长是X射线。但是，迄今为止还没有找到能使

5、X射线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说还没有使X射线聚焦的透镜存在。因此X射线也不能作为显微镜的照明光源。•除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。电子波波长•根据德布罗意（deBroglie）的观点，运动的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电子运动的相对运动速度和相对质量，即hλ=（1-3）mv式中，h为普郎克常数：h=6.626×10-34J.s；m为电子相对质量；

6、v为电子相对运动速度，它和加速电压U之间存在如下关系：122eUmv=eU即v=（1-4）2m式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。•将（1-5）式和（1-4）式整理得：hλ=（1-5）2emU将常数代入上式，并注意到电子电荷e的单位为库仑，h的单位为J·s，我们将得到：1.226λ=nmU表9-1不同加速电压下的电子波长加速电压/kV2030501002005001000电子波长/10-3nm8.596.985.363.702.511.420.6879电磁透镜•电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会聚

7、成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束折射，从而产生电子束的会聚与发散，达到成像的目的。人们把用静电场构成的透镜称之“静电透镜”；把电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称之“电磁透镜”。电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像的装置就是电磁透镜。•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。•右图是一个电磁线圈。当电子沿线圈轴线运动时，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；当电子运动偏离轴线时，电子受磁场力

8、的作用，运动方向发生偏转，最后会聚在轴线上的一点。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。图1-1电磁透镜的聚焦原理示意图•在实际应用中，电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里。此时线圈的磁力线都集中在壳内，磁感应强度得以加强。狭缝的间隙越小，磁场强度越强，对电子的折射能力越大。•为了使线圈内的磁场强度进一步增强，可以在电磁线圈