电子光学基础1

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1、【教学内容】1.电子波与电磁透镜2.电磁透镜的分辨率3.透镜的景深和焦长【重点掌握内容】1.电子在磁场中的运动和磁透镜2.电磁透镜的分辨本领【教学难点】电子在磁场中的运动和磁透镜。第一章电子光学基础1第一节电子波与电磁透镜光学透镜成像2电子波成像1.点成像的情况:由于衍射效应的作用，点光源在像平面上得到的并不是一个点，而是一个中心最亮，周围带有明暗相间同心园环的园斑，即Airy斑．3Airy斑的光强分布特征：84％集中在中央亮斑上，其余由内向外顺次递减，分散在第1、第2。一般将第一暗环半径定为Airy斑的半径。42.两个物点成

2、像的情况:即Ｓ1、Ｓ2成像后在像平面上会产生两个Airy斑Ｓ1’、Ｓ2’．5如果两个物点靠近，相应的两个Airy斑也逐渐重叠。当斑中心间距等于Airy斑半径时，强度峰谷值相差１９％，人眼可以分辨;当一点光源衍射图样的中央最亮处刚好和另一个点的第一个最暗处重合时，两衍射斑中心强度约为中央的８０％，人眼刚可以分辨。--Rayleigh准则6分辨的最小距离：式中，λ—光的波长α—孔径半角n—折射子数nsinα—数值孔径分辨的最小距离与波长成正比。7第二节电磁透镜可见光用玻璃透镜聚焦。电子束如何聚焦？---旋转对称的静电场或磁场可起到聚焦

3、的作用。电子束的聚焦装置是电子透镜。相应的分为：静电透镜磁透镜8１．电磁透镜的聚焦原理：电荷在磁场中运动时，受到磁场的作用力，即洛仑磁力。电磁透镜实质是一个通电的短线圈，它能造成一种轴对称的分布磁场。洛仑兹力的计算洛仑兹力与电磁透镜的聚焦原理:正电子荷在磁场中运动时受到磁场的作用力：式中，q—运动电荷（正电荷）v—电荷运动速度B—电荷所在位置磁感应强度,与磁场强度H的关系：由于磁场对运动电子的作用力总是垂直于电子的速度，因此这个力不改变电子运动速度的大小，只改变电子运动的方向。即电子在磁场中运动速度的大小是不变的。磁场即不加速电子

4、，也不阻滞电子，只改变电子运动的轨迹。9电磁透镜聚焦原理图透射电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像的装置是电磁透镜。产生电子电子运动电场10电磁透镜聚焦原理示意图112.电磁透镜的发展经历了下面的过程：（1）带有软磁铁壳的磁透镜环状狭缝——减少磁场的广延度，使大量磁力线集中在缝隙附近的狭小地区之内，增强磁场强度。12（2）带有极靴的磁透镜极靴—进一步缩小磁场轴向宽度，在环状间隙两边，接出一对顶端成园锥状的极靴，可使有效磁场集中到沿透镜轴几mm范围。13电磁透镜的焦距:f≈KUr/(IN)2K为常数；Ur为经相对论修正的加速电压；(

5、IN)为电磁透镜激磁安匝数。可通过线圈中通过的电流大小来改变，因此其焦距可任意调节。14但实际电镜的分辨率远远达不到上述指标，为什么呢？这是因为电磁透镜存在着像差：电磁透镜的分辨率对玻璃透镜来说，取最大孔径半角α=70～750，在物方介质为油的情况下，n=1.5，那么其数值孔径nsinα=1.25-1.35：15球差即球面像差：磁透镜中心区和边沿区对电子的折射能力不同引起的。物点P通过透镜成像时，电子就不会聚焦在同一焦点上，而是形成一个散焦斑，即像平面在远轴电子焦点和近轴电子焦点之间移动，从而得到一个最小的散焦园斑。球差远轴电子焦

6、点近轴电子焦点16像散由于透镜磁场的非旋转对称而引起的。透镜磁场磁场的非旋转对称，使得其在不同方向上的聚焦能力出现差别，结果使物点P通过透镜后不能在像平面上聚焦成一点。在聚焦最好的情况下，能得到一个最小的散焦斑，把最小的散焦斑的半径RA折算到物点P的位置上，就形成了一个半径为ΔrA的圆斑，即：像散可通过消像散器补偿。17色差色差是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成的。若入射电子能量出现一定的差别，能量大的电子在距透镜较远的地点聚焦，而能量较低的电子在距透镜较近的地点聚焦，因此造成了一个焦距差。像平面在长焦点和短焦点之间移动时

7、，可得到一个最小半径为Rc散焦斑。稳定加速电压和透镜电流可减小色差。18小结：像差对分辨率的影响像差：球差：色差：19认识概念：景深和焦长景深：透镜物平面允许的轴向偏差焦长：透镜像平面允许的轴向偏差电磁透镜的一大特点是景深大，焦长很长，这是由于小孔径角成像的结果。20习题1.电子波有何特征?与可见光有何异同?2.分析电磁透镜对电子波的聚焦原理，说明电磁透镜的结构对聚焦能力的影响。3.电磁透镜的像差是怎样产生的?如何来消除和减少像差?4.说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素是什么?5.如何提高电磁透镜的分辨率？6.电磁透镜景

8、深和焦长主要受哪些因素影响?说明电磁透镜的景深大、焦长长，是什么因素影响的结果？假设电磁透镜没有像差，也没有衍射埃利斑，即分辨率极高，此时它的景深和焦长如何?21