3.3透射电镜的工作原理和特点

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1、图为日立公司H800透射电子显微镜(镜筒)高压系统真空系统控制系统观察和记录系统3.3透射电镜1.透射电镜的工作原理和特点透射电镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。四部分：电子光学系统、电源系统、真空系统、操作控制系统镜筒一般由电子枪、聚光镜、物镜、中间镜和投影镜等电子透镜、样品室和荧光屏组成透射电镜的电子光学系统。透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜会聚

2、成具有一定直径的束斑照到样品上。具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反映样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息。透过样品的电子束强度，其取决于这些信息，经过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些信息的透射电子像，经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感光板或胶卷上。透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似的，如图4-3所示。光学显微镜与透射电镜的比较比较部分光学显微镜透射电镜光源可见光(日光、电灯光)电子源(电子枪)照明控制玻璃聚光镜电子聚光

3、镜样本1mm厚的载玻片约10nm厚的薄膜放大成象系统玻璃透镜电子透镜介质空气和玻璃高度真空像的观察直接用眼利用荧光屏聚焦方法移动透镜改变线圈电流或电压分辨本领200nm0.2~0.3nm有效放大倍数103×106×物镜孔径角约700＜10景深较小较大焦长较短教长像的记录照相底板照相底板透射电镜的显著特点是分辨本领高。目前世界上最先进的透射电镜的分辨本领已达到0.1nm,可用来直接观察原子像。电磁透镜电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。衍射效应对分辨本领的影响：Rayleigh公式：Δr0=0.61λ/

4、NsinαΔr0：成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距离，表示透镜分辨本领的大小。λ：波长;N：介质的相对折射系数α:透镜的孔径半角只考虑衍射效应时，在照明光源和介质一定的条件下，孔径半角越大，透镜的分辨本领越高。像差对分辨本领的影响：由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在像平面上均会扩展成散焦斑，个散焦斑的半径也就影响了透镜的分辨本领。控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用电磁透镜装置。但电磁透镜在成像时会产生像差。像差分为几何像差和色差两类。几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的

5、像差。色差：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的像差。透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关。光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响;但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。像差分球差、像散、色差等，其中，球差是限制电子透镜分辨本领最主要的因素。球差的大小，可以用球差散射圆斑半径Rs和纵向球差ΔZs两个参量来衡量。前者是指在傍轴

6、电子束形成的像平面(也称高斯像平面)上的散射圆斑的半径。后者是指傍轴电子束形成的像点和远轴电子束形成的像点间的纵向偏离距离。ΔZs如果计算分辨本领的平面为最小截面圆所在平面，则Δr’s=1/4Csα3从以上两式可以得知Δr’s或Δrs与球差系数Cs成正比，与孔径半角的立方成正比。也就是说球差系数越大，由球差决定的分辨本领越差，随着α的增大，分辨本领也急剧地下降。像散：像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起。如果电磁透镜在制造过程中已经存在固有的像散，则可以通过引入一个强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿，这个

7、能产生矫正磁场的装置称为消像散器。色差：是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。色差电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的特点是景深大（场深），焦长很长。景深：透镜物平面允许的轴向偏差定义为透镜的景深。从原理上讲，当透镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，能在透镜像平面上获得该层平面的理想图象，而偏离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦，他们在透镜像平面上将产生具有一定尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么对透镜像分辨本领并不产生影响。焦长：透镜像平面允许的

8、轴向偏差定义为焦长。当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动，也会引起失焦。如果失焦尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的轴向距离内移动，对透镜像分辨率并不产生影响。2透射电镜的结构及原理透射电镜主要有电子光学系统(镜筒)、电源系统、真空系统和操作控制系统等四部分。电源系统、真空系统和操作系统都是辅助系统。电源系统包括电子枪高压电源、透镜电源和控制线路