透射电镜培训讲学.ppt

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1、透射电镜第七章电子光学基础及透射电子显微镜本章主要学习的内容:1.投射电镜的发展历史2.投射电镜的组成和原理3.电磁透镜的相差与分辨本领本章重点:1.投射电镜的组成和原理2.电磁透镜的相差与分辨本领本章难点:1.电子波长2.电磁透镜的相差与分辨本领§7.1电子光学基础一、光学显微镜的分辨率极限概念：分辨率-成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距离。公式中的λ为照明光源的波长。光学显微镜的分辨率取决于照明光源的波长；在可见光范围内，光学显微镜分辨率的极限为200nm；要提高显微镜的分辨率，关键是要有波长短，又能聚焦成像的照明光源。1924年，德布罗意发现电子波的波长比可见光短十万倍；19

2、26年，布施指出轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦；1933年鲁斯卡等设计并制造了世界上第一台投射电子显微镜。（DeBroglie）电子波的波长：电子具有极高的速度，必须经过相对论校正：加速电压/kV电子波波长/nm10.038850.0713100.0122200.00859400.006011000.0037010000.00087不同加速电压下的电子波波长在100kV加速电压下，电子波的波长要比可见光小5个数量级。二、电磁透镜电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会聚成像。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。用静电场构成的透镜称之“静

3、电透镜”；电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称之“电磁透镜”。(1)静电透镜当电子在电场中运动，由于电场力的作用，电子会发生折射。我们将两个同轴圆筒带上不同电荷（处于不同电位），两个圆筒之间形成一系列弧形等电位面族，散射的电子在圆筒内运动时受电场力作用在等电位面处发生折射并会聚于一点，就构成了一个最简单的静电透镜。透射电子显微镜中的电子枪就是一个静电透镜。(2)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

4、圈；当电子运动偏离轴线时，电子受磁场力的作用，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。短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。实际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（如图）。线圈的磁力线都集中在壳内，磁感应强度加强。狭缝的间隙越小，磁场强度越强，对电子折射能力越大。为了使线圈内的磁场强度进一步增强，在电磁线圈内加上一对磁性材料的锥形环，这一装置称为极靴。增加极靴后的磁线圈内的磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米的范围内。电磁线圈与极靴(3)电磁透镜成像光学透镜成像时，

5、物距L1、像距L2和焦距f三者之间满足如下关系：电磁透镜成像时也可以应用该公式。所不同的是，光学透镜的焦距是固定不变的，而电磁透镜的焦距是可变的。电磁透镜焦距f常用的近似公式为：式中是K常数，Ur是经相对论校正的电子加速电压，（IN）是电磁透镜的激磁安匝数。改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜的焦距。而且电磁透镜的焦距总是正值，这意味着电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。三、电磁透镜的像差及分辨率光学透镜最佳的分辨率是波长的一半。对于电磁透镜来说，目前还远远没有达到分辨率是波长的一半。以日立H-800透射电镜为例，加速电压达是200KV，若分辨率是波长的一半，那么它的分辨率应该是0.0012

6、5nm；实际上H-800透射电镜的点分辨率是0.45nm，与理论分辨率相差约360倍。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：像差分为几何像差和色差几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的。球差：球差是因为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。像散：像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。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。(1)球差(sphericalaberration)球差是因为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。球差是像差影响电磁透镜分辨率的主要因素，还不能象光

7、学透镜那样通过凸透镜、凹透镜的组合设计来补偿或矫正。原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半径为ΔrS的漫散圆斑。我们用ΔrS表示球差大小，计算公式为：Cs常数,α-孔径半角(2)像散(astigmatism)像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。当极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的磁性材料的材质不均以及极靴孔周围的局部污染等都会引起透镜的磁场产生椭圆度。像散是可以消除的像差，可以通过引入一个强度和方位可调的矫