电子光学基础新PPT课件

1,.,课堂要点：,1.电子波有何特性，加速电压30KV时，计算波长要考虑什么影响？2.电子枪有几种？分别有什么特性？3.电磁透镜的像差是怎样产生的，如何消除和减小像差？4.影响电磁透镜分辨率的主要原因是什么？如何提高分辨率？,2,.,21电子射线的特性,电子是具有一定质量、带有一定电荷的基本粒子。和可见光相似，运动的电子具有粒子性与波动性。根据德布罗意的观点，每一运动着的微观粒子都有一个波与之相对应，这个波的波长与粒子运动速度、粒子质量之间存在着特定的关系。,一.电子的波粒两相性,3,.,德布罗意波物质波,h普朗克常数公式表述了电子的波动性和粒子性之间的关系。,4,.,二.电子波的波长,从公式可知，波长是速度V的函数，速度越大，波长越短。电子波的波长取决于电子运动速度V，而电子运动速度V受加速电子运动的电压U所控制。,5,.,电子的运动速度,一个初速为0的电子,在加速电压U作用下获得了运动速度V,加速电压U和运动速度V之间的关系为,6,.,电子波长的一般计算公式,U加速电压（V）,电子波长（）,h普朗克常数（J.S）,e电荷的电量（C）,m0电荷静止时的质量（Kg）,7,.,电压30kV的波长公式,公式说明：电子波长与加速电压的平方根成反比，加速电压越高，电子波长越短。,8,.,注意：当U30kV时,电子运动速度接近光速，即VC，这时电子质量m随着运动速度的增加而增大，mm0，上式不再适用，引入相对论进行修正。,9,.,电压30KV时波长的计算公式,相对论修正系数,10,.,加速电压30kV时电子波的波长,不同加速电压下电子波的波长（经相对论修正）,11,.,22电子枪,电子枪是产生电子束的装置，有两种类型1.热电子发射型发夹式钨灯丝高亮度LaB6单晶灯丝2.场发射型冷阴极场发射型热阴极场发射型,12,.,1.热电子发射电子枪,（1）阴极：发射电子。一般是由0.03-0.1毫米的钨丝作成V或Y形状。阴极带有负高压。（2）阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是阳极接地。（3）栅极：控制、稳定电子束流大小。阴极、阳极和栅极决定着电子发射的数目及其动能。,13,.,热电子发射型电子枪,电子枪有三个极阴极（灯丝）控制极（栅极）阳极（加速极）三极电位关系阴极上加负高压（负几十kV负几百kV）栅极比阴极更负（负100V负500V）阳极是零电位。,14,.,电子枪的构成,15,.,LaB6单晶灯丝,16,.,电子枪的工作原理,17,.,2.场发射型电子枪,场发射：在金属表面加一个强电场，金属表面的势垒就变浅，金属内部的电子穿过势垒从金属表面发射出来的现象。,场发射型电子枪无栅极。它由一个阴极和两个阳极所组成，第一阳极施加一个低电压（相对于第二阳极来说），只有几kV，用以将阴极上的自由电子吸引出来，第二阳极上施加极高电压，100kV甚至更高，将自由电子加速到发射电子束流的程度。,18,.,场发射型电子枪阴极,19,.,场发射式电子枪的优、缺点,优点：电子束斑细，较钨丝阴极（大于104nm）缩小了个数量级。发光效率高，较钨丝阴极（106A/cm2s）提高了个数量级。缺点：要求更高的真空度。造价昂贵，使用寿命2000h。,20,.,23电磁透镜,电子是带负电的粒子，在电场力或者磁场力的作用下会发生偏折，用通电线圈产生磁场使电子线聚焦成像的装置叫电磁透镜。,21,.,1.电磁透镜的结构,首先看一下电子在匀强磁场中的运动,22,.,电子在匀强磁场中的运动,e,V平行于磁力线，e匀速直线运动,23,.,V垂直于磁力线,e做匀速圆周运动,电子在匀强磁场中的运动,P,24,.,V与磁力线斜交,e做圆锥螺旋线运动,电子在匀强磁场中的运动,25,.,有软铁壳的电磁透镜,c),电子在磁透镜中的运动轨迹,26,.,有极靴的电磁透镜,电磁线圈,电磁线圈包上铁壳,电磁线圈包上铁壳装配极靴,27,.,带铁壳和极靴的电磁透镜剖面图,28,.,电磁透镜部件图,29,.,电磁线圈与极靴,30,.,有极靴,B（z）,没有极靴,无铁壳,z,磁感应强度分布图,31,.,2.电磁透镜的像差,电磁透镜的像差,几何像差是透镜磁场几何形状缺陷所造成的，主要有球差和像散。色差是电子波的波长和能量发生一定变化所造成的。,32,.,（1）球差：,透镜的远轴区和近轴区对电子的折射能力不同所造成。远轴区对电子的折射能力强，近轴区对电子的折射能力弱。一个物点散射的电子经过透镜后不是被汇聚在一个像点上，而是汇聚在一定的轴向距离上，结果一个物点在像平面上得到一个散焦圆斑。散焦圆斑的直径2Rs。2Rs/M折算到物平面上,rsRs/M,物镜,远轴区,近轴区,33,.,式中：Cs是球差系数（定数）是磁透镜的孔径半角,球差引起的散焦斑半径,rs表示球差的大小,越小,rs越小，透镜的分辨率越高。注意：球差是制造缺陷。,34,.,（2）像散,透镜磁场非旋转对称引起的（由于极靴圆孔的椭圆度，上下极靴不同轴，材料各向导磁率的差异，局部污染等）。结果使得磁透镜在相同径向距离，不同方向上的聚焦能力出现差别，结果象球差一样，一个物点散射的电子经过透镜后，在像平面上得到一个散焦圆斑。,35,.,式中：fA是焦距差是磁透镜的孔径半角,rA表示像散的大小。用一个强度和方向可以调节的矫正磁场装置（消像散器）来消除像散。,像散引起的散焦斑半径,36,.,（3）色差,由于电子波的波长和能量发生一定的变化所造成的（加速电压不稳定，样品过厚）。结果使得一个物点散射的具有不同波长（能量）的电子进入透镜后按各自的轨迹运动，能量大（波长短）的电子在距光心远的地方聚焦；能量小（波长长）的电子在距光心近的地方聚焦，在像平面上得到一个散焦圆斑。,37,.,式中：Cc是色差系数是磁透镜的孔径半角E/E电子束能量变化率,rc表示色差的大小。可以用稳定加速电压，减小样品厚度的办法来消除。,色差引起的散焦斑半径,38,.,3.电磁透镜的分辨率,分辨率：能清楚的分辨开两个物点的最短距离。距离越短，分辨率越高。,根据阿贝的观点，透镜的分辨率等于照明光源的半波长，即d=/2，那么，当加速电压为100kV时，波长为0.037，透镜的分辨率应为0.02左右。目前，最好的电镜分辨率为1左右，是理论分辨率的1。究其原因，主要是衍射效应和像差限制了可能达到的分辨率。,39,.,（1）衍射效应对分辨率的影响,电子具有波动性和粒子性。由于电子的波动性使得由透镜各部分折射到像平面上的像点与其周围区域的光波发生互相干涉，产生衍射现象。一个理想的点光源通过透镜成像时，由于衍射效应，在像平面上得到的不是一个理想的像点，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埃利斑。,40,.,点光源成像时形成的埃利斑,A,41,.,通常用埃利斑第一暗环的半径来度量。根据衍射理论：埃利斑的半径,N透镜物方介质折射率照明光的波长透镜孔径半角M放大倍数,埃利斑的大小,42,.,把埃利斑半径R0/M折算到物平面上,式中：电磁透镜在真空中工作N1透镜孔径半角很小1从式中可知，越高，r0越小，分辨率越高。,43,.,（2）像差对分辨率的影响,像差的主要来源是球差，球差的最小散焦斑半径为,从式中可知，越小，rs越小，分辨率越高。,44,.,（3）磁透镜的分辨率,考虑衍射效应对分辨率的影响要增大；考虑