透射电子显微镜基本结构及功能

透射电子显微镜部分结构及功能在光学显微镜中看不到小于0.2m的微细结构，但这些结构包括亚微米结构(submicroscopic structures )和超微细结构(ultramicroscopic structures )； ultrastructures )。 为了观察这些结构，为了提高显微镜的分辨率，必须选择波长短的光源。 1932年，Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜(TEM )。 电子束的波长比可见光和紫外光短得多，电子束的波长与发射电子束的电压的平方根成反比，即电压越高波长越短。 目前，TEM的分辨率达到0.2nm。电子显微镜和光学显微镜的成像原理基本相同，前者不同点在于以电子束为光源，以电磁场为透镜。 另外，由于电子束的透射力弱，电子显微镜中使用的标本必须是厚度约50nm左右的极薄切片。 这个切片需要用超薄切片器(ultramicrotome )制作。 电子显微镜的倍率最高接近百万倍，由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5个部分构成，经细分，主体部分为电子透镜和显影记录系统，由真空中的电子枪、聚光镜、试样室、物镜、衍射镜、中间镜、投影镜、荧光屏和电子显微镜是使用电子显示物体内部和表面的显微镜。 电子显微镜的分辨率(约0.1纳米)远高于光学显微镜的分辨率(约200纳米)，因为高速电子的波长比可见光的波长短(粒子的二像性)，但是显微镜的分辨率受所使用的波长限制。透射式显微镜的结构与原理透射型电子显微镜(TEM )和投影型光学显微镜的原理相似，但光源和透镜不同，但放大和成像的方法完全一致。实际上，反光镜和电子显微镜的内部结构都比图示的复杂得多，图中的聚光透镜、物镜和投影透镜都是光路中的主要透镜，实际制作时大多分别是一组(多片透镜结构)，达到设计电子显微镜时所需的倍率，减少畸变和像差透射电子显微镜的整体结构包括镜体和辅助系统两大部分，镜体部分包括照明系统(电子枪g、聚光透镜C1、C2)、成像系统(试样室、物镜o、中间镜I1、I2、投影镜P1、P2)、观察记录系统(观察室、照片室)、调整系统(像散去除器、光束取向调整器、光圈)。 辅助系统有真空系统(机械泵、扩散泵、真空阀、真空规)、回路系统(电源转换、调整控制)、水冷系统。透射电子显微镜的总体操作原理是，从电子枪发射的电子束在真空通道中沿着镜体的光轴穿过聚光镜，被聚光镜聚光到细亮的均匀光点上，透过照射在样品室内的样品的电子束或样品内部的结构信息， 经过在样品内致密场所透过的电子量少、在稀疏场所透过的电子量多的物镜的聚焦点和一次放大，电子束进入下段的中间透镜和第1、第2投影透镜而综合放大成像，最终放大后的电子影像投影到观察室内的屏幕板上的荧光屏将电子图像变为可见光图像本节分别介绍各系统中的主要组成和原理。一、照明系统照明系统包括电子枪和聚光镜两个主要部件，其作用主要是为样本和成像系统提供亮度足够的光源电子束流，其要求输出电子束波长单一稳定，亮度均匀，调整方便，像散小。1 .电子枪(electronic gun )由“阴极”、“阳极”和“栅格”组成。(1)阴极：阴极是产生自由电子的源头，一般分为直热型和旁热型两种，旁热型阴极分离加热体和阴极，各自独立。 在电子显微镜中，通常将加热灯丝兼作阴极称为直热式阴极，材料多采用金属钨线制作，其特征是成本低，但亮度低，寿命短。 灯丝直径约为0.100.12mm，若流过几安培的加热电流，则开始发射自由电子，但灯丝周围必须保持较高的真空度。 否则，加热的灯丝就像漏气灯泡一样，会在倾斜期间被氧化并烧毁。 灯丝形状最常用的是叉式，还有箭头斧式和点状式，后两种灯丝发光亮度高，光束细致集中，适合高清晰度电子显微镜照片的拍摄，但寿命更短。阴极安装在高绝缘的陶瓷插座上(图4-16 )，绝缘于数千度的高温，容易更换。 灯丝加热电流值可连续调节。在一定的界限内，灯丝发出的自由电子的量与加热电流的强度成正比，超过该界限后，电流继续变大，只能降低灯丝的寿命，但不能增大自由电子的发射量。 我们把这个临界点称为灯丝饱和点，意味着自由电子的释放量达到了“满额”，什么也没做。 在通常的使用中，将灯丝的加热电流调整到接近饱和的位置，称为“饱和点不足”。 在保证能获得这样大的自由电子发射量的情况下，能最大限度地延长灯丝的寿命。 钨丝的正常寿命为40h左右，现代电子显微镜使用新材料六硼化镧(LaB6)制作丝，价格高，但发光效率高，亮度大(可提高一位数的水平)，而且寿命是钨丝制造的(2)阳极：中心有孔的金属圆筒，位于阴极下方，当向阳极施加数十千伏或数百千伏的正高压加速电压时，从阴极受热释放出的自由电子产生强的引力作用，从杂乱状态变为有序的取向运动，同时使自由电子加速到一定的运动速度(与加速电压有关，先前在轴心移动的电子束的流动，从通过阳极中心的圆孔向电子枪的外部射出，成为照射试料的光源。(3)栅极：位于阴、阳极之间，靠近灯丝前端，是帽子状的金属物，中心也有通电子束的小孔。 栅极施加01000V的负电压，该负电压被称为栅极偏压VG，其高低不同，使用者可以根据需要进行调整，栅极偏压具有使电子束会聚于中心轴的作用，同时对灯丝上的自由电子的放射量也具有一定的抑制作用。(4)工作原理。 通过灯丝电源VF，电流IF流过灯丝阴极，发热到2500以上时，产生自由的电子，脱离灯丝表面。 加速电压VA在阳极表面聚集密集的正电荷，形成强正电场，该正电场使自由电子飞出电子枪外。 调整VF可以使灯丝的工作为饱和点，并在使用电子显微镜时根据相对于亮度的需要调整栅极偏置VG的大小以控制电子束流量的大小。电子显微镜下的加速电压VA也可以调整，VA变大时，电子束的波长变短，有利于电子显微镜的分辨率的提高。 同时，透射能力强，对样品的热损伤小，但在这种情况下，由于电子束与样品碰撞，弹性散射电子的散射角变大，成像对比度降低，所以在不追求高分辨率观察的应用的情况下，选择低加速电压反而能够得到大的成像对比度另一种新型的电子枪场致发射电子枪包括一个阴极和两个阳极，为了吸引阴极上的自由电子，向第一阳极施加略低的吸附电压(相对于第二阳极)，第二阳极上的极高电压使自由电子加速到非常快的速度，发射电子束。 这需要超高电压和超高真空，真空度达到10-7Pa，热损失极小，要求寿命达到2000 h的电子束点变得更细。 场致发射电子枪技术先进，成本高，目前仅应用于高级高分辨率电子显微镜。2 .聚光透镜(condonser lens )聚光镜在电子枪的下方，一般由23段构成，从上依次被称为第1、第2聚光镜(用C1和C2表示)。 上一节介绍了电磁透镜的结构和工作原理，在电子显微镜上设置聚光镜的用途是将电子枪发射的电子束流聚集到能够以均匀亮度调整照射范围的光点上，投影到下一个样品上。 c-1和c-2的结构相似，但是由于极靴的形状和动作电流不同，所形成的磁场强度和用途也不同。 C1是强磁场透镜，C2是弱磁场透镜，通过组合使用各级别的聚光透镜，可以调节照明光束点的直径大小，可以改变照明亮度的强弱，在电子显微镜的操作面板上设置对应的调节扭曲。 C1、C2的工作原理是，通过改变聚光透镜的线圈的电流，实现改变透镜形成的磁场强度的变化，磁场强度的变化(即折射率的变化)在电子束的会聚点上下移动，在样品表面电子束点越小会聚，能量越集中，亮度也越大调整聚光透镜的电流以改变照明亮度的方法，实际上是间接调整方法，亮度的最大值受电子束流量的限制。 为了更大程度地改变照明亮度，只需调整上述电子枪的栅极偏置，就可以根本地改变电子束的流动大小。 c-2通常可以安装可移动的光圈以改变光束照明的开口角，而可以限制投影到样本表面上的照明区域，从而防止电子束的冲突，同时也可以减小诸如散射电子之类的不利信号的影响。二、图像形成系统1 .采样室(specimen room )样品室在聚光镜下，有放样品的样品台。 样本表需要能够在水平面上的x-y方向上移动以选择和移动观察视场，并且包括两个操纵杆或者旋转手轮。 这是一个精密的调节机构，每个操纵杆旋转10圈，样本工作台就可以向某个方向移动3mm左右。 现代的高级电子显微镜可以配备由计算机控制的电机驱动的样品台，以样品在移动时正确、在固定时稳定为目标，并且计算机可以在样品上标签式的定位标记，因此使用者在需要回顾性核对时生物医学样品用透射电镜观察时，基本上原始样品用环氧树脂包埋，用非常精密的极薄切片机切片，刀具是特殊的玻璃刀或金刚石刀。 切取的生物医学样品的厚度通常只有几十纳米(nm )。 一般肉眼无法直接观察到这种情况，因此将切片浮在水面上，熟练的技术人员可以依靠特殊的照明光，以特殊的角度观察这种薄切片。 切下的薄片被提到铜网上，经过染色和干燥后才用于观察。 透射电镜样品的制作是一个长而复杂、精密的过程，在技术上非常强大。 但是，正如我们之前介绍的那样，要获得优良的电子显微镜图像，制作优良的样品是非常重要的第一步。装样品的铜网根据需要多种多样，直径一般为3mm，通常铜网有多少格子，我们称它为第几个。 选择铜制作样品网，由于不作用于电子束和电磁场，同样也可以选择其他导磁率低的金属材料(例如镍)制作样品网，样品网是消耗品，铜网加工容易，成本低，因此非常普及。透射电子显微镜中常见的样品台有两种。 圆顶型样品台，样品室空间大，一次可以装入多个(常见的是6个)样品网，样品网的装杯呈环状排列。 使用时可通过机器人装置依次更换。 观察多个样品后更换样品时，具有破坏样品室真空方便、节约时间的优点，但是所需空间过大，样品远离下物镜，缩短物镜焦距不合适，影响电子显微镜分辨率的提高。 样品台横放，样品台做成棒状，样品网放在前端，只能放入12个铜网。 试料台体积小，占用空间小，可设置在物镜内部的上半端，有利于提高电子显微镜分辨率。 缺点是不能一次装入多个样品网，每次更换样品都必须破坏样品室的真空，很不方便。在性能高的透射型电子显微镜中，大多安装上述样品台，是为了最大限度地提高电子显微镜的分辨率。 高级电子显微镜可以配备多种样式的样品台，一些样品台通过金属键加热或冷却样品网，适用于不同的用途。 样品放在铜网上后固定在样品台上，样品台和样品夹持棒成为一体，是非常精巧的部件。 样条的中央部有“o”形的橡胶垫圈，在橡胶环的表面涂上真空润滑脂，将样室和镜体外的真空隔离开来(两端的气压差极大，比达1010 )。在样本室的上下电子束通道分别设置真空阀，样本更换时切断电子束通道，只破坏样本室内的真空，不影响镜筒内的真空，样本室在更换后再次恢复真空时，可以节约很多时间。 取得样品室的真空度和镜筒内的平衡后，再次打开与镜筒相通的真空阀。2 .物镜位于试料室下方，紧贴试料台的是电子显微镜的最初成像元件，即使物镜产生微小误差，也会经过多阶段的高倍率放大而明显露出，因此这是电子显微镜最重要的部件，可以决定电子显微镜的分辨率，视为电子显微镜的心脏。(1)特征物镜为强磁性透镜，焦距短，对材料的材质纯度、加工精度、使用中的污染状况等工作条件要求极高。 提高一台电子显微镜分辨率指标的核心问题是对物镜性能设计和技术制作的综合评价。 尽量缩短焦距，缩小像差，扩大空间，使样品的操作变得容易，但其中间有很多矛盾的环节。(2)作用是进行初步成像放大，改变物镜的工作电流，发挥调节焦距的作用。 电子显微镜的操作面板上产生粗、细的焦点扭曲，是为了改变物镜的动作电流。为了满足物镜的上述要求，为了缩短物镜的焦距，不仅在物镜的内部设计试样台，而且配置良好的冷却水管，降低物镜电流的热漂移，还搭载提高成像对比度的可变光圈和实现高分辨率的像散去除器。 在高性能的电子显微镜中，用物镜安装以液氮为媒介的防止污染的冷阱，冷却样品。3 .中间反射镜和投影透镜(projection lens )在物镜的下方，为了共同完成对物镜成像面的进一步放大作业，依次设置有中间反射镜、第1投影反射镜和第2投影反射镜。 结构上是同样的电磁透镜，但由于各自的位置和作用不同，所以动作参数、励磁电流、焦距的长度也不同。 电子显微镜总倍率：57350； m=momimp1mp2物镜、中间反射镜、投影镜各自倍率的积。 在使用中需要改变电子显微镜的放大率的情况下，必须根据焦距的长度来改变，通常通过改变中