第八章电子光学基础PPT课件

1、眼晴的局限性：准确性、灵敏性、适应性和精密的分辨能力。人眼观察物体的粒度极限为0.1mm！电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜眼睛：第一台“光学设备”第1页/共60页光学显微镜可以看到： 细菌、细胞那样小的物体。但光学显微镜超过一定放大率以后就失去了作用，最好的光学显微镜的放大极限是： 2000倍第2页/共60页一、 光学显微镜的分辨率极限 人眼能分辩的最小距离约为: 0.2 mm。 光学显微镜：极限分辩率： 0.2 m。使人的视力分辩能力足足提高了1000倍。 光学显微镜：用它来观察材料内部的显微组织，以弄清材料组织结构、成分与性能间内在联系，已成为工业生产和科研的常用的工具，发挥着很大的作用。

2、 随着科技的发展，对显微镜分辨率的要求愈来愈高。 光学显微镜：其分辨率已无法满足材料中许多更细微的组织的观察和分析，而这些细微的组织对材料的性能有很大的影响。第3页/共60页 如： 高碳钢的隐晶马氏体精细组织； HD（5Cr8WMo2VSi）刀片用钢淬火后组织，5005000一、 光学显微镜的分辨率极限 第4页/共60页 钢淬火后回火过程中的细小碳化物析出； 6CrW2Si钢淬火低温回火后组织（回火马氏体碳化物）10005000一、 光学显微镜的分辨率极限 第5页/共60页 Al-4Cu合金的时效析出情况： 过饱和固溶体 GP（I）区（Cu富集区，约0.20.6nm） GP（II）区形成相（C

3、u进一步偏聚并有序化，厚度约几十KV时，电子运动速度很高，须对电子质量 m 进行相对论校正，则第19页/共60页二、电子波的波长（4） 由此计算出不同加速电压下电子波波长，如下表。加速电压加速电压/KV电子波波长电子波波长/nm加速电压加速电压/KV电子波波长电子波波长/nm10.0388400.0060120.0274500.0053630.0224600.0048740.0194800.0041850.07131000.00370100.01222000.00251200.008595000.00142300.0069810000.00087 当V=100200 KV时，电子波长比可见光（

4、390760nm ）小5个数量级。 第20页/共60页三、电磁透镜（1） 1. 电磁透镜：在电镜中用磁场使电子束聚焦成像的装置。 产生磁场：旋转对称的非均匀磁场，其等磁位面形状与光学凸透镜界面相似。1）磁透镜：能产生旋转对称非均匀磁场的磁极装置。2）磁透镜按激磁方式分为 1. 恒磁透镜： （恒磁体） 2. 电磁透镜： （电磁线圈激磁）3）磁透镜优点：不易受高压影响，利用通电电磁线圈激磁，安全、调节磁场方便，从而调整焦距和放大倍数。第21页/共60页三、电磁透镜（2） 2. 电磁透镜的聚焦原理: 通电短线圈即为最简单的电磁透镜，它能造成轴对称不均匀分布的磁场，磁力线围绕导线呈环状。 电磁透镜的聚

5、焦原理示意图 磁感应强度 B 可分解：1）平行于透镜主轴的分量Bz2）垂直于透镜主轴的分量Br。第22页/共60页三、电磁透镜（3）a. 电子以速度V进入磁场 A 点，电子受到 Br 分量作用。由右手法则，电子所受切向力Ft 。b. 切向力Ft使电子获得切向速度Vt，Vt 随即和Bz 分量叉乘，形成另一向透镜主轴靠近的径向力Fr，c. 径向力Fr使电子向主轴偏转（聚焦）。 图7-1电磁透镜的聚焦原理示意图 激磁电流相反时，B反向。第23页/共60页三、电磁透镜（4）d. 电子到达B点，Br方向改变了180o，Ft随之反向，但Ft反向只能使Vt变小，而不能改变Vt方向。 因此，穿过线圈的电子仍然

6、趋向于向主轴靠近。图7-1电磁透镜的聚焦原理示意图 激磁电流相反时，B反向。第24页/共60页三、电磁透镜（5） 电子穿过线圈，在磁场作用下做圆锥螺旋近轴运动。 因此，一束平行主轴的电子束通过电磁透镜将被聚焦在轴线上一点，即焦点。 图7-1电磁透镜的聚焦原理示意图 焦点电子运动轨迹为圆锥螺旋近轴运动聚焦。第25页/共60页三、电磁透镜（6）e. 电磁透镜对电子的聚焦作用：与光学玻璃透镜对平行入射光的聚焦作用十分相似，当然有本质的不同。 电磁透镜对电子的聚焦玻璃透镜对光的聚焦第26页/共60页 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

7、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。 第27页/共60页三、电磁透镜（7）3. 带软铁壳和极靴的电磁透镜 将电磁线圈装在软磁壳中，其内侧开一道环状狭缝，可使导线外大量磁场集中在缝隙附近狭小区域，以增强磁场强度。 图7-2带有软磁壳的电磁透镜示意图 软磁壳电磁线圈内侧的环状的狭缝第28页/共60页三、电磁透镜（8）4. 带有极靴的电磁透镜: 为进一步缩小磁场轴向宽度，在环状间隙两边，接一对顶端成圆锥状的极靴。 带极靴的电磁透镜：使有效磁场集中到沿透镜轴向几mm的范围。图7-3 有极靴电磁透镜 极靴组件： 上、下极靴：同轴圆孔、高导磁率材料，如纯铁、铍莫合金等。 连接筒：

8、非磁性材料，如Cu等。第29页/共60页+软磁铁壳 +环状狭缝 +极靴短线圈电磁透镜的主要组成：电磁透镜的主要组成：第30页/共60页三、电磁透镜（9）5. 三种电磁透镜轴向的磁感应强度的分布比较：三种电磁透镜轴向磁感应强度分布有极靴Bz没有极靴无铁壳z第31页/共60页三、电磁透镜（10）6. 成像条件：与光学玻璃透镜相似，电磁透镜物距L1 、像距L2和焦距 f 三者间应满足：21111LLf1. 光学玻璃透镜，f 固定，要满足成像，L1 、 L2 须同时改变。2. 电磁透镜，由线圈电流大小可任意调节焦距 f （变焦）。 成像时： 可保持物距L1不变，改变f 与L2 ； 可保持像距L2不变，

9、改变f 与L1 。第32页/共60页三、电磁透镜（11）7. 电磁透镜成像特点： 放大倍数：M=L2/L1fLfM1122fLffLM2)(INUKfr经相对论校正的电子加速电压。励磁线圈的安匝数)109788. 01 (6UUUr说明：当像距 L2 一定时，放大倍数 M 与焦距 f 成反比。 当L1 2 f 时， M1 为缩小像； 当f L1 1 为放大像；或 电磁透镜的焦距（近似）：第33页/共60页三、电磁透镜（12） 上式说明：2)(INUKfr 电磁透镜的焦距 f 与线圈的安匝数（IN）成正比； “平方”：说明无论激磁方向如何，其焦距 f 总是正的，表明：电磁透镜总是会聚透镜。 一般

10、线圈匝数N不变，只改变激磁电流 I ，焦距 f 、放大倍数 M 也随之相应变化。 因此，电磁透镜是一种变焦距或变倍数的会聚透镜。 电磁透镜成像时、物与像的相对位向将产生旋转一角度， 称为磁转角。 第34页/共60页第二节第二节 电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领 第35页/共60页一、电磁透镜的像差（一、电磁透镜的像差（1） 电子波波长比光短 5 个数量级，理论分辨率可达0.002nm，但实际只提高3个数量级，最高分辨率达0.10.2nm。 为什么？主要是因电磁透镜存在像差。 像差分成两类，即几何像差和色差。 几何像差：因透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的。 几何像差：主要指球差和

11、像散。 色差：是因电子波的波长或能量发生一定幅度的改变所致。第36页/共60页一、电磁透镜的像差（一、电磁透镜的像差（2）1. 球差（球面像差）因电磁透镜中心区和边缘区对电子折射能力不同而造成的。 远轴电子折射程度大；近轴电子折射程度小。 当物点 P 通过透镜成像时，就不会聚到同一焦点，而形成了一个散焦斑（如图）。 球差 第37页/共60页一、电磁透镜的像差（一、电磁透镜的像差（3） 最小散焦圆斑：在像平面和像平面间水平移动，得最小散焦圆斑，其半径，用 Rs 表示。 把 Rs 除以放大倍数 M，把它折算到物平面上，其大小为rrs s。即物平面上两点距离小于2rrs s 时，则透镜不能分辨。 M

12、Rrssrrs s 因球差造成的 散焦斑半径；M为放大倍数； 球差 第38页/共60页一、电磁透镜的像差（一、电磁透镜的像差（4） 一般地rrs s 可通过下式计算：341ssCr Cs 球差系数；为孔径半角（rad）。 通常，物镜 Cs 值相当于其焦距，约为Cs 13mm。 可见：要减小球差、提高分辨率，可通过减小Cs值和缩小孔径角来实现，且球差和孔径半角成三次方关系。 因此，用小孔径角成像时，可使球差明显减小。 第39页/共60页一、电磁透镜的像差（一、电磁透镜的像差（5）2. 像散：由透镜磁场的非旋转对称引起的。其原因有： 极靴内孔不圆； 上、下极靴的轴线错位； 制作极靴的材料材质不均匀

13、； 极靴孔周围局部污染等 都会导致电磁透镜的磁场产生椭圆度。透镜磁场的非旋转对称性：会在不同方向上的聚焦能力出现差别，结果使成像物点 P 通过透镜后不能在像平面上聚焦成一点，而得到一个的散焦斑（如图）。 第40页/共60页一、电磁透镜的像差（一、电磁透镜的像差（6） 在正焦时，像平面上得一个最小散焦斑，把散焦斑半径 RA折算到物点 P 上去，就成一个半径为rrA A 的圆斑， 即 MRrAA图8-5 像 散 rA 像散的大小； M放大倍数；第41页/共60页一、电磁透镜的像差（一、电磁透镜的像差（7） rrA A可通过下式计算：AAfr 式中：ffA A 电磁透镜磁场出现非旋转对称（椭圆）时造

14、成的焦距差。 消像散器： 像散：为本身固有的。可引入一个强度和方位都可调的矫正磁场来进行补偿，此产生矫正磁场的装置即消像散器。 第42页/共60页一、电磁透镜的像差（一、电磁透镜的像差（8）3. 色差：入射电子波长（或能量）的非单一性所造成的。 若入射电子能量出现一定的差别。 能量高的电子：在距透镜光心较远处聚焦； 能量低的电子：在距光心较近处聚焦，则造成了一焦距差。图8-6 色差 若像平面在长焦点和短焦点间移动时，可得最小的散焦斑，其半径为 Rc。第43页/共60页一、电磁透镜的像差（一、电磁透镜的像差（9） 把 Rc 除以放大倍数 M ，即散焦斑半径折算到物点P位置上去，此半径大小等于rr

15、c c ， 即rc Rc / M ，其值可由下式计算 EECrccCc色差系数，约为焦距f； 电子束能量变化率。 EE 电子束能量变化率：取决于加速电压稳定性和电子穿过样品时发生非弹性散射的程度。 可采取稳定加速电压方法，以减小色差。 第44页/共60页二、电磁透镜的电磁透镜的分辨本领 （1） 电磁透镜分辨率：由衍射效应和球面像差来决定。1. 衍射效应对分辨本领的影响： 由衍射效应所限定的分辨率可由瑞利公式计算，即 sin61. 00nr rr0 0分辨本领，即成像物体（试样）上能分辨出的两个物点间的最小距离。 显然，rr0 0 越小，透镜的分辨本领越高； 第45页/共60页二、电磁透镜的电磁

16、透镜的分辨本领 （2） rr0 0 的物理意义（参考教材p126）：由衍射效应限定的透镜的分辨本领。 若只考虑衍射效应，孔径角越大，透镜分辨本领越高。 sin61. 00nr瑞利公式0RR0为埃利斑的半径第46页/共60页二、电磁透镜的电磁透镜的分辨本领 （3） 光学透镜：可采用尽可能大的孔径角，以提高分辨率。 通常取70o75o。在最佳情况下，分辨率可达照明波长的一半，即半波长。 电磁透镜：a. 可减少波长，来提高分辨率，即用提高加速电压办法。b. 若增大孔径角 ，虽可提高分辨率rr0 0 ，但使球差增大。故为减少球差，电磁透镜用很小的孔径半角，约为1o2o。因此，电磁透镜不能用加大孔径角来

17、提高其分辨率。sin61. 00nr341ssCr 第47页/共60页二、电磁透镜的电磁透镜的分辨本领 （4）2. 像差对分辨率的影响 像差（球差rrs s 、像散rrA A和色差rrC C ）的影响如下，就成了由像差所限定的分辨本领。341ssCr AAfrEECrcc 光镜：可用会聚与发散透镜组合或设计成特殊形状的折射面来矫正，使之达到可忽略程度。 电磁透镜：像差客观存在，尤其是球差。且总是会聚透镜，至今无有效矫正球差的方法，故球差便成为限制电磁透镜分辨本领的主要因素。第48页/共60页二、电磁透镜的电磁透镜的分辨本领 （5）3. 综合考虑衍射效应和球差（像差）对分辨本领： 则会发现改善其

18、中一个因素时会使另一个因素变坏。341ssCr sin61. 00nr衍射因素： rr0 0球差因素： rr0 0 即兼顾两者，确定电磁透镜的最佳孔径半角0 0 。 即当衍射效应 Aily斑和球差散焦斑尺寸大小相等时；表明：两者对透镜分辨本领影响效果一样。srr0第49页/共60页二、电磁透镜的电磁透镜的分辨本领 （5） 则 令srr0341sin61. 0osoCN410)(5 .12sC414349. 0soCr4143soCAr)(sin0radoN 1 最佳分辨率： 最佳孔径角： A 为常数， A 0.40.55第50页/共60页二、电磁透镜的电磁透镜的分辨本领 （6）1. 电磁透镜最

19、佳孔径角010-2 10-3（rad），取最大值10-2（rad），则其分辨率与光镜近似相比如下：光）光(032050010101061. 061. 0rr2. 电子波长为光波的10-5，但分辨率并无提高105倍，这主要受球差的影响，因此，电镜的分辨率仅比光镜提高1000倍，达到0.10.2nm的水平。 sin61. 00nr)(sin0radon 1第51页/共60页第三节第三节 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长 第52页/共60页一、景 深（1） 电磁透镜另一特点：景深大，焦长长，（小孔径角成像）。 任何样品（金属薄膜）都有一定厚度。1. 一般地，当透镜焦距 f 、像距 L2 一定

20、时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，即在像平面获得清晰图像。2. 偏离理想物平面物点：都存在一定程度失焦，在像平面上将产生一个具有一定尺寸的失焦斑。 若失焦斑尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么，图像仍清晰的。 第53页/共60页一、景 深（1） 透镜的景深（Df ）：保持像清晰前提下，允许物平面（样品）沿透镜主轴移动最大距离。 如：样品上、下移动到物点A、B时，其像点为A、B；在像平面上形成半径为R0的散焦斑，折射到样品上为r0 。 r0 即为电磁透镜分辨率。 透镜的景深 Df ：图7-9 电磁透镜景深 ABAB最小散焦斑0022rtgrDf第54页/共60页一、景 深（2）景深公式表明：孔径角 D f 。0022rtg