第二章透射电镜的结构与成像原理

1、中南大学电 子 枪聚 光 镜照 明 系 统物 镜中 间 镜投 影 镜成 像 系 统荧 光 屏照 相 机C C D 相 机观 察 记 录电 子 光 学 系 统照明系统由电子枪、聚光镜以及相应的平移、倾转和对中等调节装置组成，其作用是提供一束亮度高、照明孔径半角小、平行度好、束流稳定的照明源。为了满足明场和暗场成像的需要，照明束可以在5度范围内倾转。电子枪可分为热阴极电子枪和场发射电子枪。热阴极电子枪的材料主要有钨丝(W)和六硼化镧(LaB6)，而场发射电子枪又可以分为热场发射、冷场发射和Schottky场发射， Schottky场发射也归到热场发射。场发射电子枪的材料必须是高强度材料，一般采用的

2、是单晶钨，但现在有采用六硼化镧(LaB6)的趋势。下一代场发射电子枪的材料极有可能是碳纳米管。 热电子枪由灯丝（阴极）、栅极帽、阳极组成。常用灯丝为钨丝（如H-800)、LaB6(如JEM-3010)。自偏转回路起限制和稳定束流的作用A、热阴极电子枪、热阴极电子枪自偏转回路起限制和稳定束流的作用自偏压回路电子枪内的等电位面灯丝阴极a无偏压最大电流b最佳偏压中等电流c高偏压无电流热阴极电子枪处偏压原理v自生偏压原理和饱和工作点B、场发射电子枪、场发射电子枪场发射电子枪没有栅极，由阴极和两个阳极构成。第一个阳极主要使电子发射，第二个阳极使电子加速和会聚。枪发射电子枪示意图发卡型钨灯丝LaB6灯丝C

3、omparison of four different emission guns2.1.1.2 聚光镜聚光镜聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径半角和束斑大小。一般电镜至少采用双聚光镜，对于较新的电镜，很多采用二聚光镜加一个mini聚光镜的模式；甚至有采用三聚光镜加一个mini聚光镜的情况。聚光镜示意图当采用双聚光镜时，第一聚光镜一般是短焦距强励磁透镜，作用是将电子枪得到的光斑尽量缩小，第二聚光镜是长焦距弱透镜，它将第一聚光镜得到的光源会聚到试样上，一般来说，该透镜对光源起放大作用。采用双聚光镜的优点在于：u扩大了光斑尺寸的变化范围，在不同的模式下，可以

4、通过改变第一聚光镜的电流，选择所需要的光斑尺寸；u可以减小试样的照射面积，减少试样的温升；u观察时可以通过改变第二聚光镜电流，改变试样的照射面积；u由于第二聚光镜为弱透镜，增加了聚光镜和样品之间的距离，有利于安装聚光镜光阑和束偏转线圈等附件。成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜及物镜光阑和选区光阑组成。它主要是将穿过试样的电子束在透镜后成像或成衍射花样，并经过物镜、中间镜和投影镜接力放大。物距L1固定（一般可通过调节样品高度来微调），所以在成像时，主要改变焦距f和像距L2来满足成像条件。u中间镜是弱励磁的长焦距变倍透镜，在电镜操作中，主要是通过中间镜来控制电镜的总放大倍率。当放大倍数大于1时，用

5、来进一步放在物镜像，当放大倍数小于1时，用来缩小物镜像。u如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大的电子图像，这就是成像操作；如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重台，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是透射电镜的电子衍射操作。u在物镜的像平面上有一个选区光阑，通过它可以进行选区电子衍射操作。目前，高性能透射电子显微镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影镜各有两级。v 高放大倍数高放大倍数 ( 500,000)： MT= M0 MI1 MI2 MP典型值：典型值：M0=50, MI1=3, MI2=15, MP=220每一级都成放大实像每一级都成放大实像稍小于稍小于5

6、00,000者，减小中间镜放大倍数。者，减小中间镜放大倍数。v 中放大倍数中放大倍数 ( 10,000-50,000 )： MT= M0 MI1 MI2 MP第一中间镜、第二中间镜形成一个复合透镜第一中间镜、第二中间镜形成一个复合透镜v 低放大倍数低放大倍数 ( 100-10,000 )： 关掉第二中间镜，物镜、第一中间镜弱激励。关掉第二中间镜，物镜、第一中间镜弱激励。 或者关掉物镜，第一中间镜作物镜，选区光档作物镜光栏。这或者关掉物镜，第一中间镜作物镜，选区光档作物镜光栏。这种配置衬度好，常用于观察低衬度样品，放大倍数种配置衬度好，常用于观察低衬度样品，放大倍数100-1000 观察和记录装

7、置包括荧光屏、照相机（底片记录）、TV相机和慢扫描CCD。不同电镜的荧光屏发光强度是不同的，有的电镜的荧光屏看起来不亮，但电子的强度是很强的，比如某些场发射电镜，所以选择曝光时间时要注意；照相用的底片是一种对电子束很敏感的感光材料制成，这种材料对绿光比较敏感，对红光基本不反应，因此可以在红光下换片和洗底片；TV相机是直接将光信号转变为电信号，反应速度极快，但不利于记录；慢扫描CCD是最新发展出来的一种记录方式，反应速度较TV相机慢，但记录十分方便。如果真空度不够，就会出现下列问题： 1）高压加不上去 2）成像衬度变差 3）极间放电 4）使灯丝迅速氧化，缩短寿命 电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、离子泵、阀门、真空测量仪和管道等部分组成。样品杆样品台有双倾台和单倾台之分，单倾台只能随测角台转动（X轴），双倾台除了可以随测角台转动外，还可以绕垂直于测角台轴线的Y轴转动。另外样品台按在电镜中的装入方式还可以分为侧插式和顶插式，不过顶插式用得很少。不同样品台的自由度：(a)