材料分析技术7

1、第第 八八 章章 电子光学基础电子光学基础 第第 九九 章章 透射电子显微镜透射电子显微镜 第第 十十 章章 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 第十一章第十一章 电子探针显微分析电子探针显微分析第一节第一节 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜第二节第二节 电磁透镜的像差与分辨率电磁透镜的像差与分辨率第三节第三节 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长 两个埃利斑两个埃利斑明显可分辨出明显可分辨出两个两个埃利埃利斑斑刚好可分辨出刚好可分辨出两个两个埃利埃利斑斑分辨不出分辨不出一、光学显微镜的分辨率极限一、光学显微镜的分辨率极限分辨率分辨率是指成像物体是指成像物体(试样试样)上能分辨出来的两个物点间的

2、最小距离。上能分辨出来的两个物点间的最小距离。 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性ANNr61. 0sin61. 00式中：式中：是照明束波长；是照明束波长；是是透镜孔径半角透镜孔径半角，即，即透镜孔径角的一半；透镜孔径角的一半； N 是介质相对折射率；是介质相对折射率；Nsin或或NA称为称为数值孔径数值孔径。在物方在物方介质为空气介质为空气的情况下，任何光学透镜系统的的情况下，任何光学透镜系统的NA值小于值小于1，所以：，所以：012r光学显微镜的分辨率取决于照光学显微镜的分辨率取决于照明光源的波长明光源的波长在可见光波长在可见光波长(400760nm)范围，范围，光学显微镜分辨率的极限

3、是光学显微镜分辨率的极限是200nm。ANNr61. 0sin61. 00式中：式中：是照明束波长，是照明束波长，是透镜孔径半角，是透镜孔径半角，N 是介质相对折射率，是介质相对折射率， Nsin或或NA称为称为数值孔径数值孔径。n对于光学显微镜，对于光学显微镜，NA的值均小于的值均小于1，油浸透镜也只有，油浸透镜也只有1.51.6，而，而可见光的波长有限，因此，光学显微镜的分辨本领不能再次提高。可见光的波长有限，因此，光学显微镜的分辨本领不能再次提高。n提高透镜的分辨本领提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有寻找比寻找比可见光波长更短的光线

4、可见光波长更短的光线才能解决这个问题。才能解决这个问题。要提高显微镜分辨率，关键是要有要提高显微镜分辨率，关键是要有波长短，又能聚焦成像的照明光源。波长短，又能聚焦成像的照明光源。二、电子波的波长特性二、电子波的波长特性电子的速度与其加速电压有关：电子的速度与其加速电压有关：eUmv 221mvh h Planck 常数，常数，等于等于6.62610-34 J s; m 电子质量电子质量; v 电子速度。电子速度。根据德根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。所以电子波的波长为：所以电子波的波长为： v 越大越大，越小越小。

5、)(226. 1nmUemUh2eUmv 221mvh表表8-1 不同加速电压下电子波的波长不同加速电压下电子波的波长(经相对论校正经相对论校正)电子波波长与电子波波长与加速电压的关系式加速电压的关系式h= 6.62610-34 J se=1.60210-19 Cm =9.110-31 kg改变线圈中的励磁电流可很方便地控制电磁透镜的焦距和放大倍数改变线圈中的励磁电流可很方便地控制电磁透镜的焦距和放大倍数。2)(INUfrfLfM1区别于光学玻璃透镜的区别于光学玻璃透镜的一个特点：一个特点：电磁透镜是变焦距或电磁透镜是变焦距或变倍率的会聚透镜变倍率的会聚透镜三、电磁透镜三、电磁透镜透射电子显微

6、镜中透射电子显微镜中利用磁场使电子波聚焦成像利用磁场使电子波聚焦成像的装置。的装置。控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用电磁透镜电磁透镜装置。装置。像差分类像差分类几何像差几何像差色差色差球差球差像散像散一、像差一、像差：由于透镜磁场几何形状上：由于透镜磁场几何形状上 的缺陷而造成的像差。的缺陷而造成的像差。：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变 而造成的像差。而造成的像差。电磁透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨距离，电磁透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨距离，在成像时会产生在成像

7、时会产生像差像差。（1）衍射效应对分辨本领的影响）衍射效应对分辨本领的影响由衍射效应所限定的分辨率在理论上可由由衍射效应所限定的分辨率在理论上可由瑞利公式瑞利公式计算，即：计算，即：00.61sinrN(是照明束波长，是照明束波长，是透镜孔径半角，是透镜孔径半角，N 是介质相对折射率，是介质相对折射率，Nsin称为数值孔径。称为数值孔径。)若只考虑衍射效应，在照明光源若只考虑衍射效应，在照明光源和介质一定的条件下，和介质一定的条件下，孔径半角孔径半角越大，透镜的分辨本领越高越大，透镜的分辨本领越高！二、分辨率二、分辨率衍射效应衍射效应透镜的像差透镜的像差由于由于电子透镜只有会聚透镜电子透镜只有

8、会聚透镜，没有发散透镜，所以，没有发散透镜，所以球差球差 rS是限制透镜是限制透镜分辨率的最主要因素分辨率的最主要因素。光学透镜光学透镜已经可以采用已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合凸透镜和凹透镜的组合等办法等办法来矫正像差来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响。使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响。（2）像差对分辨本领的影响）像差对分辨本领的影响球差、像散和色差球差、像散和色差通过消像散器来校正通过消像散器来校正通过稳定加速电压，使用薄试通过稳定加速电压，使用薄试样和小孔径光阑可减小色差。样和小孔径光阑可减小色差。至今还没有找到一种能矫正球差的办法。所以，至今还没有找到一种能矫正球差的办法。所以，像差像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。314ssrC通过减小孔径半角通过减小孔径半角 可可使球差使球差 rS变小，但变小，但 减小却使减小却使 r0变大，分辨率下降。变大，分辨率下降。可见，关键在于确定最佳的孔径半角可见，关键在于确定最佳的孔径半角 0 ，使衍射效应和球差对分辨率的影响，使衍射效应和球差对分辨率的影响相等，即相等，即 r0 = rS ，求得：，求得：314ssrC14012.5SC提高电磁透镜分辨率的主要途径是提高电磁透镜分辨率的主要途径是减小电子束波长减小电子束波长 (提高加速电压提高加速电压)和减小球