透射电镜的工作原理和特点学习教案

1、会计学1透射电镜的工作原理透射电镜的工作原理(yunl)和特点和特点第一页，共47页。第2页/共46页第二页，共47页。第3页/共46页第三页，共47页。第4页/共46页第四页，共47页。3.3 3.3 透射电镜透射电镜1.1.透射电镜的工作原理透射电镜的工作原理(yunl)(yunl)和特点和特点 透射电镜：是以波长极短的电子束作为照透射电镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜聚焦成像的一种具有高明源，用电子透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。四部分：电子光学系统、电源系统、四部分：电子光学系统、电源系统、 真空系统、操作控

2、制系统真空系统、操作控制系统第5页/共46页第五页，共47页。 镜镜 筒筒 一般由电子枪、聚光镜一般由电子枪、聚光镜、物镜、中间镜和投影镜、物镜、中间镜和投影镜等电子透镜、样品室和荧等电子透镜、样品室和荧光屏组成透射电镜的电子光屏组成透射电镜的电子光学光学(din z un (din z un xu)xu)系统。系统。第6页/共46页第六页，共47页。 透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获得电透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。子束作为照明源。 热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用(zuyng)(zuyng)下，高速穿过阳极孔，然后被聚光

3、镜下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。 具有一定能量的电子束与样品发生作用具有一定能量的电子束与样品发生作用(zuyng)(zuyng)，产生反映样品微区厚度、平均原子，产生反映样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息。序数、晶体结构或位向差别的多种信息。第7页/共46页第七页，共47页。 透过样品的电子束强度，其取决于这些信息透过样品的电子束强度，其取决于这些信息，经过物镜，经过物镜(wjng)(wjng)聚焦放大在其平面上形成聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些信息的透射电子像，经过中间镜一幅反映这些信息的透

4、射电子像，经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放和投影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感光大的最终电子图像，还可将其记录在电子感光板或胶卷上。板或胶卷上。 透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似的透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似的，如图，如图4-34-3所示。所示。第8页/共46页第八页，共47页。第9页/共46页第九页，共47页。比较部分光学显微镜透射电镜光源可见光(日光、电灯光)电子源(电子枪)照明控制玻璃聚光镜电子聚光镜样本1mm厚的载玻片约10nm厚的薄膜放大成象系统玻璃透镜电子透镜介质空气和玻璃高度真空像的观察直接用眼利用荧光屏聚焦

5、方法移动透镜改变线圈电流或电压分辨本领200nm0.20.3nm有效放大倍数103106物镜孔径角约70010景深较小较大焦长较短教长像的记录照相底板照相底板第10页/共46页第十页，共47页。 透射电镜的显著特点是透射电镜的显著特点是分辨本领高。目前世界上分辨本领高。目前世界上最先进的透射电镜的分辨最先进的透射电镜的分辨本领已达到本领已达到0.1nm,0.1nm,可用来可用来直接观察直接观察(gunch)(gunch)原子原子像。像。第11页/共46页第十一页，共47页。第12页/共46页第十二页，共47页。第13页/共46页第十三页，共47页。电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面电磁透镜的分

6、辨本领由衍射效应和球面(qimin)像差来像差来决定。决定。 衍射效应对分辨本领的影响：衍射效应对分辨本领的影响： Rayleigh公式：公式： r0=0.61/Nsinr0：成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距离，：成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距离，表示透镜分辨本领的大小。表示透镜分辨本领的大小。：波长：波长; N：介质的相对折射系数：介质的相对折射系数:透镜的孔径半角透镜的孔径半角 只考虑衍射效应时，在照明光源和介质一定的条件下只考虑衍射效应时，在照明光源和介质一定的条件下，孔径半角越大，透镜的分辨本领越高。，孔径半角越大，透镜的分辨本领越高。像差对分辨本领的影响：像差对分辨

7、本领的影响： 由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在像平由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在像平面上均会扩展成散焦斑，个散焦斑的半径也就影响了透面上均会扩展成散焦斑，个散焦斑的半径也就影响了透镜的分辨本领。镜的分辨本领。第14页/共46页第十四页，共47页。 控制电子束的运动在电子光学领域中主控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用电磁透镜装置。但电磁透镜在成像要使用电磁透镜装置。但电磁透镜在成像时会产生像差。时会产生像差。 像差分为几何像差和色差两类。像差分为几何像差和色差两类。 几何像差：由于透镜磁场几何形状上的几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成缺陷而造成(zo chn

8、)(zo chn)的像差。的像差。 色差：由于电子波的波长或能量发生一色差：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成定幅度的改变而造成(zo chn)(zo chn)的像差。的像差。第15页/共46页第十五页，共47页。 透镜的实际分辨本领除了与衍射效透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关。应有关以外，还与透镜的像差有关。 光学透镜，已经可以采用凸透镜和光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正凹透镜的组合等办法来矫正(jiozhng)(jiozhng)像差，使之对分辨本领像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响的影响远远小于衍射效应的影响; ;

9、 但电子透镜只有会聚透镜，没有发但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还没有找到一种能散透镜，所以至今还没有找到一种能矫正矫正(jiozhng)(jiozhng)球差的办法。这样球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。不容忽略了。第16页/共46页第十六页，共47页。 像差分球差、像散、色差等，其中，球像差分球差、像散、色差等，其中，球差是限制电子透镜分辨本领最主要的因素差是限制电子透镜分辨本领最主要的因素。球差的大小，可以。球差的大小，可以(ky)(ky)用球差散射圆用球差散射圆斑半径斑半径RsRs和纵向球差和纵向球差ZsZs两个参

10、量来衡量两个参量来衡量。前者是指在傍轴电子束形成的像平面。前者是指在傍轴电子束形成的像平面( (也称高斯像平面也称高斯像平面) )上的散射圆斑的半径。上的散射圆斑的半径。后者是指傍轴电子束形成的像点和远轴电后者是指傍轴电子束形成的像点和远轴电子束形成的像点间的纵向偏离距离。子束形成的像点间的纵向偏离距离。 第17页/共46页第十七页，共47页。 Zs第18页/共46页第十八页，共47页。第19页/共46页第十九页，共47页。 如果计算分辨本领的平面为最小截面圆如果计算分辨本领的平面为最小截面圆所在平面，则所在平面，则 rs=1/4 Cs3 rs=1/4 Cs3 从以上两式可以得知从以上两式可以

11、得知rsrs或或rsrs与球与球差系数差系数(xsh)Cs(xsh)Cs成正比，与孔径半角的立方成正比，与孔径半角的立方成正比。也就是说球差系数成正比。也就是说球差系数(xsh)(xsh)越大，由越大，由球差决定的分辨本领越差，随着球差决定的分辨本领越差，随着的增大，的增大，分辨本领也急剧地下降。分辨本领也急剧地下降。第20页/共46页第二十页，共47页。像散：像散是由透镜磁场的非旋转对称而引像散：像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起。起。 如果电磁透镜在制造过程中已经存在固有如果电磁透镜在制造过程中已经存在固有的像散，则可以通过引入一个强度和方位都的像散，则可以通过引入一个强度和方位都可以调节

12、的矫正磁场来进行补偿，这个可以调节的矫正磁场来进行补偿，这个(zh (zh ge)ge)能产生矫正磁场的装置称为消像散器。能产生矫正磁场的装置称为消像散器。第21页/共46页第二十一页，共47页。色差色差(s ch)(s ch)：是由于入射电子波长（或能量）的：是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。非单一性造成。第22页/共46页第二十二页，共47页。电磁透镜的特点电磁透镜的特点(tdin)(tdin)是景深大（场深），焦长很长是景深大（场深），焦长很长。第23页/共46页第二十三页，共47页。 景深：透镜物平面允许的轴向偏差景深：透镜物平面允许的轴向偏差(pinch)(pinch)定义

13、为透镜的景深。定义为透镜的景深。 从原理上讲，当透镜焦距、像距一定时从原理上讲，当透镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，能在透镜像平面上获得该层平面的理想合，能在透镜像平面上获得该层平面的理想图象，而偏离理想物平面的物点都存在一定图象，而偏离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦，他们在透镜像平面上将产生具程度的失焦，他们在透镜像平面上将产生具有一定尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸有一定尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么对透镜像分辨本领并不产生影响。么对透镜像

14、分辨本领并不产生影响。第24页/共46页第二十四页，共47页。焦长：透镜像平面允许的轴向偏差定义为焦焦长：透镜像平面允许的轴向偏差定义为焦长。长。 当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动的轴向距离内移动(ydng)(ydng)，也会引起失焦，也会引起失焦。如果失焦尺寸不超过由衍射效应和像差引。如果失焦尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的轴向距离起的散焦斑，那么像平面在一定的轴向距离内移动内移动(ydng)(ydng)，对透镜像分辨率并不产生，对透镜像分辨率并不产生影响。影响。第25页/共46页第二十五页，共47页。2 2

15、透射电镜的结构及原理透射电镜的结构及原理 透射电镜主要有电子光学系统透射电镜主要有电子光学系统(xtng)(xtng)(镜筒镜筒) )、电源系统、电源系统(xtng)(xtng)、真空系统、真空系统(xtng)(xtng)和操作控制系统和操作控制系统(xtng)(xtng)等四部分。等四部分。 电源系统电源系统(xtng)(xtng)、真空系统、真空系统(xtng)(xtng)和操作系统和操作系统(xtng)(xtng)都是辅都是辅助系统助系统(xtng)(xtng)。第26页/共46页第二十六页，共47页。 电源系统包括电子电源系统包括电子(dinz)(dinz)枪高压电源枪高压电源、透镜电

16、源和控制线路电源等。、透镜电源和控制线路电源等。 真空系统用来维持镜筒真空系统用来维持镜筒( (凡是电子凡是电子(dinz)(dinz)运行的空间运行的空间) )的真空度在的真空度在10-4 10-4 TorrTorr以上，以确保电子以上，以确保电子(dinz)(dinz)枪电极间枪电极间绝缘，防止成像电子绝缘，防止成像电子(dinz)(dinz)在镜筒内受在镜筒内受气体分子碰撞而改变运动轨迹，减小样品气体分子碰撞而改变运动轨迹，减小样品污染等。污染等。第27页/共46页第二十七页，共47页。 基于对机械稳定性的考虑，透射电镜基于对机械稳定性的考虑，透射电镜的镜筒一般是直立的镜筒一般是直立(z

17、h l)(zh l)积木式结构积木式结构（自上而下）：电子枪，聚光镜，样品（自上而下）：电子枪，聚光镜，样品室、物镜、中间镜和投影镜，荧光屏和室、物镜、中间镜和投影镜，荧光屏和照相装置。照相装置。第28页/共46页第二十八页，共47页。 通常将镜筒分为照明、成像及图像通常将镜筒分为照明、成像及图像观察和记录三个系统观察和记录三个系统(xtng)(xtng)。照明系统照明系统(xtng)(xtng)：电子枪、聚光镜：电子枪、聚光镜成像系统成像系统(xtng)(xtng)：样品室、物镜、：样品室、物镜、中间镜和投影镜中间镜和投影镜图像观察和记录系统图像观察和记录系统(xtng)(xtng)：荧光：

18、荧光屏和照相装置屏和照相装置第29页/共46页第二十九页，共47页。1. 1. 照明系统照明系统 照明系统的作用照明系统的作用(zuyng)(zuyng)： 提供光源，控制其稳定度、照明提供光源，控制其稳定度、照明强度和照明孔径角；强度和照明孔径角； 选择照明方式选择照明方式( (明场或暗场成像明场或暗场成像) )。第30页/共46页第三十页，共47页。(1) 电子枪电子枪 电子枪是透射电镜的电子源。因为电电子枪是透射电镜的电子源。因为电子枪决定了像的亮度、图像稳定度和穿子枪决定了像的亮度、图像稳定度和穿透样品透样品(yngpn)能力，所以相应地要求能力，所以相应地要求其亮度、发射稳定度和加速

19、电压都要高其亮度、发射稳定度和加速电压都要高。最常用的加速电压为。最常用的加速电压为50100kV，近来，近来超高电压电镜的加速电压已达数千超高电压电镜的加速电压已达数千kV。第31页/共46页第三十一页，共47页。电子枪电子枪第32页/共46页第三十二页，共47页。 目前常用的电子枪是热阴极三极电子目前常用的电子枪是热阴极三极电子枪，如图所示。它由发夹形钨丝阴极、阳枪，如图所示。它由发夹形钨丝阴极、阳极极(yngj)(yngj)和位于阴、阳极和位于阴、阳极(yngj)(yngj)之间之间且电位比阴极负数百伏的栅极组成。且电位比阴极负数百伏的栅极组成。 这是一种静电透镜，它能使阴极发射的这是一

20、种静电透镜，它能使阴极发射的电子会聚，得到一个小于电子会聚，得到一个小于100m100m的电子束的电子束斑。斑。第33页/共46页第三十三页，共47页。(2) (2) 聚光镜聚光镜 聚光镜大多是磁透镜，其作用是将来自电子聚光镜大多是磁透镜，其作用是将来自电子枪的电子束会聚到被观察的样品上，并通过它枪的电子束会聚到被观察的样品上，并通过它来控制来控制(kngzh)(kngzh)照明强度、照明孔径角和束照明强度、照明孔径角和束斑大小。高性能透射电镜都采用双聚光镜系统斑大小。高性能透射电镜都采用双聚光镜系统。这种系统由第一聚光镜。这种系统由第一聚光镜( (强激磁透镜强激磁透镜) )和第二和第二聚光镜

21、聚光镜( (弱激磁透镜弱激磁透镜) )组成。组成。第34页/共46页第三十四页，共47页。第35页/共46页第三十五页，共47页。 第一聚光镜的缩小倍数为第一聚光镜的缩小倍数为1050倍，它倍，它将有效将有效(yuxio)光源强烈地缩小成光源强烈地缩小成15 m的光斑像。的光斑像。 第二聚光镜缩小倍数约为第二聚光镜缩小倍数约为1/2倍。这样，倍。这样，通过第二聚光镜在试样平面上形成直径约通过第二聚光镜在试样平面上形成直径约为为2-10 m的光斑，显著地提高了照明效的光斑，显著地提高了照明效果。果。第36页/共46页第三十六页，共47页。2. 2. 成像系统成像系统 物镜、中间物镜、中间(zhn

22、gjin)(zhngjin)镜和投镜和投影镜现也都采用磁透镜。它们和影镜现也都采用磁透镜。它们和样品室构成成像系统，作用是安样品室构成成像系统，作用是安置样品、放大成像。置样品、放大成像。第37页/共46页第三十七页，共47页。(1) (1) 物镜物镜 物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有一物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有一定分辨本领的放大电子像。这幅像的任何缺陷都定分辨本领的放大电子像。这幅像的任何缺陷都将被其他透镜将被其他透镜(tujng)(tujng)进一步放大，所以透射进一步放大，所以透射电镜的分辨本领就取决于物镜的分辨本领。因此电镜的分辨本领就取决于物镜的分辨本领。因此，要求

23、物镜有尽可能高的分辨本领、足够高的放，要求物镜有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽量小的像差。磁透镜大倍数和尽量小的像差。磁透镜(tujng)(tujng)最大最大放大倍数为放大倍数为200200倍，最大分辨本领为倍，最大分辨本领为0.1nm0.1nm。第38页/共46页第三十八页，共47页。 物镜的球面像差一般物镜的球面像差一般(ybn)(ybn)通通过在物镜背焦面径向插入物镜光过在物镜背焦面径向插入物镜光阑，物镜的像散通常通过采用机阑，物镜的像散通常通过采用机械消像散器、磁消像散器或静电械消像散器、磁消像散器或静电消像散器来减小。消像散器来减小。第39页/共46页第三十九页，共47页

24、。第40页/共46页第四十页，共47页。(2)(2)中间镜和投影镜中间镜和投影镜 中间镜和投影镜的构造和物镜是一中间镜和投影镜的构造和物镜是一样的，但它们的焦距比较样的，但它们的焦距比较(bjio)(bjio)长长。其作用是将物镜形成的一次像再进。其作用是将物镜形成的一次像再进行放大，最后显示到荧光屏上，从而行放大，最后显示到荧光屏上，从而得到高放大倍数的电子像。这样的过得到高放大倍数的电子像。这样的过程称为三级放大成像。程称为三级放大成像。第41页/共46页第四十一页，共47页。 物镜和投影镜属于强透镜，其放物镜和投影镜属于强透镜，其放大大(fngd)倍数均为倍数均为100倍左右，而倍左右，

25、而中间镜属于弱透镜，其放大中间镜属于弱透镜，其放大(fngd)倍数为倍数为020倍。三级成像倍。三级成像的总放大的总放大(fngd)倍数为：倍数为： MT = MO MI MP 其中其中MO、MI、MP分别是物镜、分别是物镜、中间镜和投影的放大中间镜和投影的放大(fngd)倍数倍数。第42页/共46页第四十二页，共47页。 磁透镜可以通过磁透镜可以通过(tnggu)改变电流改变电流来调节放大倍数。一般通过来调节放大倍数。一般通过(tnggu)将物镜和投影镜的放大倍数将物镜和投影镜的放大倍数MO、MP固定，而改变中间镜放大倍数固定，而改变中间镜放大倍数MI来改来改变总放大倍数变总放大倍数MT。应当指出，放大倍。应当指出，放大倍数越大，成像亮度