3.3透射电镜的工作原理和特点

图为日立公司H800透射电子显微镜(镜筒)高压系统真空系统控制系统观察和记录系统3.3透射电镜1.透射电镜的工作原理和特点透射电镜：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、真空系统、操作控制系统镜筒一般由电子枪、聚光镜、物镜、中间镜和投影镜等电子透镜、样品室和荧光屏组成透射电镜的电子光学系统。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。热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，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。具有一定能量的电子束与样品发生作用，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。透过样品的电子束强度，其取决于这些信息，经过物镜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板或胶卷上。透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似的，如图4-3所示。光学显微镜与透射电镜的比较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方法移动透镜改变线圈电流或电压分辨本领200nm0.2~0.3nm有效放大倍数103×106×物镜孔径角约700＜10景深较小较大焦长较短教长像的记录照相底板照相底板透射电镜的显著特点是分辨本领高。目前世界上最先进的透射电镜的分辨本领已达到0.1nm,可用来直接观察原子像。电磁透镜电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。衍射效应对分辨本领的影响：Rayleigh公式：Δr0=0.61λ/NsinαΔr0：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。λ：波长;N：介质的相对折射系数α: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，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：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镜的分辨本领。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。但电磁透镜在成像时会产生像差。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缺陷而造成的像差。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的像差。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。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像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响;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矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。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。球差的大小，可以用球差散射圆斑半径Rs和纵向球差ΔZs两个参量来衡量。前者是指在傍轴电子束形成的像平面(也称高斯像平面)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子束形成的像点间的纵向偏离距离。ΔZs如果计算分辨本领的平面为最小截面圆所在平面，则Δr’s=1/4Csα3从以上两式可以得知Δr’s或Δrs与球差系数Cs成正比，与孔径半角的立方成正比。也就是说球差系数越大，由球差决定的分辨本领越差，随着α的增大，分辨本领也急剧地下降。像散：像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起。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可以调节的矫正磁场来进行补偿，这个能产生矫正磁场的装置称为消像散器。色差：是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。色差电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的特点是景深大（场深），焦长很长。景深：透镜物平面允许的轴向偏差定义为透镜的景深。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。焦长：透镜像平面允许的轴向偏差定义为焦长。当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动，也会引起失焦。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内移动，对透镜像分辨率并不产生影响。2透射电镜的结构及原理透射电镜主要有电子光学系统(镜筒)、电源系统、真空系统和操作控制系统等四部分。电源系统、真空系统和操作系统都是辅助系统。电源系统包括电子枪高压电源、透镜电源和控制线路电源等。真空系统用来维持镜筒(凡是电子运行的空间)的真空度在10-4Torr以上，以确保电子枪电极间绝缘，防止成像电子在镜筒内受气体分子碰撞而改变运动轨迹，减小样品污染等。基于对机械稳定性的考虑，透射电镜的镜筒一般是直立积木式结构（自上而下）：电子枪，聚光镜，样品室、物镜、中间镜和投影镜，荧光屏和照相装置。通常将镜筒分为照明、成像及图像观察和记录三个系统。照明系统：电子枪、聚光镜成像系统：样品室、物镜、中间镜和投影镜图像观察和记录系统：荧光屏和照相装置1.照明系统照明系统的作用：①提供光源，控制其稳定度、照明强度和照明孔径角；②选择照明方式(明场或暗场成像)。(1)电子枪电子枪是透射电镜的电子源。因为电子枪决定了像的亮度、图像稳定度和穿透样品能力，所以相应地要求其亮度、发射稳定度和加速电压都要高。最常用的加速电压为50~100kV，近来超高电压电镜的加速电压已达数千kV。电子枪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、阳极和位于阴、阳极之间且电位比阴极负数百伏的栅极组成。这是一种静电透镜，它能使阴极发射的电子会聚，得到一个小于100μm的电子束斑。(2)聚光镜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，并通过它来控制照明强度、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。这种系统由第一聚光镜(强激磁透镜)和第二聚光镜(弱激磁透镜)组成。第一聚光镜的缩小倍数为10~50倍，它将有效光源强烈地缩小成1~5m的光斑像。第二聚光镜缩小倍数约为1/2倍。这样，通过第二聚光镜在试样平面上形成直径约为2-10m的光斑，显著地提高了照明效果。2.成像系统物镜、中间镜和投影镜现也都采用磁透镜。它们和样品室构成成像系统，作用是安置样品、放大成像。(1)物镜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将被其他透镜进一步放大，所以透射电镜的分辨本领就取决于物镜的分辨本领。因此，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。磁透镜最大放大倍数为200倍，最大分辨本领为0.1nm。物镜的球面像差一般通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械消像散器、磁消像散器或静电消像散器来减小。(2)中间镜和投影镜中间镜和投影镜的构造和物镜是一样的，但它们的焦距比较长。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，从而得到高放大倍数的电子像。这样的过程称为三级放大成像。物镜和投影镜属于强透镜，其放大倍数均为100倍左右，而中间镜属于弱透镜，其放大倍数为0~20倍。三级成像的总放大倍数为：MT=MOMIMP其中MO、MI、MP分别是物镜、中间镜和投影的放大倍数。磁透镜可以通过改变电流来调节放大倍数。一般通过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MI来改变总放大倍数MT。应当指出，放大倍数越大，成像亮度越低。成像亮度与MT2成反比。因此，要根据具体要求选用成像系统的放大倍数。样品室位于照明系统和物镜之间，其作用是安装各种形式的样品台，提供样品在观察过程中的各种运动，如平移(选择观察区域)、倾斜(选择合适的样品位向)和旋转等。透射电镜样品非常薄，约为100～200nm，必须用铜网支撑着。常用的铜网直径为3mm左右，孔径约有数十μm，如图所示。3.图像观察和记录系统透射电镜中电子所带的信息转换成人眼能感觉的可见光图像，是通过荧光屏或照相底板来实现的。人们透过铅玻璃窗可看到荧光屏上的像。