透射电镜的工作原理和特点课件

图为日立公司H800透射电子显微镜(镜筒)高压系统高压系统真空系统真空系统控制系统控制系统观察和记录系统观察和记录系统3.3 透射透射电镜1.透射透射电镜的工作原理和特点的工作原理和特点 透射透射电镜：是以波是以波长极短的极短的电子束作子束作为照明源，用照明源，用电子透子透镜聚焦成像的一种具聚焦成像的一种具有高分辨本有高分辨本领、高放大倍数的、高放大倍数的电子光学子光学仪器。器。四部分：四部分：电子光学系子光学系统、电源系源系统、真空系真空系统、操作控制系、操作控制系统 镜筒筒一般由一般由电子子枪、聚光、聚光镜、物、物镜、中、中间镜和投影和投影镜等等电子透子透镜、样品室和品室和荧光屏光屏组成透射成透射电镜的的电子光学系子光学系统。透射透射电镜，通常采用，通常采用热阴极阴极电子子枪来来获得得电子束作子束作为照明源。照明源。热阴极阴极发射的射的电子，在阳极加速子，在阳极加速电压的的作用下，高速穿作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光阳极孔，然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。品上。具有一定能量的具有一定能量的电子束与子束与样品品发生作用，生作用，产生反映生反映样品微区厚度品微区厚度、平均原子序数平均原子序数、晶体晶体结构构或或位向差位向差别的多种信息。的多种信息。透透过样品的品的电子束子束强度，其取决于度，其取决于这些些信息，信息，经过物物镜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一幅反映这些信息的透射些信息的透射电子像，子像，经过中中间镜和投影和投影镜进一步放大，在一步放大，在荧光屏上得光屏上得到三到三级放大的最放大的最终电子子图像，像，还可将其可将其记录在在电子感光板或胶卷上。子感光板或胶卷上。透透镜电镜和普通光学和普通光学显微微镜的光路是相的光路是相似的，如似的，如图4-3所示。所示。光学显微镜与透射电镜的比较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200nm0.20.3nm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 透射透射电镜的的显著特点是分辨本著特点是分辨本领高。目前世界上最先高。目前世界上最先进的透射的透射电镜的分辨本的分辨本领已达到已达到0.1nm,可可用来直接用来直接观察原子像。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：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。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：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。了透镜的分辨本领。控制控制电子束的运子束的运动在在电子光学子光学领域中主域中主要使用要使用电磁透磁透镜装置。但装置。但电磁透磁透镜在成在成像像时会会产生生像差像差。像差分像差分为几何像差几何像差和和色差色差两两类。几何像差几何像差：由于透：由于透镜磁磁场几何形状上几何形状上的缺陷而造成的像差。的缺陷而造成的像差。色差色差：由于：由于电子波的波子波的波长或能量或能量发生生一定幅度的改一定幅度的改变而造成的像差。而造成的像差。透透镜的的实际分辨本分辨本领除了与衍射效除了与衍射效应有有关以外，关以外，还与透与透镜的像差有关。的像差有关。光学透光学透镜，已，已经可以采用凸透可以采用凸透镜和凹透和凹透镜的的组合等合等办法来法来矫正像差，使之正像差，使之对分辨分辨本本领的影响的影响远远小于衍射效小于衍射效应的影响的影响;但但电子透子透镜只有会聚透只有会聚透镜，没有，没有发散透散透镜，所以至今，所以至今还没有找到一种能没有找到一种能矫正球差正球差的的办法。法。这样，像差，像差对电子透子透镜分辨本分辨本领的限制就不容忽略了。的限制就不容忽略了。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，球差是限制差是限制电子透子透镜分辨本分辨本领最主要的因素。最主要的因素。球差的大小，可以用球差散射球差的大小，可以用球差散射圆斑半径斑半径Rs和和纵向球差向球差Zs两个参量来衡量。前者两个参量来衡量。前者是指在傍是指在傍轴电子束形成的像平面子束形成的像平面(也称高也称高斯像平面斯像平面)上的散射上的散射圆斑的半径。后者是斑的半径。后者是指傍指傍轴电子束形成的像点和子束形成的像点和远轴电子束形子束形成的像点成的像点间的的纵向偏离距离。向偏离距离。Zs 如果如果计算分辨本算分辨本领的平面的平面为最小截面最小截面圆所在平面，所在平面，则rs=1/4 Cs3 从以上两式可以得知从以上两式可以得知rs或或rs与球差与球差系数系数Cs成正比，与孔径半角的立方成正成正比，与孔径半角的立方成正比。也就是比。也就是说球差系数越大，由球差决球差系数越大，由球差决定的分辨本定的分辨本领越差，随着越差，随着的增大，分辨的增大，分辨本本领也急也急剧地下降。地下降。像散：像散：像散是由透像散是由透镜磁磁场的非旋的非旋转对称而引起。称而引起。如果如果电磁透磁透镜在制造在制造过程中已程中已经存在固有的像散，存在固有的像散，则可以通可以通过引入一个引入一个强度和方位都可以度和方位都可以调节的的矫正正磁磁场来来进行行补偿，这个能个能产生生矫正磁正磁场的装置称的装置称为消像散器。消像散器。色差：色差：是由于入射是由于入射电子波子波长（或能量）的非（或能量）的非单一性一性造成。造成。色差色差电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长电磁透磁透镜的特点是景深大（的特点是景深大（场深），焦深），焦长很很长。景深：景深：透透镜物平面允物平面允许的的轴向偏差定向偏差定义为透透镜的景深。的景深。从原理上从原理上讲，当透，当透镜焦距、像距一定焦距、像距一定时，只有一只有一层样品平面与透品平面与透镜的理想物平面重合，的理想物平面重合，能在透能在透镜像平面上像平面上获得得该层平面的理想平面的理想图象，象，而偏离理想物平面的物点都存在一定程度的而偏离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦，他失焦，他们在透在透镜像平面上将像平面上将产生具有一定生具有一定尺寸的失焦尺寸的失焦圆斑，斑，如果失焦如果失焦圆斑尺寸不超斑尺寸不超过由衍射效由衍射效应和像差引起的散焦斑和像差引起的散焦斑，那么，那么对透透镜像分辨本像分辨本领并不并不产生影响。生影响。焦焦长：透透镜像平面允像平面允许的的轴向偏差定向偏差定义为焦焦长。当透当透镜焦距、物距一定焦距、物距一定时，像平面在，像平面在一定的一定的轴向距离内移向距离内移动，也会引起失焦。，也会引起失焦。如果失焦尺寸不超如果失焦尺寸不超过由衍射效由衍射效应和像差和像差引起的散焦斑引起的散焦斑，那么像平面在一定的，那么像平面在一定的轴向距离内移向距离内移动，对透透镜像分辨率并不像分辨率并不产生影响。生影响。2 透射透射电镜的的结构及原理构及原理透射透射电镜主要有主要有电子光学系子光学系统(镜筒筒)、电源系源系统、真空系、真空系统和操和操作控制系作控制系统等四部分。等四部分。电源系源系统、真空系、真空系统和操作系和操作系统都都是是辅助系助系统。电源系源系统包括包括电子子枪高高压电源、透源、透镜电源和控制源和控制线路路电源等。源等。真空系真空系统用来用来维持持镜筒筒(凡是凡是电子运子运行的空行的空间)的真空度在的真空度在10-4 Torr以上，以上，以确保以确保电子子枪电极极间绝缘，防止成像，防止成像电子在子在镜筒内受气体分子碰撞而改筒内受气体分子碰撞而改变运运动轨迹，减小迹，减小样品品污染等。染等。基于基于对机械机械稳定性的考定性的考虑，透射，透射电镜的的镜筒一般是直立筒一般是直立积木式木式结构（自构（自上而下）：上而下）：电子子枪，聚光，聚光镜，样品室、品室、物物镜、中、中间镜和投影和投影镜，荧光屏和照光屏和照相装置。相装置。通常将通常将镜筒分筒分为照明、成像及照明、成像及图像像观察和察和记录三个系三个系统。照明系照明系统：电子子枪、聚光、聚光镜成像系成像系统：样品室、物品室、物镜、中、中间镜和和投影投影镜图像像观察和察和记录系系统：荧光屏和照相光屏和照相装置装置1.照明系照明系统 照明系照明系统的作用：的作用：提供光源，控制其提供光源，控制其稳定度、照定度、照明明强度和照明孔径角；度和照明孔径角；选择照明方式照明方式(明明场或暗或暗场成像成像)。(1)电子子枪 电子子枪是透射是透射电镜的的电子源。因子源。因为电子子枪决定了像的亮度、决定了像的亮度、图像像稳定度定度和穿透和穿透样品能力，所以相品能力，所以相应地要求其地要求其亮度、亮度、发射射稳定度和加速定度和加速电压都要高。都要高。最常用的加速最常用的加速电压为50100kV，近来，近来超高超高电压电镜的加速的加速电压已达数千已达数千kV。电子子枪 目前常用的目前常用的电子子枪是是热阴极三极阴极三极电子子枪，如，如图所示。它由所示。它由发夹形形钨丝阴极、阴极、阳极和位于阴、阳极之阳极和位于阴、阳极之间且且电位比阴位比阴极极负数百伏的数百伏的栅极极组成。成。这是一种静是一种静电透透镜，它能使阴极，它能使阴极发射的射的电子会聚，得到一个小于子会聚，得到一个小于100m的的电子束斑。子束斑。(2)聚光聚光镜聚光聚光镜大多是磁透大多是磁透镜，其作用是将来自，其作用是将来自电子子枪的的电子束会聚到被子束会聚到被观察的察的样品上，品上，并通并通过它来控制照明它来控制照明强度、照明孔径角和度、照明孔径角和束斑大小。高性能透射束斑大小。高性能透射电镜都采用双聚光都采用双聚光镜系系统。这种系种系统由第一聚光由第一聚光镜(强激磁激磁透透镜)和第二聚光和第二聚光镜(弱激磁透弱激磁透镜)组成。成。第一聚光第一聚光镜的的缩小倍数小倍数为1050倍，倍，它将有效光源它将有效光源强烈地烈地缩小成小成15 m的的光斑像。光斑像。第二聚光第二聚光镜缩小倍数小倍数约为1/2倍。倍。这样，通，通过第二聚光第二聚光镜在在试样平面上形平面上形成直径成直径约为2-10 m的光斑，的光斑，显著地提著地提高了照明效果。高了照明效果。2.成像系成像系统物物镜、中、中间镜和投影和投影镜现也都也都采用磁透采用磁透镜。它。它们和和样品室构成品室构成成像系成像系统，作用是安置，作用是安置样品、放品、放大成像。大成像。(1)物物镜物物镜是透射是透射电镜的核心，它的核心，它获得第一幅具有得第一幅具有一定分辨本一定分辨本领的放大的放大电子像。子像。这幅像的任何缺幅像的任何缺陷都将被其他透陷都将被其他透镜进一步放大，所以透射一步放大，所以透射电镜的分辨本的分辨本领就取决于物就取决于物镜的分辨本的分辨本领。因此，。因此，要求物要求物镜有尽可能高的分辨本有尽可能高的分辨本领、足、足够高的放高的放大倍数和尽量小的像差。磁透大倍数和尽量小的像差。磁透镜最大放大倍数最大放大倍数为200倍，最大分辨本倍，最大分辨本领为0.1nm。物物镜的球面像差一般通的球面像差一般通过在物在物镜背焦面径向插入物背焦面径向插入物镜光光阑，物，物镜的像散通常通的像散通常通过采用机械消像散采用机械消像散器、磁消像散器或静器、磁消像散器或静电消像散器消像散器来减小。来减小。(2)中中间镜和投影和投影镜中中间镜和投影和投影镜的构造和物的构造和物镜是是一一样的，但它的，但它们的焦距比的焦距比较长。其。其作用是将物作用是将物镜形成的一次像再形成的一次像再进行行放大，最后放大，最后显示到示到荧光屏上，从而光屏上，从而得到高放大倍数的得到高放大倍数的电子像。子像。这样的的过程称程称为三三级放大成像。放大成像。物物镜和投影和投影镜属于属于强透透镜，其放，其放大倍数均大倍数均为100倍左右，而中倍左右，而中间镜属属于弱透于弱透镜，其放大倍数，其放大倍数为020倍。倍。三三级成像的成像的总放大倍数放大倍数为：MT=MO MI MP 其中其中MO、MI、MP分分别是物是物镜、中、中间镜和投影的放大倍数。和投影的放大倍数。磁透磁透镜可以通可以通过改改变电流来流来调节放放大倍数。一般通大倍数。一般通过将物将物镜和投影和投影镜的的放大倍数放大倍数MO、MP固定，而改固定，而改变中中间镜放大倍数放大倍数MI来改来改变总放大倍数放大倍数MT。应当指出，放大倍数越大，成像亮当指出，放大倍数越大，成像亮度越低。成像亮度与度越低。成像亮度与MT2成反比。因成反比。因此，要根据具体要求此，要根据具体要求选用成像系用成像系统的的放大倍数。放大倍数。样品室位于照明系统和物镜之间，其作用是安装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，如平移运动，如平移(选择观察区域选择观察区域)、倾斜、倾斜(选择合适的样选择合适的样品位向品位向)和旋转等。和旋转等。透射电镜样品非常薄，约为透射电镜样品非常薄，约为100200nm，必，必须用铜网支撑着。常用的铜网直径为须用铜网支撑着。常用的铜网直径为3mm左右，左右，孔径约有数十孔径约有数十m，如图所示。，如图所示。3.图像像观察和察和记录系系统透射透射电镜中中电子所子所带的信的信息息转换成人眼能感成人眼能感觉的可的可见光光图像，是通像，是通过荧光屏或照相底光屏或照相底板来板来实现的。人的。人们透透过铅玻璃玻璃窗可看到窗可看到荧光屏上的像。光屏上的像。