材料课件电子光学基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,HNUZLP,*,第七章 电子光学基础,引言,电子波与电磁透镜,电磁透镜的像差和分辨本领,电磁透镜的景深和焦长,11/28/2024,1,引言 电镜的发展历史,1924年，德布罗意计算出电子波的波长,1926年，布施发现轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦,19321933年间，德国的劳尔和鲁斯卡等研制成功世界上第一台电子显微镜,1939年，德国的西门子公司生产出分辨本领优于10nm的商品电子显微镜,11/28/2024,2,HNUZLP,7.1 电子波与电磁透镜,光学显微镜的局限性,电子波的波长,电磁透镜,11/28/2024,3,HNUZLP,光学显微镜的局限性,一个世纪以来，人们一直用光学显微镜来揭示金属材料的显微组织，借以弄清楚组织、成分、性能的内在联系。但光学显微镜的分辨本领有限，对诸如合金中的G.P 区（几十埃）无能为力。,11/28/2024,4,HNUZLP,最小分辨距离计算公式,其中,最小分辨距离,波长,透镜周围的折射率,透镜对物点张角的一半，,称为数值孔径，用 N.A 表示,11/28/2024,5,HNUZLP,由于光的衍射，使得由物平面内的点O,1、,O,2,在象平面形成B,1、,B,2,圆斑（Airy斑）。若O,1、,O,2,靠的太近，过分重叠，图象就模糊不清。,11/28/2024,6,HNUZLP,O,1,O,2,d,L,B,2,B,1,Md,强度,D,图（a）点O,1、,O,2,形成两个Airy斑；图（b）是强度分布。,（a）,（b）,11/28/2024,7,HNUZLP,图（c）两个Airy斑,明显可分辨出。,图（d）两个Airy斑,刚好可分辨出。,图（e）两个Airy斑,分辨不出。,I,0.81I,11/28/2024,8,HNUZLP,对于光学显微镜，N.A的值均小于1，油浸透镜也只有1.51.6，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。,提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。,11/28/2024,9,HNUZLP,电子的波长,比可见光波长更短的电磁波有：,1）紫外线 会被物体强烈的吸收；,2）X 射线 无法使其会聚；,3）电子波,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。电子波,h Plank 常数，,m,v 电子速度,11/28/2024,10,HNUZLP,显然,，,，v,越,越大,，,，,越,越,小,小，,电,电子,的,的速,度,度与,其,其加,速,速电,压,压（E),有,有关,，,，即,而,则,埃,埃,12/20/2022,11,HNUZLP,即若,被,被150,伏,伏的,电,电压,加,加速,的,的电,子,子，,波,波长,为,为1,埃,埃。,若,若加,速,速电,压,压很,高,高，,就,就应,进,进行,相,相对,论,论修,正,正。,（,（参,考,考教,材,材P109,表,表7-1）,电子,波,波长,与,与加,速,速电,压,压的,关,关系,（,（经,相,相对,论,论修,正,正）,加速电压（kV）,10,20,30,50,60,波长（）,0.122,0.0859,0.0698,0.0536,0.0487,加速电压（kV）,70,100,200,500,1000,波长（）,0.0448,0.0370,0.0251,0.0142,0.0087,12/20/2022,12,HNUZLP,1.电子,可,可以凭借轴,对,对称的非均,匀,匀电场、磁,场,场的力，使,其,其会聚或发,散,散，从而达,到,到成象的目,的,的。,由静电场制,成,成的透镜,静电透,镜,镜,由磁场制成,的,的透镜,磁,磁透镜,电磁透镜,12/20/2022,13,HNUZLP,2.磁透,镜,镜和静电透,镜,镜相比有如,下,下的优点,磁透镜,静电透镜,1.改变线圈中的电流强度可很方便的控制焦距和放大率；,2.无击穿，供给磁透镜线圈的电压为60到100伏；,3.象差小。,1.需改变很高的加速电压才可改变焦距和放大率；,2.静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿；,3.象差较大。,目前，应用,较,较多的是磁,透,透镜，我们,只,只是分析磁,透,透镜是如何,工,工作的。,12/20/2022,14,HNU,ZLP,3.,磁,磁,透,透,镜,镜,结,结,构,构,剖,剖,面,面,图,图,图1-2,12/20/2022,15,HNU,ZLP,4.,磁,磁,透,透,镜,镜,使,使,电,电,子,子,会,会,聚,聚,的,的,原,原,理,理,O,O,z,图1-3,（,（a,）,）,电,电,子,子,在,在,磁,磁,透,透,镜,镜,中,中,的,的,运,运,动,动,轨,轨,迹,迹,A,C,12/20/2022,16,HNU,ZLP,O,O,A,C,图1-3（b,）,）A点,位,位置的B 和v的分,解,解情况,12/20/2022,17,HNU,ZLP,电子在,磁,磁场中,要,要受到,磁,磁场作,用,用力：,即,圆周运,动,动,切向运,动,动,向轴运,动,动,12/20/2022,18,HNUZLP,当电子走,到,到C点位,置,置时，B,r,的方向改,变,变180,，,，F,t,随之反向,，,，即在C,处,处有一离,轴,轴作用力,，,，可以抵,消,消与A点,相,相当的向,轴,轴作用力,，,，由于,磁,磁场中心,部,部分比两,旁,旁的强，,因,因此在A,、,、C中心,部,部分受到,特,特别大的,向,向轴力是,抵,抵不掉的,，,，电子继,续,续向轴偏,转,转。出磁,场,场后又是,直,直线运动,。,。这条直,线,线与轴成,角，并与,轴,轴交于O,点。,12/20/2022,19,HNUZLP,有极靴的,透,透镜极靴,使,使得磁场,被,被聚焦在,极,极靴上下,的,的间隔h,内,内，h可,以,以小到1mm左右,。,。在此小,的,的区域内,，,，场的径,向,向分量是,很,很大的。,计,计算透镜,焦,焦距f的,近,近似公式,为,为:,电子显微,镜,镜可以提,供,供放大了,的,的象，电,子,子波长又,非,非常短，,人,人们便自,然,然地把电,子,子显微镜,视,视为弥补,光,光学显微,镜,镜不足的,有,有利工具,。,。,E加速电,压,压；S极,靴,靴孔径；I通过线,圈,圈的电流,强,强度；N,线,线圈每厘,米,米长度上,的,的圈数；F透镜的,结,结构系数,12/20/2022,20,HNUZLP,O,z,图1-4,带,带铁壳的带,极,极靴的透镜,O,12/20/2022,21,HNUZLP,有极,靴,靴,B（z）,没有,极,极靴,无铁,壳,壳,z,图7-3,磁,磁感,应,应强,度,度分,布,布图,12/20/2022,22,HNUZLP,7.2,电,电子,透,透镜,的,的象,差,差与,分,分辨,本,本领,电磁,透,透镜,也,也存,在,在缺,陷,陷，,使,使得,实,实际,分,分辨,距,距离,远,远小,于,于理,论,论分,辨,辨距,离,离，,对,对电,镜,镜分,辨,辨本,领,领起,作,作用,的,的象,差,差有,几,几何,象,象差,（,（球,差,差、,象,象散,等,等）,和,和色,差,差。,几何,象,象差,是,是因,为,为透,镜,镜磁,场,场几,何,何形,状,状上,的,的缺,陷,陷而,造,造成,的,的；,色差,是,是由,于,于电,子,子波,的,的波,长,长或,能,能量,发,发生,一,一定,幅,幅度,的,的改,变,变而,造,造成,的,的。,12/20/2022,23,HNUZLP,球,差,差,球差,是,是由,于,于电,子,子透,镜,镜的,中,中心,区,区域,和,和边,沿,沿区,域,域对,电,电子,的,的会,聚,聚能,力,力不,同,同而,造,造成,的,的。,远,远轴,的,的电,子,子通,过,过透,镜,镜折,射,射得,比,比近,轴,轴电,子,子要,厉,厉害,的,的多,，,，以,致,致两,者,者不,交,交在,一,一点,上,上，,结,结果,在,在象,平,平面,成,成了,一,一个,漫,漫散,圆,圆斑,，,，半,径,径为,还原,到,到物,平,平面,，,，则,为球,差,差系,数,数。,为孔,径,径角,，,，透,镜,镜分,辨,辨本,领,领随,增,增大,而,而迅,速,速变,坏,坏。,12/20/2022,24,HNUZLP,P,象,P,透镜,物,P,光轴,图7-4,球,球,差,差,12/20/2022,25,HNUZLP,象散,磁场不对称,时,时，就出现,象,象散。有的,方,方向电子束,的,的折射比别,的,的方向强，,如,如图1-5,（,（b）所示,，,，在A平面,运,运行的电子,束,束聚焦在P,A,点，而在B,平,平面运行的,电,电子聚焦在P,B,点，依次类,推,推。这样，,圆,圆形物点的,象,象就变成了,椭,椭圆形的漫,散,散圆斑，其,平,平均半径为,还原到物平,面,面,为象散引起,的,的最大焦距,差,差；,透镜磁场不,对,对称，可能,是,是由于极靴,被,被污染，或,极,极靴的机械,不,不对称性，,或,或极靴材料,各,各向磁导率,差,差异引起。,象,象散可由附,加,加磁场的电,磁,磁消象散器,来,来校正。,12/20/2022,26,HNUZLP,平面B,P,A,透镜平面,物,P,光轴,P,B,f,A,平面A,图1-5（b）象散,12/20/2022,27,HNUZLP,色差,色差是由于,电,电子的能量,不,不同、从而,波,波长不一造,成,成的，电子,透,透镜的焦距,随,随着电子能,量,量而改变，,因,因此，能量,不,不同的电子,束,束将沿不同,的,的轨迹运动,。,。产生的漫,散,散圆斑还原,到,到物平面，,其,其半径为,是透镜的色,差,差系数，大,致,致等于其焦,距,距；,是电子能量,的,的变化率。,12/20/2022,28,HNUZLP,能量为E的,电子轨迹,象1,透镜,物,P,光轴,图1-5（c）色差,能量为E-E的,电子轨迹,象2,12/20/2022,29,HNUZLP,引起电子束,能,能量变化的,主,主要有两个,原,原因：,一是电子的,加,加速电压不,稳,稳定；,二是电子束,照,照射到试样,时,时，和试样,相,相互作用，,一,一部分电子,发,发生非弹性,散,散射，致使,电,电子的能量,发,发生变化。,使用薄试样,和,和小孔径光,阑,阑将散射角,大,大的非弹性,散,散射电子挡,掉,掉，将有助,于,于减小色散,。,。,12/20/2022,30,HNUZLP,在电子透镜,中,中，球差对,分,分辨本领的,影,影响最为重,要,要，因为没,有,有一种简便,的,的方法使其,矫,矫正，而其,它,它象差，可,以,以通过一些,方,方法消除,PAYATTENTION,12/20/2022,31,HNU,ZLP,理,论,论,分,分,辨,辨,距,距,离,离,光,学,学,显,显,微,微,镜,镜,的,的,分,分,辨,辨,本,本,领,领,基,基,本,本,上,上,决,决,定,定,于,于,象,象,差,差,和,和,衍,衍,射,射,，,，,而,而,象,象,差,差,基,基,本,本,上,上,可,可,以,以,消,消,除,除,到,到,忽,忽,略,略,不,不,计,计,的,的,程,程,度,度,，,，,因,因,此,此,，,，,分,分,辨,辨,本,本,领,领,主,主,要,要,取,取,决,决,于,于,衍,衍,射,射,。,。,电,子,子,透,透,镜,镜,中,中,，,，,不,不,能,能,用,用,大,大,的,的,孔,孔,径,径,角,角,，,，,若,若,这,这,样,样,做,做,，,，,球,球,差,差,和,和,象,象,差,差,就,就,会,会,很,很,大,大,，,，,但,但,可,可,通,通,过,过,减,减,小,小,孔,孔,径,径,角,角,的,的,方,方,法,法,来,来,减,减,小,小,象,象,差,差,，,，,提,提,高,高,分,分,辨,辨,本,本,领,领,，,，,但,但,不,不,能,能,过,过,小,小,。,。,12/20/2022,32,HNU,ZLP,