电子显微镜技术2011.9.20

物镜：M0＝102
第一中间镜：M1＝101
第二中间镜：M2＝102
投影镜：Mp=102
像的放大倍数＝ M0 M1 M2 Mp
（四）观察和显示系统
主要由荧光屏和照相底片室组成。
荧光屏的作用：因肉眼不能直接看到电子射线， 所以必需利用电子载荧光屏上激发出可见光成像 来进行观察。
极靴：位于透镜的中央，形状为中间空心的锥状体
线圈：位于极靴的外部，通电产生磁场，改变电 流来改变磁场强度 屏蔽外壳：线圈外包的一层屏蔽材料，为了防止 外部磁场的干扰及增加透镜的聚焦能力
第四节 电子透镜的特性
像差：电子光学成像中，实际像与理论像间的 偏离，叫做像差。分为几何像差、像差、色差 和像散。
作用：采用计算机对调试电镜、测量工作数 据等进行程序化管理。使电镜的操作更为简 化。
第三节 透射电镜的操作程序
一、开机 1.接通总电源 2.打开循环水阀门 3.打开抽真空开关，抽20～30分钟 4.打开COL开关。等待表示电压系统和照 相系统正常的绿色指示灯亮。
二、调试照明系统 1.加高压：从低到高，如电压加不上去或
真空测量装置：潘宁管，利用气体的导电率， 换算成压力，显示在压力分度电表上。
三 电子系统
高压发生器，电子枪灯丝加热电源
电 子 系 统
透镜稳流电路
稳压电路
安全自控电路 计算机控制电路
1.高压发生器
装置：为电镜提供高压的装置，由一个高压 油箱或氟里昂和高压电缆组成。 作用：为发射的电子提供加速能量。 高压分档：35、75、100、150、175、200kV 2.灯丝加热电源 灯丝加电流使其产生高热，然后促使电子由 灯丝尖端逸出，形成电子束
显微镜工作目标是对样品得到一个放大像， 分辨率和最有效放大倍数是两个基本的性能指标 。
分辨率：是分辩物体细节的最小极限，通 常以能否分辩两个物体的最小间距来衡量。 与光的性质，即衍射、干涉及透镜色差、 球差有关。
＝0.6/n Sin
n ：物体所处媒介的折射率； ：孔径角； ：发射光波长
放大倍数（magnification)
M=眼/镜
M： 放大倍数， 眼：人眼的分辩本领 镜：镜的分辩本领
眼：0.2mm
光镜：200nm 电镜：0.1nm
第二节 电子显微镜的产生基础
a. 1872年 ，J.J.Thomson证明了电子的存在 b. 1923年， L.de Broglie关于物质 的微粒、波动二像性的推论
扫描显微镜
第一节 光学显微镜的局限
人类对机体的认识是从宏观到微观不断深化的。 三个世纪前，Hook和Van Leeuwenhock发明的显微镜 延伸了我们的视野。依靠光学显微镜，人们发现了机 体的基本组成单位——细胞以及许多微生物。
1878年，Abbe和Zernike阐明了近代光学的成像原理：
c. 1926年，H.Busch发现了轴对称分布的电、 磁场对带电粒子的透镜作用
一、电子束的主要特征
电子束的定义：真空中相对集中而高速 运动着的电子流。同光波一样具有粒子 性和波动性。
＝h/mV运动
e V=1/2mV2运动
＝1.226/ (V)1/2
：波长； h：普朗克常数；m:粒子质量；
V运动：粒子运动的速度;V:加速电压
阴极荧光
样品
俄歇电子
吸收电流
透射电子 （弹性散射）
透射电子（含有多量 非弹性散射电子）
电子束与物质的相互作用
电子 探针
入 射 电 子 束
X射线 轫致辐射 阴极发光 俄歇电子
二次电子 反射电子 吸收电子
扫描 电镜
样 品
透射电子
衍射电子
俄歇电 子谱仪
透射 电镜
第六节 电子显微镜的发展过程
1938年，卢斯卡和诺尔根据磁场可以会聚电子束这一原理发明 了世界上第一台电子显微镜。放大倍数可达1200倍
四、景深和焦深
景深：就是在保持像清晰的前提下，可允
许物面在轴上的移动距离。
景深长的优点：容易聚焦，拍摄立体照片， 电镜的景深大大超过切片的厚度。
焦深：为了得到清晰度相同的像，可允许
的图像显示或记录平面的轴向位移量。
第五节 电子束射入样品而激发出的各种信号
入射电子束
特征X射线
连续X射线
反射电子 二次电子
3.透镜稳流电路 电流稳定性直接影响到成像的分辨率与放大倍 数的精确值。透镜电流不稳定，透镜的磁场强 度将发生变化，造成图像的不稳定。 4.安全自控电路
作用：当突然出现断流、断水、真空漏气等 因素影响仪器工作时，安全自控电路切断电 源或关闭必要的阀门并发出警告，提醒工作 人员注意。
5.计算机控制电路
一级聚光镜：采用强激励方式，主要使束斑显著缩小。
二级聚光镜：采用弱激励长焦距方式，调节激励电 流来改变在样品面上的束斑聚焦情况。
3.电子枪偏转器和聚光镜偏转器
作用：用来校正电子束在合轴方面的缺陷（包括 平移合倾斜）
4.消像散器：
作用：产生有一定椭圆度的磁场，用来抵消原 系统中的非轴对称性。
二.成像放大系统：
不稳定，说明真空度不够。
2.加灯丝电流Βιβλιοθήκη Baidu一般高压加到75～80kV并
稳定后，可以慢慢旋转灯丝钮，直到使灯
一、几何像差：当电子轨迹不满足傍轴条件时 所形成的像差。含球差与畸变
1.球差：由于磁透镜焦距短，边缘部分的聚焦 能力强，使场中心区与边缘区对电子的折射率 不同而产生的。球差随磁场强度增加而迅速减 小。
2.畸变：是由于离轴较远处的径向磁场的作用 力强，使放大倍数随物点离轴的距离而变化， 进而使图像发生改变而产生的。
透 射 电 子 显 微 镜
激光扫描共焦显微镜
2.特点:
①电镜的价格昂贵、维护、使用均要求有较高的技术
②由于电子束穿透力弱，因而标本必须置于真空中。 ③电镜样品的制备技术上的限制是其应用发展受限 ④电镜样品取材及制备存在局限性 ⑤电镜的观察视野较小，只有 6m 9m
1mm2标本信息，需要6cm 9cm标中照片18500张
例如：当加速电压V是50kV时，则电子束的 波长为： ＝0.0055nm
二、电子束在磁场或电场中的性质
1.电子束受力方向：服从右手定则
2.电磁场满足轴对称条件：电子就具有可被 聚焦的特性
三、电子束的穿透力
电子束的穿透力很弱，需要达到两个条件：
a.高真空条件， b.观察的标本必需很薄（100kV以下，厚度 不可超过100nm)
品架。
（二）物镜：是电镜最主要，也是最关键的部件。 1.构成：由带铁壳的线圈和具有高导磁率材料 制成的极靴构成 2.特点： 1.物镜为浸没透镜，焦距仅为1mm
2.改变线圈中电流的强度，就能获得不同的焦距
（三）中间镜和投影镜 作用：控制总的放大倍率，调节范围比较大， 100倍到几十万倍。气结构与物镜相似，但精度 要求低于物镜。 小结：成像系统各级放大的倍率：
1.光学显微镜中， n Sin最大值为1.5，根据 公式其极限分辩率约为0.5 ,即所用光源的一 半。 2. 可见光的波长为400—800nm，其极限分辨 率约为200nm。 3.由于光波波长的局限，光学显微镜的分辨 率在理论上不能优于0.2um。既光镜的最大放大 倍数约为1000倍。因此要提高分辩率，只有采 用短波长的光源。
电子显微镜学
第一章 电子显微镜的基础知识
显 微 镜
光学显微镜(light microscopy, LM)其分辨率为0.2μ m，放大倍数 约为1000倍 透射显微镜 电子显微镜(electron microscopy,EM) 其分 辨率为0.2nm，比光 镜高1000倍，可放 大几万倍到几十万 倍。
底片室：用电子射线使照相底片曝光成像。
二 真空系统
一般电镜抽真空系统包括几个机械泵和一个 油扩散泵，场发射型还需离子泵或涡轮分子 泵。 抽真空的步骤： 1.机械泵抽低真空，从大气抽到1.33～0.133Pa 2.油扩散泵抽高真空，抽到13.33 10-4～10-5Pa 3.场发射型抽到13.33 10-9Pa
电子显微镜最核心的部件之一，高放大倍 数，高分辨率就是通过它获得的。 样品室 成 像 放 大 系 统
物镜
二级中间镜 投影镜
（一）样品室：位于聚光镜和物镜之间，用以安 放载有样品的载网。 样品室应具备下列特性：
1. 有同心测角台，可以使载物台旋转。
2. 样品室应处于高真空状态。因而样品室有
一气锁装置 。 3. 应有液氮装置。以减少样品的辐照损伤和 感应污染。 4. 有便于快速更换而用于不同研究目标的样
第二章 透射电子显微镜原理和结构
透射电镜的基本原理 透射电镜的组成结构 透射电镜基本操作
第一节 透射电镜的基本原理
入射电子束
样品
吸收电流
小角度弹性散射电子 透射电子（含有多量 非弹性散射电子） 透射电子 （弹性散射）
基本原理：在真空条件下，电子束经高压加 速后形成极细的快速电子束流，为入射电子 射线。当它与样品发生作用时，由于样品的 厚度和质量有差异，能产生多种带有样品信 息的讯号。与透射电镜成像密切相关的是透 过样品的透射电子。其中最主要的是弹性散 射电子。带有样品信息的电子经多级电磁透 镜放大后，最终激发荧光屏，产生强度不同 的光，形成能用肉眼观察的电子显微图像。
二、色差：不同波长的光通过光学系统时， 将在不同的点上聚焦，因而物点的像是一个 半径为r的多色模糊圆斑。这种现象称为色差。 电镜中色差分三种：轴上色差，放大色差， 旋转色差
三、像散：极靴的精细加工产生的机械不对称 或极靴材料导磁率不够均匀而引起的透镜磁场 不均匀对称引起两条聚焦线不能聚焦在一点。 如图：
第三节 电子透镜的聚焦性能
电场作用的静电透镜
电子透镜
磁场作用的磁透镜 静 电 透 镜
单电位静电透镜
浸没静电透镜
长磁透镜
磁 透 镜 短磁透镜 磁浸没物镜
单光阑静电透镜
浸没物镜
一.静电透镜：几个轴线在同一直线上的空心金 属圆柱体，或几片平行排列且中心有圆孔的金属 膜片就形成具有轴对称的电极。当它们加有一定 电压时，便可产生轴对称分布的静电场。这种静 电场可以使电子聚焦成像，因此称为静电透镜
鲁斯卡(1906～1988) 德国物理学家
1939年,德国Siemens生产了第一台商品用的透射电镜，分 辨率为10nm
50年代初到60年代末，电镜分辨率达到1nm
60～80年代，电镜的性能已达到了完善的程度，在分 辨率和超高压方面发展极快。分辨率提高为0.1nm。
最新产品的分辨率已达到0.07nm。
真空系统 电子系统
一、电子光学系统 透射电镜的光学系统全部包括在镜筒中， 它主要有照明系统、成像放大系统和观察记录 系统三大部分组成。
（一）照明系统：主要有电子枪和聚光镜两部分组成
1.电子枪 类型：热发射、 冷发射 场发射
性能： 三种电子枪的性能比较
最小交叉截 面的半径m 电子能量分 散度（eV） 总束流 A
光镜显微镜与电子显微镜的比较
光学显微镜 发光源 光源 透镜 真空系统 灯泡 可见光、紫外光 玻璃透镜 空气 电子显微镜 电子枪 电子束 电磁透镜 真空
成象色彩
样品要求
彩色
无需脱水
单色
需脱水
透射电镜与 光镜之间有 相似之处， 它们的光路 很相似
透射电镜的成像原理
第二节 透射电镜的结构组成
电子光学系统
缺点：像差大，易在镜体内发生电击穿和弧光放 电，现代电镜仅用来提供高能电子束。
二、磁透镜：轴对称弯曲磁场对电子束有聚焦 作用，因而可以得到电子光学像。我们称这种 具有轴对称弯曲磁场装置构成的电子透镜为电 磁透镜。
1.磁浸没透镜：物放在焦点附近（焦点位于磁 场中）的电磁透镜。现代电镜常用。
2. 极 靴 强 磁 透 镜
1982年比尼格和罗雷尔发明第一台扫描隧道电子 显微镜，使放大倍数可达数千万倍。
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜拍摄的7个铀原子团
第七节 电子显微镜的类型及特点
1.类型： 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 扫描隧道电子显微镜 原子力电子显微镜
激光扫描共聚焦显微镜
透射扫描电子显微镜
扫描电子显微镜
100kV下的亮度 A.cm-2.sr-1
真空度
寿命h
发叉形热钨丝 10－50 LaB6热阴极 5－10
3 1
100 50
5105 710
6
10－5 10－6
30 103
冷场发射枪
5－10
0.3
50
107－108
10－10
103
目前，场发射电子枪是低电压高分辨率电镜常用的光源。
2.聚光镜： 是线圈包铁壳形成的磁透镜。一般常 采用二级甚至三级聚光系统。 作用：将电子枪发出的电子束按一定要求聚 射到样品上。