第二章 透射电镜的结构与成像原理
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中间镜是弱励磁的长焦距变倍透镜，在电镜操作中，主 要是通过中间镜来控制电镜的总放大倍率。当放大倍数大 于1时，用来进一步放在物镜像，当放大倍数小于1时，用 来缩小物镜像。 如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光 屏上得到一幅放大的电子图像，这就是成像操作；如果把 中间镜的物平面和物镜的背焦面重台，则在荧光屏上得到 一幅电子衍射花样，这就是透射电镜的电子衍射操作。 在物镜的像平面上有一个选区光阑，通过它可以进行选 区电子衍射操作。
观察时可以通过改变第二聚光镜电流，改变试样的照 射面积； 由于第二聚光镜为弱透镜，增加了聚光镜和样品之间 的距离，有利于安装聚光镜光阑和束偏转线圈等附件。
JEM-3010几种照明光路的比较
2.1.2 成像系统
成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜及物镜光阑和选区 光阑组成。它主要是将穿过试样的电子束在透镜后成像或 成衍射花样，并经过物镜、中间镜和投影镜接力放大。
MT= M0· MI1·MI2· MP 第一中间镜、第二中间镜形成一个复合透镜
低放大倍数 ( ~100-10,000 × )：
关掉第二中间镜，物镜、第一中间镜弱激励。 或者关掉物镜，第一中间镜作物镜，选区光档作物镜光栏。这 种配置衬度好，常用于观察低衬度样品，放大倍数100-1000 ×
为了减小物镜的球差和提高像的衬度，在 物镜后焦面上可安放一个孔径可调的物镜光 阑（最小孔径可以做到 5 微米），物镜光阑 的另一作用是进行暗场及衍衬成像操作。
在新的电镜中，物镜皆由两部分组成，分 为上物镜和下物镜，试样置于上下物镜之间， 上物镜起强聚光作用，下物镜起成象放大作 用。
2.1.2.2中间镜
当采用双聚光镜时，第一聚光镜一般是短焦距强励磁透 镜，作用是将电子枪得到的光斑尽量缩小，第二聚光镜 是长焦距弱透镜，它将第一聚光镜得到的光源会聚到试 样上，一般来说，该透镜对光源起放大作用。采用双聚 光镜的优点在于：
扩大了光斑尺寸的变化范围，在不同的模式下，可以 通过改变第一聚光镜的电流，选择所需要的光斑尺寸； 可以减小试样的照射面积，减少试样的温升；
成像系统
成像模式操作——三种放大倍数范围
高放大倍数 ( ~500,000× )：
MT= M0· MI1·MI2· MP 典型值：M0=50, MI1=3, MI2=15, MP=220 每一级都成放大实像 稍小于500,000×者，减小中间镜放大倍数。
中放大倍数 ( ~10,000-50,000 × )：
2.3 供电系统
透射电镜需要两部分电源：一是供给电子 枪的高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流 部分。 电压的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重 要的标志。加速电压和透镜电流的不稳定将使 电子光学系统产生严重像差，从而使分辨本领 下降。所以对供电系统的主要要求是产生高稳 定的加速电压和各透镜的激磁电流。在所有的 透镜中，物镜激磁电流的稳定度要求也最高。 近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操 作程序控制系统和数据处理的计算机系统
21212121物镜物镜固定一般可通过调节样品高度来微调所以在成像时主要改变焦距f和像距l物镜是物镜是temtem的最关键的部分的最关键的部分其作用是将来自试样不其作用是将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上构成构成含有试样结构信息的含有试样结构信息的散射花样或衍射花样散射花样或衍射花样
中南大学
第二章 透射电镜的结构与 成像原理
材料科学与工程学院 艾 延 龄 E-mail: ylai@
2.1 透射电镜构造原理
透射电镜一般是电子光学系统、真空系统和电 源与控制系统三大部分组成。电子光学系统通常 称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它又可以 分为照明系统、成像系统和观察记录系统。
A、热阴极电子枪
热电子枪由灯丝（阴极）、栅极帽、阳极组成。常用 灯丝为钨丝（如H-800)、LaB6(如JEM-3010)。
自偏转回 路起限制 和稳定束 流的作用
自偏压回路 电子枪内的等电位面
热阴极电子枪处偏压原理 自生偏压原理和饱和工作点
a
b
c
灯丝
阴极 无偏压 最大电流 最佳偏压 中等电流 高偏压 无电流
2.4 主要部件的结构与工作原理
2.4.1样品台
样品杆
样品台有双倾台和单倾台之分，单倾台只能随测角台转 动（ X 轴），双倾台除了可以随测角台转动外，还可以 绕垂直于测角台轴线的Y轴转动。另外样品台按在电镜中 的装入方式还可以分为侧插式和顶插式，不过顶插式用 得很少。
不同样品台的自由度：
侧插式单倾台（4 个自由度）：X、Y 水平平移，Z 轴 垂直移动， 绕X轴转动。 侧插式双倾台（ 5个自由度） ：X、Y水平平移，Z轴 垂直移动，绕X轴转动，绕Y轴转动。 旋转式试样台（ 5个自由度） ：X、Y水平平移，Z轴 垂直移动，绕X轴转动，绕Z轴转动。
2.1.3 观察记录系统
观察和记录装置包括荧光屏、照相机（底 片记录）、TV相机和慢扫描CCD。
不同电镜的荧光屏发光强度是不同的，有的电 镜的荧光屏看起来不亮，但电子的强度是很强 的，比如某些场发射电镜，所以选择曝光时间 时要注意； 照相用的底片是一种对电子束很敏感的感光材 料制成，这种材料对绿光比较敏感，对红光 电子枪
电子枪可分为热阴极电子枪和场发射电子枪。热阴极电子 枪的材料主要有钨丝 (W)和六硼化镧(LaB6)，而场发射电子 枪又可以分为热场发射、冷场发射和 Schottky 场发射， Schottky 场发射也归到热场发射。场发射电子枪的材料必 须是高强度材料，一般采用的是单晶钨，但现在有采用六 硼化镧 (LaB6)的趋势。下一代场发射电子枪的材料极有可 能是碳纳米管。
2.1.2.3 投影镜
投影镜的作用是把经中间镜放大的像(或电子 衍射花样)进一步放大，并投影到荧光屏上， 它也是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激 磁电流是固定的，因为成像电子束进入投影 镜时孔径角很小，所以它的景深和焦长都非 常大。即使电镜的总放大倍数有很大的变化， 也不会影响图像的清晰度。
目前，高性能透射电子显微镜大都采用5级透镜放大， 即中间镜和投影镜各有两级。
TV相机是直接将光信号转变为电信号，反应速 度极快，但不利于记录； 慢扫描 CCD 是最新发展出来的一种记录方式， 反应速度较TV相机慢，但记录十分方便。
2.2 真空系统
电镜真 空系 统一般 是由 机械泵 、油 扩散泵 、离 子泵、 阀门 、真空 测量 仪和管道等部分组成。
如果真空度不够，就会出 现下列问题： 1）高压加不上去 2）成像衬度变差 3）极间放电 4 ）使灯丝迅速氧化， 缩短寿命
电子光学系统
照明系统 成像系统 观察记录
电子枪
聚光镜
物镜
中间镜
投影镜
荧光屏
照相机
CCD相机
2.1.1 照明系统
照明系统由电子枪、聚光镜以及相应的平移、倾转和对中 等调节装置组成，其作用是提供一束亮度高、照明孔径半 角小、平行度好、束流稳定的照明源。为了满足明场和暗 场成像的需要，照明束可以在5度范围内倾转。
B、场发射电子枪
场发射电子枪没有 栅极，由阴极和两 个阳极构成。第一 个阳极主要使电子 发射，第二个阳极 使电子加速和会聚。
枪发射电子枪示意图
发卡型钨灯丝
LaB6灯丝
场发射枪
Comparison of four different emission guns
Beam Source Brightness (Q/cm2sr) Energy Spread (eV) Work Function (eV) Heating Temp. (K) Vacuum (Pa) Life time (hr) Diameter of Crossover (nm) Emission Current (mA) Current Density (A/cm2) Coherence Hair-pin W 105 2.3 4.5 2,800 10-3 200 20,000 80 3 bad LaB6 106 1.5 2.7 1,800 10-5 1000 5,000 50 20 moderate Schottky FEG 108 0.6-0.8 2.6 1,600 10-7 2000 20 100 5x104 good Cold FEG 109 0.3-0.5 4.3 300 10-8 2000 5 10 5x103 excellent
2.1.2.1 物镜
物镜是 TEM的最关键的部分，其作用是将来自试样不 同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成 含有试样结构信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同 一点的不同方向的弹性散射束会聚于其像平面上，构成与 试样组织相对应的显微像。 TEM分辨本领的高低主要取 决于物镜； 物镜是强励磁短焦距的透镜（f ＝1~3mm），物镜的分 辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴 的内孔和上下极靴之间的距离越小，物镜的分辨率越高， 所以高分辨电镜的可倾转角度往往比较小； 现在高分辨电镜的物镜放大倍数一般固定在一定的倍数 （如 50倍），只有在聚焦的时候才改变它的电流。 物距 L1 固定（一般可通过调节样品高度 来微调），所以在成像时，主要改变焦 距f和像距L2来满足成像条件。
2.4.2 电子束倾转与平移装置（电磁偏转器）
(a) 平移
(b) 倾斜
2.4.3 消像散器
分为机械式消像散器和电磁式消像散器
电磁式消像散器示意图
2.4.4 光阑
TEM三种主要光阑是聚光镜光阑、物镜光阑、选区 光阑。
常选用无磁性的金属 材料制作光阑。
聚光镜光阑的作用是限制照明孔径角，在双聚光 镜系统中，常装在第二聚光镜的下方。 物镜光阑又称衬度光阑，通常安放在物镜的后焦 面上，作用是挡住散射角较大的电子，提高图像 的衬度，另一作用是在后焦面上套取衍射束的斑 点成像。
不同电子枪性能的比较
2.1.1.2 聚光镜
聚光镜用来会聚电子枪 射出的电子束，以最小 的损失照明样品，调节 照明强度、孔径半角和 束斑大小。 一般电镜至少采用双聚 光镜，对于较新的电镜， 很多采用二聚光镜加一 个 mini 聚光镜的模式； 甚至有采用三聚光镜加 一个 mini 聚光镜的情况。
聚光镜示意图
a
b
c
d
a) Si沿[110]方向的Z 衬度像；
b) Ge沿[112]方向的Z衬度像；
c) 图b)的傅立叶变换形式；
d) Ge沿[112]方向的Z衬度像，
点分辨率和线分辨率的测定
Au标样
谢谢！
选区光阑又称场限光阑或视场光阑，一般放在物 镜的像平面上。
2.5 透射电镜分辨本领和放大倍数的测定
分辨率是透射电镜的最主要性能指标，它表征电镜显示亚显 微组织、结构细节的能力。两种指标：
点分辨率—表示电镜所能分辨的两点之间的最小距离；
线分辨率— 表示电镜所能分辨的两条线之间的最小距离，通 常通过拍摄已知晶体的晶格像来测定，又称晶格分辨率。 低放大倍数是通过测定已经光栅来确定，高放大倍数通过已 知晶体的晶格像来确定。
观察时可以通过改变第二聚光镜电流，改变试样的照 射面积； 由于第二聚光镜为弱透镜，增加了聚光镜和样品之间 的距离，有利于安装聚光镜光阑和束偏转线圈等附件。
JEM-3010几种照明光路的比较
2.1.2 成像系统
成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜及物镜光阑和选区 光阑组成。它主要是将穿过试样的电子束在透镜后成像或 成衍射花样，并经过物镜、中间镜和投影镜接力放大。
MT= M0· MI1·MI2· MP 第一中间镜、第二中间镜形成一个复合透镜
低放大倍数 ( ~100-10,000 × )：
关掉第二中间镜，物镜、第一中间镜弱激励。 或者关掉物镜，第一中间镜作物镜，选区光档作物镜光栏。这 种配置衬度好，常用于观察低衬度样品，放大倍数100-1000 ×
为了减小物镜的球差和提高像的衬度，在 物镜后焦面上可安放一个孔径可调的物镜光 阑（最小孔径可以做到 5 微米），物镜光阑 的另一作用是进行暗场及衍衬成像操作。
在新的电镜中，物镜皆由两部分组成，分 为上物镜和下物镜，试样置于上下物镜之间， 上物镜起强聚光作用，下物镜起成象放大作 用。
2.1.2.2中间镜
当采用双聚光镜时，第一聚光镜一般是短焦距强励磁透 镜，作用是将电子枪得到的光斑尽量缩小，第二聚光镜 是长焦距弱透镜，它将第一聚光镜得到的光源会聚到试 样上，一般来说，该透镜对光源起放大作用。采用双聚 光镜的优点在于：
扩大了光斑尺寸的变化范围，在不同的模式下，可以 通过改变第一聚光镜的电流，选择所需要的光斑尺寸； 可以减小试样的照射面积，减少试样的温升；
成像系统
成像模式操作——三种放大倍数范围
高放大倍数 ( ~500,000× )：
MT= M0· MI1·MI2· MP 典型值：M0=50, MI1=3, MI2=15, MP=220 每一级都成放大实像 稍小于500,000×者，减小中间镜放大倍数。
中放大倍数 ( ~10,000-50,000 × )：
2.3 供电系统
透射电镜需要两部分电源：一是供给电子 枪的高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流 部分。 电压的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重 要的标志。加速电压和透镜电流的不稳定将使 电子光学系统产生严重像差，从而使分辨本领 下降。所以对供电系统的主要要求是产生高稳 定的加速电压和各透镜的激磁电流。在所有的 透镜中，物镜激磁电流的稳定度要求也最高。 近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操 作程序控制系统和数据处理的计算机系统
21212121物镜物镜固定一般可通过调节样品高度来微调所以在成像时主要改变焦距f和像距l物镜是物镜是temtem的最关键的部分的最关键的部分其作用是将来自试样不其作用是将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上构成构成含有试样结构信息的含有试样结构信息的散射花样或衍射花样散射花样或衍射花样
中南大学
第二章 透射电镜的结构与 成像原理
材料科学与工程学院 艾 延 龄 E-mail: ylai@
2.1 透射电镜构造原理
透射电镜一般是电子光学系统、真空系统和电 源与控制系统三大部分组成。电子光学系统通常 称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它又可以 分为照明系统、成像系统和观察记录系统。
A、热阴极电子枪
热电子枪由灯丝（阴极）、栅极帽、阳极组成。常用 灯丝为钨丝（如H-800)、LaB6(如JEM-3010)。
自偏转回 路起限制 和稳定束 流的作用
自偏压回路 电子枪内的等电位面
热阴极电子枪处偏压原理 自生偏压原理和饱和工作点
a
b
c
灯丝
阴极 无偏压 最大电流 最佳偏压 中等电流 高偏压 无电流
2.4 主要部件的结构与工作原理
2.4.1样品台
样品杆
样品台有双倾台和单倾台之分，单倾台只能随测角台转 动（ X 轴），双倾台除了可以随测角台转动外，还可以 绕垂直于测角台轴线的Y轴转动。另外样品台按在电镜中 的装入方式还可以分为侧插式和顶插式，不过顶插式用 得很少。
不同样品台的自由度：
侧插式单倾台（4 个自由度）：X、Y 水平平移，Z 轴 垂直移动， 绕X轴转动。 侧插式双倾台（ 5个自由度） ：X、Y水平平移，Z轴 垂直移动，绕X轴转动，绕Y轴转动。 旋转式试样台（ 5个自由度） ：X、Y水平平移，Z轴 垂直移动，绕X轴转动，绕Z轴转动。
2.1.3 观察记录系统
观察和记录装置包括荧光屏、照相机（底 片记录）、TV相机和慢扫描CCD。
不同电镜的荧光屏发光强度是不同的，有的电 镜的荧光屏看起来不亮，但电子的强度是很强 的，比如某些场发射电镜，所以选择曝光时间 时要注意； 照相用的底片是一种对电子束很敏感的感光材 料制成，这种材料对绿光比较敏感，对红光 电子枪
电子枪可分为热阴极电子枪和场发射电子枪。热阴极电子 枪的材料主要有钨丝 (W)和六硼化镧(LaB6)，而场发射电子 枪又可以分为热场发射、冷场发射和 Schottky 场发射， Schottky 场发射也归到热场发射。场发射电子枪的材料必 须是高强度材料，一般采用的是单晶钨，但现在有采用六 硼化镧 (LaB6)的趋势。下一代场发射电子枪的材料极有可 能是碳纳米管。
2.1.2.3 投影镜
投影镜的作用是把经中间镜放大的像(或电子 衍射花样)进一步放大，并投影到荧光屏上， 它也是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激 磁电流是固定的，因为成像电子束进入投影 镜时孔径角很小，所以它的景深和焦长都非 常大。即使电镜的总放大倍数有很大的变化， 也不会影响图像的清晰度。
目前，高性能透射电子显微镜大都采用5级透镜放大， 即中间镜和投影镜各有两级。
TV相机是直接将光信号转变为电信号，反应速 度极快，但不利于记录； 慢扫描 CCD 是最新发展出来的一种记录方式， 反应速度较TV相机慢，但记录十分方便。
2.2 真空系统
电镜真 空系 统一般 是由 机械泵 、油 扩散泵 、离 子泵、 阀门 、真空 测量 仪和管道等部分组成。
如果真空度不够，就会出 现下列问题： 1）高压加不上去 2）成像衬度变差 3）极间放电 4 ）使灯丝迅速氧化， 缩短寿命
电子光学系统
照明系统 成像系统 观察记录
电子枪
聚光镜
物镜
中间镜
投影镜
荧光屏
照相机
CCD相机
2.1.1 照明系统
照明系统由电子枪、聚光镜以及相应的平移、倾转和对中 等调节装置组成，其作用是提供一束亮度高、照明孔径半 角小、平行度好、束流稳定的照明源。为了满足明场和暗 场成像的需要，照明束可以在5度范围内倾转。
B、场发射电子枪
场发射电子枪没有 栅极，由阴极和两 个阳极构成。第一 个阳极主要使电子 发射，第二个阳极 使电子加速和会聚。
枪发射电子枪示意图
发卡型钨灯丝
LaB6灯丝
场发射枪
Comparison of four different emission guns
Beam Source Brightness (Q/cm2sr) Energy Spread (eV) Work Function (eV) Heating Temp. (K) Vacuum (Pa) Life time (hr) Diameter of Crossover (nm) Emission Current (mA) Current Density (A/cm2) Coherence Hair-pin W 105 2.3 4.5 2,800 10-3 200 20,000 80 3 bad LaB6 106 1.5 2.7 1,800 10-5 1000 5,000 50 20 moderate Schottky FEG 108 0.6-0.8 2.6 1,600 10-7 2000 20 100 5x104 good Cold FEG 109 0.3-0.5 4.3 300 10-8 2000 5 10 5x103 excellent
2.1.2.1 物镜
物镜是 TEM的最关键的部分，其作用是将来自试样不 同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成 含有试样结构信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同 一点的不同方向的弹性散射束会聚于其像平面上，构成与 试样组织相对应的显微像。 TEM分辨本领的高低主要取 决于物镜； 物镜是强励磁短焦距的透镜（f ＝1~3mm），物镜的分 辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴 的内孔和上下极靴之间的距离越小，物镜的分辨率越高， 所以高分辨电镜的可倾转角度往往比较小； 现在高分辨电镜的物镜放大倍数一般固定在一定的倍数 （如 50倍），只有在聚焦的时候才改变它的电流。 物距 L1 固定（一般可通过调节样品高度 来微调），所以在成像时，主要改变焦 距f和像距L2来满足成像条件。
2.4.2 电子束倾转与平移装置（电磁偏转器）
(a) 平移
(b) 倾斜
2.4.3 消像散器
分为机械式消像散器和电磁式消像散器
电磁式消像散器示意图
2.4.4 光阑
TEM三种主要光阑是聚光镜光阑、物镜光阑、选区 光阑。
常选用无磁性的金属 材料制作光阑。
聚光镜光阑的作用是限制照明孔径角，在双聚光 镜系统中，常装在第二聚光镜的下方。 物镜光阑又称衬度光阑，通常安放在物镜的后焦 面上，作用是挡住散射角较大的电子，提高图像 的衬度，另一作用是在后焦面上套取衍射束的斑 点成像。
不同电子枪性能的比较
2.1.1.2 聚光镜
聚光镜用来会聚电子枪 射出的电子束，以最小 的损失照明样品，调节 照明强度、孔径半角和 束斑大小。 一般电镜至少采用双聚 光镜，对于较新的电镜， 很多采用二聚光镜加一 个 mini 聚光镜的模式； 甚至有采用三聚光镜加 一个 mini 聚光镜的情况。
聚光镜示意图
a
b
c
d
a) Si沿[110]方向的Z 衬度像；
b) Ge沿[112]方向的Z衬度像；
c) 图b)的傅立叶变换形式；
d) Ge沿[112]方向的Z衬度像，
点分辨率和线分辨率的测定
Au标样
谢谢！
选区光阑又称场限光阑或视场光阑，一般放在物 镜的像平面上。
2.5 透射电镜分辨本领和放大倍数的测定
分辨率是透射电镜的最主要性能指标，它表征电镜显示亚显 微组织、结构细节的能力。两种指标：
点分辨率—表示电镜所能分辨的两点之间的最小距离；
线分辨率— 表示电镜所能分辨的两条线之间的最小距离，通 常通过拍摄已知晶体的晶格像来测定，又称晶格分辨率。 低放大倍数是通过测定已经光栅来确定，高放大倍数通过已 知晶体的晶格像来确定。