透射电镜的构造与工作原理(ppt 57页)

• 透射电子显微镜实际使用 的是具有轴对称非均匀磁 场的短磁透镜。
• 短磁透镜通常是由圆柱壳 子、短线圈和极靴组件三 个部分组成。圆柱壳子由 软磁材料做成，内有环形 间隙。短线圈由铜做成， 装在软磁壳子里。极靴组 件由具有同轴圆孔的上下 极靴和连接筒组成，套在 软磁壳内环形间隙两端。 当铜线圈通电时，在极靴 圆孔内产生一个非均匀的 轴对称磁场。见图3-14。
转。物与像之间的相对旋转也 可以通过引入另外的透镜来抵
图3-15 短磁透镜的聚焦作用示意图
消。
（二）电磁透镜的光学性质
1．电子光路和光学参量
• 在光学透镜中，有三个重要的平面，即物平面、像平面和 焦面
• 得到三个重要的距离，即物距u、像距v和焦距f。三者之 间的关系由牛顿透镜方程描述：
11 1 uv f
一、 电磁透镜
• 两种电子透镜:静电透镜和电磁透镜。实际上除了 电子枪使用静电透镜外，其它部分均使用电磁透 镜聚焦放大。
• 电磁透镜具有与玻璃透镜相似的光学特性，如焦 距，发散角，球差，色差等等。
• 仪器的性能和图像质量主要取决于电子透镜的性 能与质量。通过调整电子透镜的工作参数和相应 的透镜光阑尺寸来控制电子图像和分析信号的质 量。
图3-14 电磁透镜示意图 1水冷却的表面；2冷却水进出口； 3软磁极靴组件；4 铜线圈 ；5电子束
6电源，7间隙，8极靴圆孔
短磁透镜的聚焦作用
• 电子在非均匀轴对称磁场中运动时，同时受到使其 旋转的作用力和使其向轴偏转的作用力，结果使电 子作圆锥螺旋运动，像与物相对旋转了一个角度。
• 的大小取决于透镜的电子加 速电压与磁场强度。磁场强度
2．孔径半角和透镜光阑
• 大多数散射电子是 前散射电子，因此 很大比例的电子束 可以进入电磁透镜 磁场参与成像。
• 主轴上物点发射的 电子束对电磁透镜
张开的半角定义为
收集半角，在像点 会聚电子束对透镜
张开的半角称为会
聚半角。透镜的放
大倍数近似等于/。
• 称为透镜孔径半角：非常重要，控制着照明电
（3-47）
• 在透射电镜中，物距总是大于焦距，因此我们不考虑虚象 的形成。
• 凸透镜的放大倍数由像距和物距之比确定，由牛顿透镜方 程可以导出如下关系：
Mv f vf u uf f （3-48）
透镜磁场对透镜焦距和放大倍数的影响
透镜的焦距与透射电
物平面
镜的工作电压和磁场
强度有关。在一定电
• 但对于一定型号的透射电镜，电磁透镜的 类型和规格都已确定，透镜磁场强度的改 变是通过调节电磁线圈激磁电流来实现。
• 而对于使用者来说，只需要调节电磁透镜 电流就可以获得不同的放大倍数。
调节电磁透镜电流控制 透镜的聚焦状态
物平面 透镜
焦平面
（a）过焦
（b）聚焦
（c）欠焦
图3-17 透镜的聚焦状态
3.3透射电镜的构造与工作原理
组成：照明系统，成像系统，显像和记录系统， 真空系统，供电系统。
照明系统由电子枪和聚光镜系统组成，其功能是 为成像系统提供一束平行的、相干的、并且亮度大 尺寸小的电子束。
成像系统由物镜系统、中间镜（投影镜）系统组 成。对于不同性能的电镜，中间镜和投影镜的数量 不同。
90，电子运动速度
分解为垂直于B的分 量v1和平行于B的分 量v2：
v1vsinθ v2 vcoθs
v1使电子作垂直于磁 场强度的圆周运动，
v2使电子平行于光轴 沿z方向作匀速直线运 动，电子合成的运动 轨迹为一条螺旋线。
图3-13 • 考虑电子在均匀磁场中的运动。通电流的长螺线管可以产 生一个均匀轴对称磁场，这个均匀磁场称为长磁透镜。在 均匀磁场中，只有轴向磁场B。当电子运动方向与磁场方
向垂直时，即=90，作用在电子上的力：
F evB mv2 r
式中 r——电子离光轴的径向距离； m——电子质量。
（3-46）
• 如果电子运动方向与 磁场方向成一的角度
u
子加速电压下，透镜
透镜
的焦距取决于透镜磁
场强度，磁场强度越 大，磁场对电子折射 越强，透镜焦距越短， 放大倍数越小
v1
v2
像平面（1）
像平面（2）
f1 f2
光轴 图3-16 透镜磁场对透镜焦距和放大倍数的影响
• 透镜磁场强度与透镜设计参数有关。其中 极靴内孔、上下极靴之间的间隙和线圈匝 数是重要的参数。
（一）电磁透镜的聚 焦成像原理
Fq(vB)
• 洛伦茨力:
v
Fq(vB)
B
F-e(vB)
F-e(vB)
图3-11 带电粒子在磁场中
• 若v和B之间的夹角
为，F的大小为，
作用力的大小为：
受力的右手定则 B
r F
FevsB iθn
v
3-12 电子在均匀磁场中的运动 （=90）
什么样的磁场能够使电子聚焦成像
显像和记录系统由荧光屏和照相装置组成。
图3-10 TEM镜筒工作原理简化示意图 electron source电子源，conderser lens 聚光镜，condenser aperture聚光镜光 阑，sample试样，objective lens物镜， objective aperture物镜光阑， projector lens投影镜，screen荧屏
越大，越大；加速电压越大，
电子速度越大，越小。的符
号取决于磁场强度方向,而磁场
强度方向取决于线圈电流方向。 A
B
• 在不同放大倍数下,像相对物的 旋转角不同。
Br
P vz
• 对于一般的图像观察,不需要考 虑像的旋转，但在进行晶体学
Bz vr
研究时，必须考虑在不同倍数
下像相对于衍射花样的相对旋
• 电磁透镜光阑是由Pt或 Mo做成的、中心为可变 圆孔的金属圆盘，或者是 具有一系列不同孔径的金 属片，如图。孔径大小的 范围为10-300m。光阑 可以位于透镜磁场上方、 下方或磁场中。
子束的平行相干性和电子图像的分辨率和衬度。
小的照明孔径半角，电子束的平行性和相干性都
较高。
物镜孔径半角大小决定了被物镜收集的电子束部
分即参与成像的电子数量。散射角小于物镜孔径
半角的电子能够进入电磁透镜磁场参与成像，散
射角大于物镜孔径半角的电子不能被电磁透镜收
集。
光阑
• 透镜孔径半角取决于透镜 光阑孔径大小。在透射电 子显微镜中有三个光阑， 聚光镜光阑、物镜光阑和 选区光阑，分别用于控制 会聚在试样表面的电子束 大小和选择用于成像的电 子束。