第二篇材料电子显微分析

U / kV 80 100 120
/ nm
0.00418 0.00371 0.00334
U / kV 200 500 1000
/ nm
0.00251 0.00142 0.00087
•电磁透镜
电子显微镜中利用磁场使电子波聚焦成像的装置称电磁透镜
如图8-1 示，通电的短线圈 是 最简单的电磁透镜，形成一 种轴对称不均匀的磁场。
第二篇 材料电子显微分析
电子显微镜观察和分析材料的组织结构，称为电子显微分 析技术
电子显微镜是以电子束为光源的显微分析仪器，主要包括 ：透射电子显微镜、扫描电子显微镜和电子探针
电子显微镜的分辨率很高，目前透射电子显微镜的分辨率 已优于0.1nm，达到了原子尺度
电子显微镜的分析功能很多，目前一台电子显微镜可兼有 微观组织形貌、晶体结构、微区成分等多种分析功能
分辨率：指物体上所分辨的两个物点的最小间距。
r 0 1
2
可见光的最短波长是390nm，也就是说光学显微镜的最高分 辨率是≈200nm。一般人眼的分辨本领是大约0.2mm，光学显 微镜的最大分辨率大约是0.2μm。把0.2μm放大到0.2mm,放 大倍数是1000倍。这个放大倍数称之为有效放大倍数。光学 显微镜的分辨率在0.2μm时，其有效放大倍数是1000倍。 提高透镜的分辨本领：唯有寻找比可见光波长更短的，又能 聚焦成相的照明光源才能解决这个问题。
第一台电子显微镜于20世纪30年代问世，经历了几个阶段 的发展，使电子显微分析技术已成为材料科学等研究领域 中最重要的分析手段之一
第六章 电子光学基础
第一节 电子波与电磁透镜
•光学显微镜的分辨率极限
一个世纪以来，人们一直用光学显微镜来揭示材料的显 微组织，借以弄清楚结构与性能的内在联系。但光学显 微镜的分辨本领有限，对诸如合金中的G.P. 区 （G. P. 区是合金的固溶体在沉淀过程中,生成的溶质原子偏聚区, 只有几纳米）无能为力。
稳定加速电压和透镜电流可减小色差，使用薄试样和小孔径 光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，将有助于减小色差。
4.球差系数和色差系数
球差系数和色差系数CS 和 CC是电磁透镜的指标之一，其大小
除了与透镜结构、 极靴形状和加工精度等有关外， 还受激
磁电流的影响，CS 和CC 均随透镜激磁电流的增大而减小，如
（8-6）
f
M
放大倍1数LM1 由1 （f 18-7）计算
d)
f
f KM
LU1 r fL2
（8-7）
M (INLf1)2 f
焦距 f 可L由1 下f 式近似计算
e)
f
K
Ur (IN )2
（8-8）
式中，K是常数；Ur 为经校正的加速电压；IN 为磁安匝数
第二节 电磁透镜的像差和分辨率
•像差
电磁透镜像差分为两类，即几何像差和色差 1. 几何像差包括球差和像散。球差是由于透镜中心区域和边
加速电压的稳定性及电子穿过
样品发生非弹性散射的程度。
可通过稳定加速电压来减小色
差。 若放大倍数M， rC与像平
面上最小散焦斑半径RC的关系为
rc
Rc M
图8-6 色差
引起电子束能量变化的主要有两个原因：
•一是电子的加速电压不稳定 • 二是电子束照射到试样时和试样相互作用，一部分电子 发生非弹性散射，致使电子的能量发生变化。
焦能力出现差别而引起的，用rA表示像散对分辨率影响的
大小
rA fA
(8-10)
式中，fA为磁场出现非旋转对称时的焦距差； 是孔径半
角。通过引入强度和方位均可调节的矫正磁场消除像散。
若透镜放大倍数M、像散与像平面上最小散焦斑半径 RA的关
系为
rA
RA M
图8-5 像散
fA 为像散引起的最大焦距差。透镜磁场不对称，可能是由
缘区域对电子折射能力不同形成的；像散是由于透镜磁场 非旋转对称性引起不同方向的聚焦能力出现差别
2. 色差是波长不同的多色光引起的差别。色差是透镜对能量 不同电子的聚焦能力的差别引起的
下面将分别讨论球差、像散和色差形成的原因，以及消除或 减小这些像差的途径
1.球差
如图8-4，球差是由于透镜中心区域和边缘区域对电子的折射
1 m 2 eU
2
2eU
m
h
2emU
若被150伏的电压加速的电子束，依据
h 2emU
＝ 0.1nm,
若加速电压很高，就应进行相对论修正(m 需经相对论校正)。
m m0
1 v c2
表8-1 不同加速电压下电子波的波长(经相对论校正)
U / kV 20 40 60
/ nm
0.00859 0.00601 0.00487
•电子波的波长特性
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
电子具有微粒性，也具有波动性。电子波的波长
h
mv
h —— Plank 常数 ，6.63×10-34J﹒S m —— 9.1×10-34g
ν —— 电子速度
电子速度与加速电压U之间存在下面关系
于极靴被污染，或极靴的机械不对称性，或百度文库靴材料各向 磁导率差异引起。像散可由附加的消像散器来校正。
3.色差 如图8-6 ， 色差是由于入射电子波长(或能量)的非单一性,
导致聚焦能力的差别所造成的，用rC表示色差对分辨率影响
的大小
rc
Cc
E E
(8-11)
式中，Cc是色差系数；E/E 为电子能量变化率，其取决于
能力不同而形成的，用 rs表示球差影响分辨率的大小
式中，CS为球差系数rs ； 14
Cs 3 (8-9)
是孔径半角。 减小球差的途径是减
小CS和小孔径角成像。若透镜放大倍数为M，球差与像平面上
最小散焦斑半径RS的关系为
rs
RS M
图8-4 球差
2.像散
如图8-5， 像散是由于透镜磁的非旋转对称导致不同方向聚
图8-7所示 可见，若要减小电磁透镜的像 差，透镜线圈应尽可能通以大 的激磁电流
图8-7 激磁电流对透镜球差 系数Cs和色差系数Cc的影响
速度v 的电子平行进入透镜，
a)
在 A点受Br的作用，产生切向
b)
力Ft 而获得切向速度Vt ；在Bz
分量作用下，形成使电子向主
轴靠近的径向力Fr，而使电子
作螺旋近轴运动
c)
比较图8-1d、e可见，电磁透镜对平行主轴的电子束的聚焦
与玻璃透镜相似，其物距L1、像距L2、焦距 f 的关系为
111 f L1 L2