材料测试第三章电子显微分析-透射电镜
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（2）成像系统(物镜、中间镜、投影镜和样品室)
物镜、中间镜和投影镜现也都采用磁透镜。它们和样品 室构成成像系统，作用是安置样品、放大成像。
(1) 物镜
TEM分辨率的高低主要取决于物镜。
物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有一定分辨本领的 放大电子像。这幅像的任何缺陷都将被其他透镜进一步放大， 所以透射电镜的分辨本领就取决于物镜的分辨本领。因此，要 求物镜有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽量小的 像差。磁透镜最大放大倍数为200倍，最大分辨本领为0.1nm。
17
聚光镜
由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，电子束穿过阳 极后，逐渐变粗，照射到试样上仍然过大。
聚光镜的作用：聚光镜大多是磁透镜，其作用是将来自电子枪的 电子束汇聚到被观察的样品上，并通过它来控制照明强度、照明 孔径角和束斑大小。
高性能透射电镜都采用双聚光镜系统。这种系统由第一聚光 镜(强激磁透镜)和第二聚光镜(弱激磁透镜)组成。
2
电子波的波长取决于电子运动的速度和质量
德布罗意公式：
h
mv
初速度为0，自由电子从零电位达到电位为U (单位为v)
的电场时电子获得的能量是eU，根据能量守恒原理：
1mv2 eUv 2eU
2
m
对于电子来说，这里, m 是电子质量［kg］， v 是电子运动的速
度［m·s-1］，普朗克常数 h =6.626×10-34J·S，e为电子的电荷
13
普通光学显微镜与TEM工作原理的比较
14
表1 光学显微镜与透射电镜的比较
比较部分
光学显微镜
透射电镜
光源 照明控制
可见光(日光、电灯光) 玻璃聚光镜
电子源(电子枪) 电子聚光镜
样本 放大成象系统
1mm厚的载玻片 玻璃透镜
约10nm厚的薄膜 电子透镜
介质
空气和玻璃
高度真空
像的观察
直接用眼
利用荧光屏
阴极
电子枪
栅极 阳极
照明系统的组成： ①电子枪； ②聚光镜。
电子束 聚光镜
16
试样
电子枪
电子枪是一种静电透镜，它能使阴极发射的电子会聚，得到 一个小于100μm的电子束斑。其重要性仅次于物镜。决定像的亮 度、图像稳定性和穿透样品的能力。所以相应地要求其亮度、发 射稳定度和加速电压都要高。最常用的加速电压为50-100kV，近 来超高电压电镜的加速电压已达数千kV。
电子枪 照明系统
成像系统
图像观察和记录系统
10
根据这些装置的功能不同，可将电子光学部分 （镜筒）分为照明、成像及图像观察和记录三个系统。 （1）照明系统：电子枪、聚光镜 （2）成像系统：样品室、物镜、中间镜和投影镜 （3）图像观察和记录系统：荧光屏和照相装置
透镜电镜:是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所 产生的物像， 投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。
体结构或位向差别的多种信息。
12
透过样品的电子束强度，其取决于样品微区厚度、 平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息，经 过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些信息的 透射电子像。
经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得 到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感 光板或胶卷上。
透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似的。
电子光学系统（镜 筒）一般由电子枪，聚 光镜、物镜、中间镜和 投影镜等电子透镜、样 品室和荧光屏组成。
电子 光学 系统
物镜
电子枪 聚光镜 样品室 放大镜 观察室
9
基于对机械
稳定性的考虑， 透射电镜的镜筒 一般是直立积木 式结构（自上而 下）：电子枪， 聚光镜，样品室、 物镜、中间镜和 投影镜，荧光屏 和照相装置。
=1.602×10-19C
3
• 当电子速度较低时（电子速度v 远远小于光速C 时），m接近电子静止质量m0。
由上述两式整理得：
h
2em0U
• 结论：电子波波长λ与加速电压U成反比，加速电压 越高，电子运动速度v越大，λ越短。
• 超高压的电子显微镜其电子束的波长更短，所以会
有更高的分辨率。
4
将常数m0和e代入上式，并注意到电子电荷 e 的 单位为库仑， h的单位为J·s，我们将得到：
聚焦方法
移动透镜
改变线圈电流或电压
分辨本领 有效放大倍数 物镜孔径角
景深
200nm 103× 约700 较小
0.2~0.3nm 106× ＜10 较大
焦长 像的记录
较短 照相底板
较长
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照相底板
（1） 照明系统(电子枪、聚光镜)
照明系统的作用： ① 提供照明源，控制其稳定度、照明强度和照明孔径角； ② 选择照明方式(明场或暗场成像)。
7
1、透射电镜的工作原理和特点
透射电镜主要由四部分组成 （1）电子光学系统(镜筒) （2）电源系统 （3）真空系统 （4）操作控制系统
其中电子光学系统(镜筒) 是主要组成部分。为保证机 械稳定性，各部分以直立积 木式结构搭建。
电子 光学 系统
物镜
电子枪 聚光镜 样品室 放大镜 观察室
8
电子光学系统（镜筒）
11
电子显微镜的工作原理：
透射电镜，通常采用热阴
极电子枪来获得电子束作为照
透 射
明源。
电
热阴极发射的电子，在阳
子 显
极加速电压的作用下，高速穿
微 镜
过阳极孔，然后被聚光镜会聚
光
成具有一定直径的束斑照到样
学 结
品上。
构
具有一定能量的电子束与
示 意
样品发生作用，产生反映样品
图
微区厚度、平均原子序数、晶
1.2265
U
［nm］
表5-1不同加速电压下的电子波长
加速电压/kV 20 30 50 100 200 500 1000 电子波长/10-3nm 8.59 6.98 5.36 3.70 2.51 1.42 0.687
• 不同加速电压下的电子波波长见表5-1。目前TEM常用加速电压
在100kV-1000kV，电子波波长范围在0.00371nm-0.00087nm。比
透射电子显微镜（TEM）
1
➢电子显微镜的理论基础
显微镜的分辨率与光的波长有关，波长越小，分辨率越高； 由于太阳光波长较大，因此光学显微镜的分辨率一直不高。于是， 人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。X射线和γ 射线虽然波长短，但不能聚焦。
随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜的 一种新的照明源 — 电子束被发现了。
可见光短了约5个数量级。
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来自百度文库
透射电子显微镜TEM
放大倍数:20x～370kx 点分辨率:049nm 线分辨率:0.34nm 加速电压：20kv～120kv FEI电子光学有限公司
6
1、透射电镜的工作原理和特点
透射电镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电子 透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电 子光学仪器。
（2）成像系统(物镜、中间镜、投影镜和样品室)
物镜、中间镜和投影镜现也都采用磁透镜。它们和样品 室构成成像系统，作用是安置样品、放大成像。
(1) 物镜
TEM分辨率的高低主要取决于物镜。
物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有一定分辨本领的 放大电子像。这幅像的任何缺陷都将被其他透镜进一步放大， 所以透射电镜的分辨本领就取决于物镜的分辨本领。因此，要 求物镜有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽量小的 像差。磁透镜最大放大倍数为200倍，最大分辨本领为0.1nm。
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聚光镜
由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，电子束穿过阳 极后，逐渐变粗，照射到试样上仍然过大。
聚光镜的作用：聚光镜大多是磁透镜，其作用是将来自电子枪的 电子束汇聚到被观察的样品上，并通过它来控制照明强度、照明 孔径角和束斑大小。
高性能透射电镜都采用双聚光镜系统。这种系统由第一聚光 镜(强激磁透镜)和第二聚光镜(弱激磁透镜)组成。
2
电子波的波长取决于电子运动的速度和质量
德布罗意公式：
h
mv
初速度为0，自由电子从零电位达到电位为U (单位为v)
的电场时电子获得的能量是eU，根据能量守恒原理：
1mv2 eUv 2eU
2
m
对于电子来说，这里, m 是电子质量［kg］， v 是电子运动的速
度［m·s-1］，普朗克常数 h =6.626×10-34J·S，e为电子的电荷
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普通光学显微镜与TEM工作原理的比较
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表1 光学显微镜与透射电镜的比较
比较部分
光学显微镜
透射电镜
光源 照明控制
可见光(日光、电灯光) 玻璃聚光镜
电子源(电子枪) 电子聚光镜
样本 放大成象系统
1mm厚的载玻片 玻璃透镜
约10nm厚的薄膜 电子透镜
介质
空气和玻璃
高度真空
像的观察
直接用眼
利用荧光屏
阴极
电子枪
栅极 阳极
照明系统的组成： ①电子枪； ②聚光镜。
电子束 聚光镜
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试样
电子枪
电子枪是一种静电透镜，它能使阴极发射的电子会聚，得到 一个小于100μm的电子束斑。其重要性仅次于物镜。决定像的亮 度、图像稳定性和穿透样品的能力。所以相应地要求其亮度、发 射稳定度和加速电压都要高。最常用的加速电压为50-100kV，近 来超高电压电镜的加速电压已达数千kV。
电子枪 照明系统
成像系统
图像观察和记录系统
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根据这些装置的功能不同，可将电子光学部分 （镜筒）分为照明、成像及图像观察和记录三个系统。 （1）照明系统：电子枪、聚光镜 （2）成像系统：样品室、物镜、中间镜和投影镜 （3）图像观察和记录系统：荧光屏和照相装置
透镜电镜:是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所 产生的物像， 投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。
体结构或位向差别的多种信息。
12
透过样品的电子束强度，其取决于样品微区厚度、 平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息，经 过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些信息的 透射电子像。
经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得 到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感 光板或胶卷上。
透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似的。
电子光学系统（镜 筒）一般由电子枪，聚 光镜、物镜、中间镜和 投影镜等电子透镜、样 品室和荧光屏组成。
电子 光学 系统
物镜
电子枪 聚光镜 样品室 放大镜 观察室
9
基于对机械
稳定性的考虑， 透射电镜的镜筒 一般是直立积木 式结构（自上而 下）：电子枪， 聚光镜，样品室、 物镜、中间镜和 投影镜，荧光屏 和照相装置。
=1.602×10-19C
3
• 当电子速度较低时（电子速度v 远远小于光速C 时），m接近电子静止质量m0。
由上述两式整理得：
h
2em0U
• 结论：电子波波长λ与加速电压U成反比，加速电压 越高，电子运动速度v越大，λ越短。
• 超高压的电子显微镜其电子束的波长更短，所以会
有更高的分辨率。
4
将常数m0和e代入上式，并注意到电子电荷 e 的 单位为库仑， h的单位为J·s，我们将得到：
聚焦方法
移动透镜
改变线圈电流或电压
分辨本领 有效放大倍数 物镜孔径角
景深
200nm 103× 约700 较小
0.2~0.3nm 106× ＜10 较大
焦长 像的记录
较短 照相底板
较长
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照相底板
（1） 照明系统(电子枪、聚光镜)
照明系统的作用： ① 提供照明源，控制其稳定度、照明强度和照明孔径角； ② 选择照明方式(明场或暗场成像)。
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1、透射电镜的工作原理和特点
透射电镜主要由四部分组成 （1）电子光学系统(镜筒) （2）电源系统 （3）真空系统 （4）操作控制系统
其中电子光学系统(镜筒) 是主要组成部分。为保证机 械稳定性，各部分以直立积 木式结构搭建。
电子 光学 系统
物镜
电子枪 聚光镜 样品室 放大镜 观察室
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电子光学系统（镜筒）
11
电子显微镜的工作原理：
透射电镜，通常采用热阴
极电子枪来获得电子束作为照
透 射
明源。
电
热阴极发射的电子，在阳
子 显
极加速电压的作用下，高速穿
微 镜
过阳极孔，然后被聚光镜会聚
光
成具有一定直径的束斑照到样
学 结
品上。
构
具有一定能量的电子束与
示 意
样品发生作用，产生反映样品
图
微区厚度、平均原子序数、晶
1.2265
U
［nm］
表5-1不同加速电压下的电子波长
加速电压/kV 20 30 50 100 200 500 1000 电子波长/10-3nm 8.59 6.98 5.36 3.70 2.51 1.42 0.687
• 不同加速电压下的电子波波长见表5-1。目前TEM常用加速电压
在100kV-1000kV，电子波波长范围在0.00371nm-0.00087nm。比
透射电子显微镜（TEM）
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➢电子显微镜的理论基础
显微镜的分辨率与光的波长有关，波长越小，分辨率越高； 由于太阳光波长较大，因此光学显微镜的分辨率一直不高。于是， 人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。X射线和γ 射线虽然波长短，但不能聚焦。
随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜的 一种新的照明源 — 电子束被发现了。
可见光短了约5个数量级。
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来自百度文库
透射电子显微镜TEM
放大倍数:20x～370kx 点分辨率:049nm 线分辨率:0.34nm 加速电压：20kv～120kv FEI电子光学有限公司
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1、透射电镜的工作原理和特点
透射电镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电子 透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电 子光学仪器。