电子显微镜原理
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波长取决于速度 低速电子易会聚 高速电子不易会聚 不完全对称引起 消像散器(stigmator)消除
● 畸变(distortion)
● 枕形畸变：周边大于中央 ● 桶形畸变：周边小于中央 ● 扭曲畸变：
第 三 节 透 镜 的 基 本 结 构
电 子 光 学 系 统 （ 镜 筒 ）
一、电子光学系统
（一）、照明系统
● 电子枪(electron gun)
阴极： v型钨丝 栅极：控制阴极发射电子的数目 阳极：使电子加速
● 聚光镜(condenser, CL)
聚焦电子束至样品上，控制照明亮度、电子束斑的大 小及孔径角 组成：聚光镜，聚光镜光阑，偏转线圈，消像散器 ●第一聚光镜 强磁透镜，将光斑缩小到1μm左右 ●第二聚光镜 弱磁透镜，长焦距， 把 缩 小 光 斑放大并聚集在样品上 ，得到2-3μm 的 照明光斑
●质量厚度(mass-thickness)
（样品厚度与密度的乘积）
大，散射角大，被光阑挡住， 小，散射角小
暗区 亮区
●
物镜光阑孔
小 反差大
五、电镜的像差(aberration)
● 球差(spheric aberration)
不能把所有入射光线聚向共同焦点
● 像散(astigmatism) ● 色差(chromatic aberration)
光镜：样品中不同物质对光的吸收差别
电镜（透镜）：
电磁透镜使电子聚焦
聚光镜系统的电子透镜使电子束聚焦在样
品上，
经成像系统的电子透镜放大，聚焦成像。
决定像衬度的主要因素是样品对入射电子
的散射。
（一）、电子透镜
● 匀磁场对运动电子的作用 F=–e· νH F ——洛仑兹力 e ——电子电荷 ν——运动电子的初速度 H ——匀磁场中磁场强度 ν∥H时 F=0 匀速直线运动 ν┴H时 ν值不变，但方向变 匀速圆周运 动 ν与H成α夹角时 螺旋线运动 ● 电子透镜对运动电子的会聚作用 非均匀磁场使电子束会聚 ● 电子获切向速度作圆周运动 ● 平行轴向磁场的分量使电子向轴心偏转
第 五 节 电 镜 的 发 展 及 应 用
1924 法 德.布罗意 快速运动的电子具波动性 λ=h/mv 代入ev=mv2/2 得到λ2=1.2262/v 1926 德 布许 高速运动的电子在电场和磁场中发生折射且被聚焦 波动性和可折射性——电镜的理论基础
一、电镜的发展
1931 德 Knoll Ruska 第一台TEM 13倍 1934 Ruska 将分辨率提高到50nm 1937 Dulast 25nm 1939 Ruska 商品电镜 70年代以来 0.3nm 1942 M Mullan 第一台SEM 1965 商品SEM 50~100nm 目前3~6nm 1988 日 田中敬一 放大40万倍的爱滋病病毒的SEM图象
二、分辨率与放大倍率
● 分辨率(resolution) 能清楚分开的两点间的最小距离 阿贝公式: d=0.612λ∕n*sinα d——分辨率 λ——入射光的波长 n——透镜与物体间介质的折射系数 α——物体与物镜间所成夹角的1/2 0.612——常数
d=λ/2
● 放大倍率 像/物 m显微镜=d人眼/d显微镜 mLM=1000× mEM=1000000× ● 有效放大倍数(useful magnification, Mu) d人眼/d显微镜 ● 空放大
∴标志电镜性能的主要指标是分辨率而不是放大倍
三、电镜的照明系统 （电子束的产生）
顶部的电子枪（三极式）
●热阴极（灯丝）
热电子发射
●栅极（控制极）
控制阴极发射电子的数目
●阳极（加速极）
使电子加速
电 子 枪 的 结 构
四、透镜的成像原理
（一）、电子透镜 （二）、电子散射
（三）、透镜图像反差的形成
电子与样品原子和电子之间相互作用而引 起的路径或能量发生变化或两者兼而发生
● 弹性散射(elastic scattering)
电子—核 轨道偏转大，能量转移小 ● 非弹性散射(inelastic scattering) 电子—电子 能量损失大，方向改变小
（三）、透镜图象反差的形成
反差(contrast)：像与背景亮度上的差别，是成像的 必备条件
二、电镜的应用
透镜：超薄切片——负染技术、电镜放射自显影技术、免疫电镜技术 扫描电镜：常规技术——生物样品内部结构冷冻割断技术 高分辨扫描电镜技术、管道铸造技术 目前 已超出形态学范围，而与物理、化学、生化、计算机等学科发生了 内在联系，成为生物学、基础医学、临床医学、农林科学等的研究手段 近10年: 电镜附件X-射线微区分析 电镜图象处理 用于医学：分析电镜，超高压电镜，环境扫描电镜，扫描探针显微镜
∴电子作圆锥螺旋运动
以任意角度发射的两个电子通过磁透镜
电磁透镜会聚作用示意图
电子在非匀磁透镜中的运动轨迹1：100
焦距 ∝ 1/磁场强度2 ∝ 1/（IN）2 磁场强度 ∝ IN
磁场强度↑ 焦距↓ 放大倍数↑
调节电流可以改变磁场强度， 从而改变放大倍数和进行图象调焦
（二）、电子散射
(electron scattering)
电子显微镜原理
电子显微镜：
(electron microscope )
以电子束作为“光源”，利用电 磁 透镜成像，并与一定的机械装置、电 子和高真空技术相结合，所构成的现
代化、综合性精密电子光学仪器。
透 射 式 电 子 显 微 镜
第一节 电镜的类型
源自文库
※ 第二节 电镜的基本概念与工作原理
※ 第三节 透镜的构造 第四节 电镜与光镜的比较
四级成像放大系统:
M总=M物×M中1×M中2×M投
M总=M物×M中×M投1×M投2
（三）、观察记录系统
荧光屏
双目放大镜
二 真空排气系统
使镜筒处于高真空10-4托(Torr)以上 二级真空泵 ● 机械泵：10-2托 ● 油扩散泵或离子聚集泵：10-5托
三 电路系统（电源供电系统）
● 灯丝加热电源：高频或直流
形态学分析阶段—定性、定量分析
思 考 3、透镜的成像原理。 题 4、电镜的像差。 ：
1、简单了解电镜的分类及特点。 2、为什麽说标志电镜性能的主要指标是 分辨率而不是放大倍数？
5、透镜的镜筒由哪几部分组成？各自的 主要作用。 6、电镜与光镜的比较。 7、概念比较：像差与反差；球差与色差
弹性散射与非弹性散射
第五节 电镜的发展与应用
第一节 电镜的类型
● 透射式电子显微镜 （transmission electron microscope ,TEM） ●扫描式电子显微镜 (scanning electron microscope,SEM) ●分析型电子显微镜 (analysis electron microscope,AEM)
●
●
电子加速高压电源：电流很小
透镜励磁电源：电流很大
第四节电镜与光镜的比较
光镜
TEM
电镜
SEM
照明 可见光 电子束 波长 750nm（可见光）—200nmn（紫外光） 0.859nm（20Kv）—0.37nm（100Kv） 透镜 玻璃透镜 电磁透镜 分辨率 200nm 0.2nm 1~10nm 放大倍率 1000倍 80~100万倍 20~40万倍 景深 浅 中等 深 聚焦 机械 电聚焦 成像原理 光线吸收为主 电子散射作用 二次电子信息 成像方式 直接成像 荧光屏成像 显象管间接成像 图象颜色 彩色 黑白 样品环境 空气 高真空 样品制作 简便 复杂 较复杂
● 其它 ● 超高压电镜（UHTEM） ● 电子探针(electron Probe Micro Analyzer) ● 扫描透射电子显微镜（STEM） ● 环境扫描电子显微镜（ESEM）
透射电镜与扫描电镜
● 透射式电子显微镜
电子束透过样品直接成 像
● 扫描式电子显微镜
电子束照射在样品上产 生二次电子，收集二次 电子信息放大成像
电 子 枪 的 结 构
（二）、成像系统(imaging system) ● 样品室 3mm铜网支载 ● 物镜(objective lens,OL) 最重要的部分，决定着电镜的分辨本领和成像质量 作用：将样品信息作初步放大（50倍）
物镜可动光阑：可限制电子束孔径角，以减少球面像差，
增加图象反差 消像散器：校正、消除像散 ● 中间镜(intermediate lens, IL) 焦距较长，弱透镜，将经物镜放大的电子像二次放大 ● 投影镜(projector lens, PL) 高倍镜，强透镜，使中间像放大后在荧光屏上成像
加速电压：40KV以下
加速电压：50-100KV 样品厚度：1-100nm
TEM
分辨率 放大倍数 0.2-0.3nm 80万
SEM
3-6nm 20万
制样技术
图象特征 应用范围
超薄切片为主
二维平面结构 超微结构
样品表面观察
三维立体结构 生物样品表面、
断面立体形貌
第二节 电镜的基本概念 与工作原理
一、电镜的计量单位 LM: μm(micrometer) EM: nm(nanometer) 二、分辨率与放大倍率 三、电镜的照明系统（电子束的产生） 四、透镜的成像原理 五、电镜的像差(aberration)
● 畸变(distortion)
● 枕形畸变：周边大于中央 ● 桶形畸变：周边小于中央 ● 扭曲畸变：
第 三 节 透 镜 的 基 本 结 构
电 子 光 学 系 统 （ 镜 筒 ）
一、电子光学系统
（一）、照明系统
● 电子枪(electron gun)
阴极： v型钨丝 栅极：控制阴极发射电子的数目 阳极：使电子加速
● 聚光镜(condenser, CL)
聚焦电子束至样品上，控制照明亮度、电子束斑的大 小及孔径角 组成：聚光镜，聚光镜光阑，偏转线圈，消像散器 ●第一聚光镜 强磁透镜，将光斑缩小到1μm左右 ●第二聚光镜 弱磁透镜，长焦距， 把 缩 小 光 斑放大并聚集在样品上 ，得到2-3μm 的 照明光斑
●质量厚度(mass-thickness)
（样品厚度与密度的乘积）
大，散射角大，被光阑挡住， 小，散射角小
暗区 亮区
●
物镜光阑孔
小 反差大
五、电镜的像差(aberration)
● 球差(spheric aberration)
不能把所有入射光线聚向共同焦点
● 像散(astigmatism) ● 色差(chromatic aberration)
光镜：样品中不同物质对光的吸收差别
电镜（透镜）：
电磁透镜使电子聚焦
聚光镜系统的电子透镜使电子束聚焦在样
品上，
经成像系统的电子透镜放大，聚焦成像。
决定像衬度的主要因素是样品对入射电子
的散射。
（一）、电子透镜
● 匀磁场对运动电子的作用 F=–e· νH F ——洛仑兹力 e ——电子电荷 ν——运动电子的初速度 H ——匀磁场中磁场强度 ν∥H时 F=0 匀速直线运动 ν┴H时 ν值不变，但方向变 匀速圆周运 动 ν与H成α夹角时 螺旋线运动 ● 电子透镜对运动电子的会聚作用 非均匀磁场使电子束会聚 ● 电子获切向速度作圆周运动 ● 平行轴向磁场的分量使电子向轴心偏转
第 五 节 电 镜 的 发 展 及 应 用
1924 法 德.布罗意 快速运动的电子具波动性 λ=h/mv 代入ev=mv2/2 得到λ2=1.2262/v 1926 德 布许 高速运动的电子在电场和磁场中发生折射且被聚焦 波动性和可折射性——电镜的理论基础
一、电镜的发展
1931 德 Knoll Ruska 第一台TEM 13倍 1934 Ruska 将分辨率提高到50nm 1937 Dulast 25nm 1939 Ruska 商品电镜 70年代以来 0.3nm 1942 M Mullan 第一台SEM 1965 商品SEM 50~100nm 目前3~6nm 1988 日 田中敬一 放大40万倍的爱滋病病毒的SEM图象
二、分辨率与放大倍率
● 分辨率(resolution) 能清楚分开的两点间的最小距离 阿贝公式: d=0.612λ∕n*sinα d——分辨率 λ——入射光的波长 n——透镜与物体间介质的折射系数 α——物体与物镜间所成夹角的1/2 0.612——常数
d=λ/2
● 放大倍率 像/物 m显微镜=d人眼/d显微镜 mLM=1000× mEM=1000000× ● 有效放大倍数(useful magnification, Mu) d人眼/d显微镜 ● 空放大
∴标志电镜性能的主要指标是分辨率而不是放大倍
三、电镜的照明系统 （电子束的产生）
顶部的电子枪（三极式）
●热阴极（灯丝）
热电子发射
●栅极（控制极）
控制阴极发射电子的数目
●阳极（加速极）
使电子加速
电 子 枪 的 结 构
四、透镜的成像原理
（一）、电子透镜 （二）、电子散射
（三）、透镜图像反差的形成
电子与样品原子和电子之间相互作用而引 起的路径或能量发生变化或两者兼而发生
● 弹性散射(elastic scattering)
电子—核 轨道偏转大，能量转移小 ● 非弹性散射(inelastic scattering) 电子—电子 能量损失大，方向改变小
（三）、透镜图象反差的形成
反差(contrast)：像与背景亮度上的差别，是成像的 必备条件
二、电镜的应用
透镜：超薄切片——负染技术、电镜放射自显影技术、免疫电镜技术 扫描电镜：常规技术——生物样品内部结构冷冻割断技术 高分辨扫描电镜技术、管道铸造技术 目前 已超出形态学范围，而与物理、化学、生化、计算机等学科发生了 内在联系，成为生物学、基础医学、临床医学、农林科学等的研究手段 近10年: 电镜附件X-射线微区分析 电镜图象处理 用于医学：分析电镜，超高压电镜，环境扫描电镜，扫描探针显微镜
∴电子作圆锥螺旋运动
以任意角度发射的两个电子通过磁透镜
电磁透镜会聚作用示意图
电子在非匀磁透镜中的运动轨迹1：100
焦距 ∝ 1/磁场强度2 ∝ 1/（IN）2 磁场强度 ∝ IN
磁场强度↑ 焦距↓ 放大倍数↑
调节电流可以改变磁场强度， 从而改变放大倍数和进行图象调焦
（二）、电子散射
(electron scattering)
电子显微镜原理
电子显微镜：
(electron microscope )
以电子束作为“光源”，利用电 磁 透镜成像，并与一定的机械装置、电 子和高真空技术相结合，所构成的现
代化、综合性精密电子光学仪器。
透 射 式 电 子 显 微 镜
第一节 电镜的类型
源自文库
※ 第二节 电镜的基本概念与工作原理
※ 第三节 透镜的构造 第四节 电镜与光镜的比较
四级成像放大系统:
M总=M物×M中1×M中2×M投
M总=M物×M中×M投1×M投2
（三）、观察记录系统
荧光屏
双目放大镜
二 真空排气系统
使镜筒处于高真空10-4托(Torr)以上 二级真空泵 ● 机械泵：10-2托 ● 油扩散泵或离子聚集泵：10-5托
三 电路系统（电源供电系统）
● 灯丝加热电源：高频或直流
形态学分析阶段—定性、定量分析
思 考 3、透镜的成像原理。 题 4、电镜的像差。 ：
1、简单了解电镜的分类及特点。 2、为什麽说标志电镜性能的主要指标是 分辨率而不是放大倍数？
5、透镜的镜筒由哪几部分组成？各自的 主要作用。 6、电镜与光镜的比较。 7、概念比较：像差与反差；球差与色差
弹性散射与非弹性散射
第五节 电镜的发展与应用
第一节 电镜的类型
● 透射式电子显微镜 （transmission electron microscope ,TEM） ●扫描式电子显微镜 (scanning electron microscope,SEM) ●分析型电子显微镜 (analysis electron microscope,AEM)
●
●
电子加速高压电源：电流很小
透镜励磁电源：电流很大
第四节电镜与光镜的比较
光镜
TEM
电镜
SEM
照明 可见光 电子束 波长 750nm（可见光）—200nmn（紫外光） 0.859nm（20Kv）—0.37nm（100Kv） 透镜 玻璃透镜 电磁透镜 分辨率 200nm 0.2nm 1~10nm 放大倍率 1000倍 80~100万倍 20~40万倍 景深 浅 中等 深 聚焦 机械 电聚焦 成像原理 光线吸收为主 电子散射作用 二次电子信息 成像方式 直接成像 荧光屏成像 显象管间接成像 图象颜色 彩色 黑白 样品环境 空气 高真空 样品制作 简便 复杂 较复杂
● 其它 ● 超高压电镜（UHTEM） ● 电子探针(electron Probe Micro Analyzer) ● 扫描透射电子显微镜（STEM） ● 环境扫描电子显微镜（ESEM）
透射电镜与扫描电镜
● 透射式电子显微镜
电子束透过样品直接成 像
● 扫描式电子显微镜
电子束照射在样品上产 生二次电子，收集二次 电子信息放大成像
电 子 枪 的 结 构
（二）、成像系统(imaging system) ● 样品室 3mm铜网支载 ● 物镜(objective lens,OL) 最重要的部分，决定着电镜的分辨本领和成像质量 作用：将样品信息作初步放大（50倍）
物镜可动光阑：可限制电子束孔径角，以减少球面像差，
增加图象反差 消像散器：校正、消除像散 ● 中间镜(intermediate lens, IL) 焦距较长，弱透镜，将经物镜放大的电子像二次放大 ● 投影镜(projector lens, PL) 高倍镜，强透镜，使中间像放大后在荧光屏上成像
加速电压：40KV以下
加速电压：50-100KV 样品厚度：1-100nm
TEM
分辨率 放大倍数 0.2-0.3nm 80万
SEM
3-6nm 20万
制样技术
图象特征 应用范围
超薄切片为主
二维平面结构 超微结构
样品表面观察
三维立体结构 生物样品表面、
断面立体形貌
第二节 电镜的基本概念 与工作原理
一、电镜的计量单位 LM: μm(micrometer) EM: nm(nanometer) 二、分辨率与放大倍率 三、电镜的照明系统（电子束的产生） 四、透镜的成像原理 五、电镜的像差(aberration)