透射电镜的构造

学
成。
工程
1．电子光学系学统与
电子光学料系科统（镜筒）是透射电镜的基本部份，图 1 是Tecnai G2 20 透射电镜外观照片，
院 材
图 2 是电学镜镜筒结构剖面示意图。整个镜筒类似积木式结构，自上而下排列着电子枪、双聚
学 大 工程 光中镜南、样品室、物镜、中间镜、投影镜、观察室和照相室等装置。通常又把上述装置划分为 与 照明、成象和观察记录三部分。
（如中心暗场像）。
(2)成像放大部份
院
这部份由样品室、工物程镜学，二级中间镜和二级投影镜组成。样品室位于照明部份和物镜之
间，它的作用是通学过与样品传递移动装置，在不破坏镜筒真空的情况下，使样品在物镜的极靴
院 孔内平移和材倾料转科。
样品学平移的方向、大小以及倾转的角度均可由计算机控制系统读出并显示在操控软件界
学 大 工程 面中上南。其中α 角（α 轴为沿样品杆轴线）倾转范围为±45°， β 角（ β 轴与α 轴垂直并与 学与 α 轴共同构成样品平移平面）为±30°。
料科 物镜属强激磁、短焦距透镜，是成像的关键部件，用来形成第一幅高分辨电子像或电子
材 衍射花样、为了改变物镜成像的孔径张角。衬度及减小物镜的像散，在物镜的背焦平面上径 南大学 向插入一个孔径分别为 100 µ m、70 µ m、60 µ m、50 µ m、40 µ m、30 µ 程m、学20院µ m 和 10 µ m 中 的可动光阑。为了消除物镜不对称磁场引起的像散。物镜的极靴附近还工装有一组电磁消像散
几乎所有高性能电镜都采用双聚光镜设计，两个聚光透镜组合成一个整体，从而简化了
它们之间的对中操作，其中第一聚光镜是短焦距强磁透镜，它使来自电子枪的电子束光斑直
径大为缩小，再用长焦距弱激磁的第二聚光镜散焦得到近乎平行的电子束照射到样品上，这
样，既获得了适合于高分辨要求的最小光斑，也使得第二聚光镜和物镜之间有足够的距离，
（2）更换样品
将试样架水平送入样品更院换室（过渡室），抽样品更换室低真空并使它达到真空度要求。 打开样品更换室与样品工室程间学的空气锁紧阀门，调节或使用样品传递装置，将试样放入样品观 察位置上。通常在学电与子枪加高压条件下更换样品。为了避免更换样品过程中，可能出现真空
院 度下降而损材坏料灯科丝和泄漏 X 射线，更换样品时应关闭电子枪与镜筒间的阀门。
与
器面，处便还能安在放任着意一方个向选形区成可一动个光附阑加。的在非选对区称电的子矫衍正射磁操场作，中材起，料到通科消过学除使像用散不的同作的用光。阑物，镜来的限像制平和
选择所需要的视场。
南大学
中间镜和投影镜的结构与物镜相似，差别在中于中间镜是一个弱激磁长焦距变倍透镜，放
大倍率在 0～20 之间，而投影镜则是具有固定放大倍率的强激磁短焦距透镜，使用上下对称
型，也可采用LaB6晶体或场发射电子枪，目前常用的灯丝是LaB6。阴极的作用就是发射电 子，栅极（也叫控制极）由一个圆筒形金属帽做成并和阴极一起组装在一个高压瓷瓶上，栅
极电位较阴极为负，通过改变它的电位来控制电子束流的大小和像的亮度，阳极则是一个T
型中空金属园筒，阴阳两极之间有较高的电位差，阳极由下面还有四级极可使电子进一步加
使其焦距变化，与此同时，学中院间镜的物距L1也随之改变，这种操作叫做像聚焦。如果把中间
镜的物平面和物镜的后工焦程面位置重合时，在荧光屏上得到的是一幅电子衍射花样，这就是所
谓电镜中电子衍射学操与作。
科
料
南大学材 中
工程学院 与
学
科
料
材
大学 中南
学院 工程
与
学
图 4 透射电子显微镜成像时四种典型工料作科模式光路图
的变化。因此，电磁透镜又是一个变焦或变倍率的会聚透镜。进学一与步研究指出，与光学透镜
科
相似，电磁透镜物距L1、像距L2和焦距f三者之间也可以用材薄料透镜公式 学
1 L1
+
1 L2
=
1 f
来表示。
大
像放大倍率 M = L2 ，并且有
中南
L1
M = f 或 M = L2 − f
2
L1 − f
f
式 2 说明，当像距L2一定，透镜的放大倍率与焦距成反比；当透镜物距L1≥2f时，透镜像放 大倍率M≤1，当透镜物距在f<L1<2f时，透镜像放大倍率M>1。
有发片盒和收片盒的照相室以及 CCD（数码相机）组成。观察室内的萤光屏用发黄绿色光
4
的硫化锌镉类荧光粉制作，荧光屏在电子束照射下，呈现出与样品的组织结构相对应的电子
图像，从而将肉眼看不到的电子像转化为可见光像。移动样品台，可以观察到不同区域样品
的组织结构，调节物镜激磁电流Βιβλιοθήκη Baidu聚焦）可以使荧光屏上的图像清晰。图像调清晰后，按动
材 镜的焦距学可以用下式来表示
大 南 中
院
学
f
≈k
U工r 程 (与IN )2
1
学
料科 式中K是常数，Ur为电子加速电压，(IN)是激磁电流（安匝数）。
材 从式 1 可以看出，电磁透镜焦距与(IN)2成反比，无论激磁方向如何，焦距总是正的，
中南大学 这要表通明过电透磁镜透电镜源总电是子会学聚线透路镜来，调通节常，每激当磁改线变圈激匝磁数电N总流是时固，定透不镜变的的焦工，距而程、激放学磁大院电倍流率可发根生据相需应
速，电子束进一步地聚焦准直院。阴极发射的电子可以获得足够大的功能，形成定向高速电
工程学
与
学
南大学材料科 中
工程学院 学与
科
料
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大学 中南
学院 工程
与
料科学
材
图 2 近代透射电镜镜筒剖面示学意图
南大
中
流，为了安全，阳极接地，而灯丝处于负高压状态。 Tecnai G2 20 电镜中可用加速电压分别
有 20KV、40KV、80KV、120KV、160KV 和 200KV，对于易受辐照损伤的样品一般采用较
学
现“所见即所得”的效工果程，即时看到拍摄效果并即时调整，使 TEM 的使用效率和效能大幅
提高，目前除了拍学摄与衍射花样一般仍需使用底片外，其他方面的所有应用都可以使用 CCD
采集图像的方料法科来代替拍摄底片的方法。
院 材
2．真学空系统
学 大 工程 中南电子显微镜筒内，凡是电子运行的区域都应有尽可能高的真空度，镜筒内真空度达不到 与 要求，高速电子与气体分子相互作用产生电离。一方面，引起电子束不稳定，荧光屏上的图
电磁透镜由带缺口的高导院磁软磁材料回路和嵌在其中的激磁线圈组合而成，激磁线圈通
学
电时，缺口间隔全形成工轴程对称磁场。电磁透镜的强度，也就是缺口间隙处磁场强度，它与线
圈匝数 N 以及线圈学中与流过的电流 I 的乘积 NI 成正比，一束进入轴对称磁场的电子束会由于
电磁交互作用料而科会聚于一点，这一点称透镜的焦点，焦点到透镜中心的距离叫焦距，电磁透
低的加速电压，对于金属薄膜样品，通常采用 200KV 加速电压。电子枪还设有电磁对中装
置，在更换灯丝或在操作过程，可调整它使电子枪合轴。
②双聚光透镜
聚光镜是电磁透镜，对电子束有会聚作用，图 3 是轴对称电磁透镜使电子束会聚作用的
示意图。
2
图 3 轴对称电磁透镜
(a) 电磁透镜示意图 （b）电磁透镜使电子束会聚示意图
（3）学加电子枪高压和灯丝电流
学 大 工程 中南打开聚光镜和成像透镜电源开关，由低挡开始逐步给电子加上所需要的加速电压（高 学与 压）。扳动电子枪灯丝加热旋钮，逐级加大电流，注意电子束流表的指示和荧光屏的亮度， 科 待增加灯丝电流荧光屏的亮度和束流不再增大时为止。为了延长灯丝的寿命，应将灯丝加热
3
以便在样品室内安放加热，冷却或拉伸附件，在第二聚光镜下面还设一可动光阑，用来限制
和改变照明孔径角，为了使投射到样品上的光斑较园，第二聚光镜下方还装有电磁式消像散
器。
整个照明系统，通过调节它的环形电子束偏转器或平移及倾斜的装置，可以使电子束相
对于物镜轴线平移或做以样品与物镜轴线交点为中心的倾斜运动，保证操作方便和工作条件
学
科
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大学 中南
学院 工程
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科
料
材
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大
南
中
图 1 Tecnai G2 20 透射电镜外观图 （1）照明部分 照明部分由电子枪、双聚光镜、光阑组、电子束平移、倾斜装置和消象散器组成。它的 作用是提供一束亮度大、孔径角小、相干性好、稳定度高的电子束照射到待分析的样品上。
1
①电子枪
电子枪是电镜的照明源，由阴极，栅极和阳极组成。阴极通常用 0.1mm直径钨丝做成V
过物镜光阑孔的电子束强度产生差别，则在物镜像平面上，形成第一幅反映微区特征的电子
像。再经中间镜，投影镜两级放大，投射到荧光屏或电子感光版上，即可获得一幅具有一定
衬度的高放大倍率的图像，如图 4 所示。若三级放大图像总的放大倍数为 M，则：
M = M0iMi iM p
式中M0、Mi、Mp分别是物镜、中间镜、投影镜的放大倍数。 通常物镜的分辨率主要决定于极靴的开关和加工精度，极靴的内径和上下极靴之间的距
透镜电流的稳定度是评估电镜性能优劣的一个重要标志。加速料电科压和透镜电流分属于两个独
材
立的电源供给，前者要求小电流高电压，后者是大电流学低电压。
大
三、透射电镜的成像原理
南
中
照明部分提供一束具有一定照明孔径和一定强度的电子束，照射到样品上。由于样品各
微区厚度、原子序数和晶体结构不同，使电子束透过样品时发生部分散射，其散射结果使通
电子枪与聚光镜、照明部分与物镜、中间镜和投影镜的对中以及消除聚光镜、物镜的像散。
电镜中有些合轴相当稳定，仅在拆开镜筒清洗或修理后才需要重新调整。
2．透射电镜的操作
一般地说，透射电镜按下述步骤进行操作：
（1）抽镜筒真空
6
Tecnai G2 20 型电镜真空系统由三级泵构成，一级为机械泵，专用于获得镜筒粗真空和 抽油扩散泵真空，第二级为油扩散泵，专用于实现 10－4～10－5乇的镜筒真空；第三级为离子 泵，主要用于实现 10－8～10－9乇的高真空。目前，Tecnai G2 20 型TEM只要接通冷却水和机 内总电源，整个镜筒或局部地抽真空工作（从低真空到高真空）就能由控制系统自动完成。 当真空度达到 10-9乇时，操控系统界面显示“Ready”，表明可以上机工作了。
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离愈小，物镜的分辨率越高。投影镜的励磁电流是固定的，像距也是固定的，因此投影镜的
放大倍率Mp是固定的。中间镜的放大倍数可通过调节激磁电流来改变，在电镜操作中，主 要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的总放大倍数。
成像系统成像时，一般来说中间镜像平面和投影镜的物平面之间的距离可近似认为固定
不变（即中间镜的像距L2固定不变），参看图 4（a），（d）。因此，若要荧光屏上得到一张清 晰的放大像，必须中间镜的物平面正好和物镜的像平面重合，即通过改变中间镜的激磁电流
的小孔径极靴，由于成像电子进入投影镜时孔径角已很小(10-5弧度），所以投影的景深和焦
深都很大。中间镜和投影镜的作用是将来自物镜的电子像和电子衍射花样进行再放大并投射
到萤光屏和照相底板上，为了适应不同放大倍率下电子像和电子衍射花样的观察，一般TEM
采用多级中间镜和多级投影镜。
（3）观察记录部分
在投影镜的下面是电子显微像的观察和记录系统。这部分由带铅玻璃窗口的观察室和装
实验 1 透射电镜的构造、成像原理及操作
一、实验目的
1．了解透射电镜的基本构造和成像原理。
2．熟悉样品装入、图像观察与记录、摄像等操作过程。
二、透射电镜的基本构造
透射电镜是以波长极短的电子束作为照明源，利用磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、
高放大倍数的电子光学仪器。院它由电子光学系统（镜筒），真空系统以及供电系统三部分组
观察室外的按钮，荧光屏转动 90°，将荧光屏从光路上移开，使电子束继续沿光轴下行，
放置在荧光屏下的发片盒内的电子感光版（电镜底片）就可以把观察到的样品图像连同该操
作条件下的加速电压、放大倍率以及底片的顺序等一起记录下来；现在多数 TEM 都在平板
照相板的下方安装了慢扫描 C院CD(Charge-coupled device)，即科学级的数码照相机。它可实
学
科 像会发生抖动；另一方面，炽热的灯丝容易氧化，灯丝的寿命会大大缩短。此外，样品也会
料
材 受到严重的污染，真空系统的作用就是不断地排除镜筒内的气体（空气、水蒸气和碳氢化合
大学 物气体），使镜筒内保持极高的真空度（一般在 10-8乇以上）。 3．供电系统 中南
学院 工程
加速电压和透镜磁电流不稳定将会产生色差及降低电镜的分学辨与本领。因此，加速电压和
材
(a) 高倍放大；(b)低倍放大；(c)极低学倍放大；(d)电子衍射
大
四、透射电镜的调整和操作
南
中
1．合轴调整
为了保证电镜用等轴光成像及改变放大倍率时视场中心基本保持不变，要对电镜进行合
轴调整。所谓合轴调整，简单的说就是使电镜的照明和成像的各组成部分严格同轴和消除透
射像散，从而简化和获得高质量图像的操作。电镜的合轴调整通常包括灯丝尖端与栅极孔、