显微镜成像方法与技术-3

包括荧光屏
和照相机构。在荧光屏下面放置 一下可以自动换片的照相暗盒， 照相时只要把荧光屏竖起，电子 束即可使照相底片曝光。由于透 射电子显微镜的焦长很大，虽然 荧光屏和底片之间有数十厘米的
间距，仍能得到清晰的图像。
TEM的电子源在顶端，透镜系统（4、7、8） 将电子束聚焦于样品上，随后将其投影在 显示屏（10）上。控制电子束的设备位于 右方（13和14）。
JEM-2010F透射电镜
工作原理
透射电镜的总体工作原理是：由电子枪发射出 来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越 聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明 亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上； 透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信 息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透 过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放 大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2 投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电
子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏
将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。
基本的TEM光学元件布局图
TEM的结构
TEM由几大部分组成：照明系统；成像系统；记录系统；真空系统；电气系统。 1. 照明系统 电子枪 主要由电子枪和聚光镜组成。
是发射电子的照明源。
聚光镜
是把电子枪发射出来的电子束进一步会聚后照射到样品上。
电镜的分辨本领
在光学中，分辨率（分辨极限）即指光学仪器可以分辨的两个物点之间的最小距离。 由于瑞利斑（爱里斑）的关系，显微镜物镜的分辨极限为： δ＝0.61λ/n sinθ
式中λ为入射光波长，n是物方介质的折射率，2θ为物镜对物体的张角（孔径角），n
sinθ为物镜的数值孔径，以N.A.表示。 通过增大数值孔径或缩短光源波长都可以提高物镜的分辨率。 从增大数值孔径N.A.来提高分辨率是很有限和困难的，最有效的方法是缩短光源的波 长，电镜所采用的电子波长λ为： λ＝12.25Å/√ V 可见，只要提高加速电压V就可以得到短波长的电子波，分辨率也就相应得到提高。
数纳米到数微米不等。原子量越高、电压越低，样本就必须越薄。样品较薄或密度
较低的部分，电子束散射较少，这样就有较多的电子通过物镜光栏，参与成像，在 图像中显得较亮。反之，样品中较厚或较密的部分，在图像中则显得较暗。如果样 品太厚或过密，则像的对比度就会恶化，甚至会因吸收电子束的能量而被损伤或破 坏。
第一部实际工作的TEM， 现在在德国慕尼黑的遗址 博物馆展出。
第三讲、电子显微镜镜
电子显微镜
电子显微镜，简称电镜，是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束 和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。 在光学显微镜下无法看清小于0.2μm的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超 微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分 辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长 要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成 反比，也就是说电压越高波长越短。目前透射电镜的分辨力可达0.2nm。
利用中间镜的可变倍率来控制电镜的放大倍数。
TEM分裂极靴设计透镜示意图
投影镜 的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像（电子衍射花样）进一步放大，并 投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激磁电流是
固定的。因为成像电子束进入投影镜时孔镜角很小（约10-3rad），因此它的景深和
像距都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总放大倍数有很大的变化， 也不会影响图像的清晰度。有时，中间镜的像平面还会出现一定的位移，由于这个 位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上的图像仍旧是清晰的。 电子图像的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积。
3. 观察和记录装置
电镜的分类
电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜、反射 式电子显微镜和发射式电子显微镜等。透射式电子显微镜常用于观察那些用普 通显微镜所不能分辨的细微物质结构；扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面 的形貌，也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合，构成电子微探针，用于物质 成分分析；发射式电子显微镜用于自发射电子表面的研究。
物 镜
物 体
θ
一、透射电镜
透射式电子显微镜（TEM，Transmission Electron Microscopy，亦称投射式电 子显微镜）因电子束穿透样品后，再用电子透镜成像放大而得名。它的光路与光学 显微镜相仿，可以直接获得一个样本的投影。通过改变物镜的透镜系统人们可以直 接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍射像。使用这个像可以分析样本 的晶体结构。在这种电子显微镜中，图像细节的对比度是由样品的原子对电子束的 散射形成的。由于电子需要穿过样本，因此样本必须非常薄。组成样本的原子的原 子量、加速电子的电压和所希望获得的分辨率决定样本的厚度。样本的厚度可以从
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4.真空系统 真空系统的作用有两方面，一方面可以在阴极和地之间加以很高的电 压，而不会将空气击穿产生电弧，另一方面可以将电子和空气原子的撞击频率减小 到可以忽略的量级，这个效应通常使用平均自由程来描述。标准的TEM需要将电子 的通路抽成气压很低的真空，通常需要达到10−4 帕。由于TEM的元件如样品夹具和 胶卷盒需要经常插入电子束通路，或者需要更换，因此系统需要能够重新抽成真空。 因此，TEM不能采用永久密封的方法来保持真空，而是需要装备多个抽气系统以及 气闸。
照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明 源。
电子枪的构成
2. 成像系统 即电子光学系统，又称镜筒，是透射电镜的主体。成像系统主要由物 镜、中间镜和投影镜组成。
物镜 是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子
显微镜 分辨本领的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都被成像系统中其 它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强激 磁，短焦距的物镜。物镜是一个强激磁短焦距的透镜，它的放大倍数较高，一般为 100-300倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。 中间镜 是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在0-20倍范围调节。当M>1时，用来 进一步放大物镜的像；当M<1时，用来缩小物镜的像。在电镜操作过程中，主要是