材料现代分析测试方法-电子显微分析
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场中 运动时，受到洛仑磁力的作用即。 F ev B
电子枪
聚光镜 （电磁透镜）
试样 物镜
中间象 投影镜
观察屏
照相底板
电子显微镜
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
一、电子抢及电磁透镜 2. 电磁透镜
电子枪
(1) 原理
聚光镜 （电磁透镜）
试样
物镜
中间象 投影镜
观察屏 照相底板
电子显微镜
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
uf v
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜
（3）电磁透镜的光学性质 电磁透镜具有光学凸透镜的特点，它们物距、像距和焦 距三者间的关系相似，满足牛顿透镜方程
11 1 uv f
u - 物距；v - 像距；f - 焦距 放大倍数为：
M v f v f u u f f
uf v
（4）电磁透镜的像差与分辩率
§3.1概述
一、光学显微镜的局限性 于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。
γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
利用紫外线，强烈地吸收；γ射线、X 射线没有办法使其聚焦
二、电子的波动性及波长 • 1897年，Thomson发现了电子。 • 1925年，De Broglie提出物质波的假设，即电子具有微粒 性，
2、电磁透镜 4)电磁透镜分辨率（分辨距离、分辨本领）
电子透镜中分辨本领基本上决定于球差和衍射。通过减小孔 径角的方法来减小球差，提高分辨本领，但能过小会由于衍射 使分辨本领变差。这就是说，光阑的最佳尺寸应该是球差和衍 射两者所限定的值。
通常，
Cs －－球差系数，一般～f（1~3mm）
－－孔径半角
物平面上两点距离小于 2r时s ，则该透镜不能分辨
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜 3）像散
磁场不对称时，就出现象差。可能是由于极靴被污染，或极靴的机械
不对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。有的方向电子束的折射比别
的方向强，如图所示，这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜 （4）电磁透镜的像差与分辩率
根据瑞利判据，电磁透镜的分辩率为：
r 0.61 n sin 2
对于 U＝200 kV，
＝0.00250 nm r＝0.00125 nm
但是，实际上目前的透射电镜远远 达不到理论水平，如，H-800，200 kV 时分辩率只有0.45nm，因为电磁透镜 也存在像差。
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜
1） 球 差
球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚
能力不同而造成的。远轴的电子通过透镜后折射得比近轴电
子要厉害得多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了
一个半径为Rs漫散圆斑，折算到物平面上，得 定义
rs
Rs M
rs
1 4
Cs 3
－－球差
物
光轴
－－孔径半角
能量高电子
稳定加速电压来减少色差
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜
Pay Attention!
在电磁透镜中，球差对分辨率的影响最为 重要，因为没有一种简便的方法使其矫正过来。 而其他像差在设计和制造时，采取适当的措施 是可以消除的。
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
• 1926年，Busch提出了用轴对称的电场和磁场 对电子束进行 聚集，发展成电磁透镜．
• 1931-1933年，Ruska 等设计并制造了第一台电子显微镜． • 经过50-60年的发展，目前，电镜的分辨率达到Å数量级，
放大倍数达数百万倍．
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
一、电子抢及电磁透镜
光源
试样
成 物镜 像 系 统 中间象
投影镜
记
试样
录 观察屏
照明部分示意图 系 照相底板
统
电子显微镜
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
一、电子抢及电磁透镜
2. 电磁透镜 (1) 原理
透射电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像 的装置。电磁透镜实质是一个通电的短线圈， 它能造成一种轴对称的分布磁场。正电荷在磁
电子枪
聚光镜
试样 物镜
聚光镜 （电磁透镜）
试样 物镜
中间象 目镜
中间象 投影镜
毛玻璃 照相底板
光学显微镜
观察屏
照相底板
电子显微镜
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
一、电子抢及电磁透镜
阴极（接负高压）
控制极（比阴极 负100～1000伏 ） 阳极
1. 电子抢
电子束
聚光镜
照 电子枪 明 系统（电聚磁光透镜镜）
也具有波动性。 • 1927年， Thompson and Reid 进行了电子衍射实验。
§3.1概述
二、电子的波动性及波长 • 根据De Broglie物质波的假设，电子波长为。
• 考虑相对论效应 U = 100 kV时， ＝ 0.00386 nm
• 电子衍射实验。
§3.1概述
二、电子的波动性及波长
2、电磁透镜
（2）电磁透镜特点：
① 能使电子偏转会聚成像，不能加速电子；
② 总是会聚透镜；
③ 改变线圈中的电流强度可很方便地控制焦距和放大率焦距、 放大倍数连续可调。
（3）电磁透镜的光学性质
电磁透镜物距、像距和焦距三者间的关系与光学玻璃透镜相
似，满足牛顿透镜方程
11 1 uv f
u - 物距；v - 像距；f - 焦距
2、电磁透镜
2） 色差
电子的能量不同，从而波长不一造成的。电子透镜的焦距
随着电子能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿不同的
轨迹运动。产生的漫散圆斑还原到物平面，其半径为
定义
rc
Cc
E E
－－色差
透镜平面
像散像 平焦平 面斑面
rc
Rc M
Cc －－色差系数
能量低电子I 2Rc II
E －－能量变化率 E
第三章 透射电子显微镜分析
源自文库
§3.1概述
一、光学显微镜的局限性
L
D
d O1 O2
强度
B2 d
B1
由于光的衍射，光学显 微镜其最大的分辨能力为 d 0.61 1
n sin 2
对于可见光的波长在390 ~ 770nm之间，n值最大只能达到 1.5~1.6，可得光学显微镜其最大的分辨能力为0.2m
其平均半径为RA，折算到物平面上，得 定义
rA
RA M
rA f A －－像散
透镜平面 弱焦平面
f A －－像散系数，电磁透镜出
像散像 平焦平 面斑面 I 2RA II
现椭圆度时造成的焦距差
光轴
物
－－孔径半角
强焦平面
物平面上两点距离小于 2时rA ，则该透镜不能分辨，可以采用消散器来消除
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
电子枪
聚光镜 （电磁透镜）
试样 物镜
中间象 投影镜
观察屏
照相底板
电子显微镜
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
一、电子抢及电磁透镜 2. 电磁透镜
电子枪
(1) 原理
聚光镜 （电磁透镜）
试样
物镜
中间象 投影镜
观察屏 照相底板
电子显微镜
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
uf v
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜
（3）电磁透镜的光学性质 电磁透镜具有光学凸透镜的特点，它们物距、像距和焦 距三者间的关系相似，满足牛顿透镜方程
11 1 uv f
u - 物距；v - 像距；f - 焦距 放大倍数为：
M v f v f u u f f
uf v
（4）电磁透镜的像差与分辩率
§3.1概述
一、光学显微镜的局限性 于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。
γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
利用紫外线，强烈地吸收；γ射线、X 射线没有办法使其聚焦
二、电子的波动性及波长 • 1897年，Thomson发现了电子。 • 1925年，De Broglie提出物质波的假设，即电子具有微粒 性，
2、电磁透镜 4)电磁透镜分辨率（分辨距离、分辨本领）
电子透镜中分辨本领基本上决定于球差和衍射。通过减小孔 径角的方法来减小球差，提高分辨本领，但能过小会由于衍射 使分辨本领变差。这就是说，光阑的最佳尺寸应该是球差和衍 射两者所限定的值。
通常，
Cs －－球差系数，一般～f（1~3mm）
－－孔径半角
物平面上两点距离小于 2r时s ，则该透镜不能分辨
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜 3）像散
磁场不对称时，就出现象差。可能是由于极靴被污染，或极靴的机械
不对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。有的方向电子束的折射比别
的方向强，如图所示，这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜 （4）电磁透镜的像差与分辩率
根据瑞利判据，电磁透镜的分辩率为：
r 0.61 n sin 2
对于 U＝200 kV，
＝0.00250 nm r＝0.00125 nm
但是，实际上目前的透射电镜远远 达不到理论水平，如，H-800，200 kV 时分辩率只有0.45nm，因为电磁透镜 也存在像差。
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜
1） 球 差
球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚
能力不同而造成的。远轴的电子通过透镜后折射得比近轴电
子要厉害得多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了
一个半径为Rs漫散圆斑，折算到物平面上，得 定义
rs
Rs M
rs
1 4
Cs 3
－－球差
物
光轴
－－孔径半角
能量高电子
稳定加速电压来减少色差
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜
Pay Attention!
在电磁透镜中，球差对分辨率的影响最为 重要，因为没有一种简便的方法使其矫正过来。 而其他像差在设计和制造时，采取适当的措施 是可以消除的。
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
• 1926年，Busch提出了用轴对称的电场和磁场 对电子束进行 聚集，发展成电磁透镜．
• 1931-1933年，Ruska 等设计并制造了第一台电子显微镜． • 经过50-60年的发展，目前，电镜的分辨率达到Å数量级，
放大倍数达数百万倍．
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
一、电子抢及电磁透镜
光源
试样
成 物镜 像 系 统 中间象
投影镜
记
试样
录 观察屏
照明部分示意图 系 照相底板
统
电子显微镜
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
一、电子抢及电磁透镜
2. 电磁透镜 (1) 原理
透射电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像 的装置。电磁透镜实质是一个通电的短线圈， 它能造成一种轴对称的分布磁场。正电荷在磁
电子枪
聚光镜
试样 物镜
聚光镜 （电磁透镜）
试样 物镜
中间象 目镜
中间象 投影镜
毛玻璃 照相底板
光学显微镜
观察屏
照相底板
电子显微镜
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
一、电子抢及电磁透镜
阴极（接负高压）
控制极（比阴极 负100～1000伏 ） 阳极
1. 电子抢
电子束
聚光镜
照 电子枪 明 系统（电聚磁光透镜镜）
也具有波动性。 • 1927年， Thompson and Reid 进行了电子衍射实验。
§3.1概述
二、电子的波动性及波长 • 根据De Broglie物质波的假设，电子波长为。
• 考虑相对论效应 U = 100 kV时， ＝ 0.00386 nm
• 电子衍射实验。
§3.1概述
二、电子的波动性及波长
2、电磁透镜
（2）电磁透镜特点：
① 能使电子偏转会聚成像，不能加速电子；
② 总是会聚透镜；
③ 改变线圈中的电流强度可很方便地控制焦距和放大率焦距、 放大倍数连续可调。
（3）电磁透镜的光学性质
电磁透镜物距、像距和焦距三者间的关系与光学玻璃透镜相
似，满足牛顿透镜方程
11 1 uv f
u - 物距；v - 像距；f - 焦距
2、电磁透镜
2） 色差
电子的能量不同，从而波长不一造成的。电子透镜的焦距
随着电子能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿不同的
轨迹运动。产生的漫散圆斑还原到物平面，其半径为
定义
rc
Cc
E E
－－色差
透镜平面
像散像 平焦平 面斑面
rc
Rc M
Cc －－色差系数
能量低电子I 2Rc II
E －－能量变化率 E
第三章 透射电子显微镜分析
源自文库
§3.1概述
一、光学显微镜的局限性
L
D
d O1 O2
强度
B2 d
B1
由于光的衍射，光学显 微镜其最大的分辨能力为 d 0.61 1
n sin 2
对于可见光的波长在390 ~ 770nm之间，n值最大只能达到 1.5~1.6，可得光学显微镜其最大的分辨能力为0.2m
其平均半径为RA，折算到物平面上，得 定义
rA
RA M
rA f A －－像散
透镜平面 弱焦平面
f A －－像散系数，电磁透镜出
像散像 平焦平 面斑面 I 2RA II
现椭圆度时造成的焦距差
光轴
物
－－孔径半角
强焦平面
物平面上两点距离小于 2时rA ，则该透镜不能分辨，可以采用消散器来消除
§3.3 透射电镜的构造与工作原理