透射电镜的工作原理和特点

焦长：透镜像平面允许的轴向偏差定义 为焦长。
当透镜焦距、物距一定时，像平面在 一定的轴向距离内移动，也会引起失 焦。如果失焦尺寸不超过由衍射效应和 像差引起的散焦斑，那么像平面在一定 的轴向距离内移动，对透镜像分辨率并 不产生影响。
2 透射电镜的结构及原理 透射电镜主要有电子光学系统
(镜筒)、电源系统、真空系统和 操作控制系统等四部分。
106×
物镜孔径角
约700
＜10
景深
较小
较大
焦长
较短
教长
像的记录
照相底板
照相底板
透射电镜的显著特点是分辨本 领高。目前世界上最先进的透射 电镜的分辨本领已达到0.1nm,可 用来直接观察原子像。
电磁透镜
电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。 衍射效应对分辨本领的影响： Rayleigh公式：
透过样品的电子束强度，其取决于这些 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，如图4-3所示。
光学显微镜与透射电镜的比较
像差分球差、像散、色差等，其中，球 差是限制电子透镜分辨本领最主要的因 素。球差的大小，可以用球差散射圆斑半 径Rs和纵向球差ΔZs两个参量来衡量。前 者是指在傍轴电子束形成的像平面(也称 高斯像平面)上的散射圆斑的半径。后者 是指傍轴电子束形成的像点和远轴电子束 形成的像点间的纵向偏离距离。
ΔZs
色差
色差：是由于入射电子波长（或能量）的非单一性
造成。
电磁透镜的景深和焦长 电磁透镜的特点是景深大（场深），焦长很长。
景深：透镜物平面允许的轴向偏差定义为 透镜的景深。
从原理上讲，当透镜焦距、像距一定时， 只有一层样品平面与透镜的理想物平面重 合，能在透镜像平面上获得该层平面的理想 图象，而偏离理想物平面的物点都存在一定 程度的失焦，他们在透镜像平面上将产生具 有一定尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸 不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那 么对透镜像分辨本领并不产生影响。
透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有 关以外，还与透镜的像差有关。
光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透 镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨 本领的影响远远小于衍射效应的影响;
但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透 镜，所以至今还没有找到一种能矫正球差 的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领 的限制就不容忽略了。
通常将镜筒分为照明、成像及图像 观察和记录三个系统。 照明系统：电子枪、聚光镜 成像系统：样品室、物镜、中间镜和 投影镜 图像观察和记录系统：荧光屏和照相 装置
1. 照明系统 照明系统的作用： ① 提供光源，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)。
(1) 电子枪 电子枪是透射电镜的电子源。因为
图为日立公司H800透射电子显微镜(镜筒)
高压系统
真空系统
控制系统
观察和记录系统
3.3 透射电镜 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。 四部分：电子光学系统、电源系统、
真空系统、操作控制系统
电源系统、真空系统和操作系统都 是辅助系统。
电源系统包括电子枪高压电源、透 镜电源和控制线路电源等。
真空系统用来维持镜筒(凡是电子运 行的空间)的真空度在10-4 Torr以上， 以确保电子枪电极间绝缘，防止成像 电子在镜筒内受气体分子碰撞而改变 运动轨迹，减小样品污染等。
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。
如果计算分辨本领的平面为最小截 面圆所在平面，则
Δr’s=1/4 Csα3
从以上两式可以得知Δr’s或Δrs与 球差系数Cs成正比，与孔径半角的立方
成正比。也就是说球差系数越大，由球
差决定的分辨本领越差，随着α的增
大，分辨本领也急剧地下降。
像散：像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起。
如果电磁透镜在制造过程中已经存在固有的像 散，则可以通过引入一个强度和方位都可以调节的 矫正磁场来进行补偿，这个能产生矫正磁场的装置 称为消像散器。
平面上均会扩展成散焦斑，个散焦斑的半径也就影响 了透镜的分辨本领。
控制电子束的运动在电子光学领域中 主要使用电磁透镜装置。但电磁透镜在 成像时会产生像差。
像差分为几何像差和色差两类。 几何像差：由于透镜磁场几何形状上 的缺陷而造成的像差。 色差：由于电子波的波长或能量发生 一定幅度的改变而造成的像差。
Δr0=0.61λ/Nsinα Δr0：成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距 离，表示透镜分辨本领的大小。
λ：波长; N：介质的相对折射系数
α:透镜的孔径半角 只考虑衍射效应时，在照明光源和介质一定的条件
下，孔径半角越大，透镜的分辨本领越高。 像差对分辨本领的影响：
由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在像
电子枪决定了像的亮度、图像稳定度 和穿透样品能力，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。
比较部分
光学显微镜
透射电镜
光源
可见光(日光、电灯光)
电子源(电子枪)
照明控制
玻璃聚光镜
电子聚光镜
样本
1mm厚的载玻片
约10nm厚的薄膜
放大成象系统
玻璃透镜
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
聚焦方法
移动透镜
改变线圈电流或电压
分辨本领
200nm
0.2~0.3nm
有效放大倍数
103×
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Leabharlann Baidu室和荧光屏组成透 射电镜的电子光学系统。
透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获 得电子束作为照明源。
热阴极发射的电子，在阳极加速电压的 作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜 会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。
具有一定能量的电子束与样品发生作 用，产生反映样品微区厚度、平均原子序 数、晶体结构或位向差别的多种信息。