电镜的原理及结构

电镜的原理及构造三峡大学医学院电镜室汤桂成电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室4.1引言-电子光学基础4.1.1分辨本领1)人的眼睛仅能分辨0.1~0.2mm的细节2)光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。3)用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率)的限制。分辨本领指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室光学透镜分辨本领d0的公式：式中：λ是照明束波长，α是透镜孔径半角，n是物方介质折射率，n·sinα或N·A称为数值孔径。.61.0sin61.00N.And电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室在物方介质为空气的情况下，任何光学透镜系统的N·A值小于1。D0≈1/2λ波长是透镜分辨率大小的决定因素。透镜的分辨本领主要取决于照明束波长λ。若用波长最短的可见光(λ=400nm)作照明源，则d0=200nm200nm是光学显微镜分辨本领的极限电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜的一种新的照明源—电子束被发现了。1924年法国物理学家德.布罗意(DeBroglie)提出一个假设：运动的微观粒子(如电子、中子、离子等)与光的性质之间存在着深刻的类似性，即微观粒子的运动服从波-粒两象性的规律。两年后通过电子衍射证实了这个假设，这种运动的微观粒子的波长为普朗克常数h对于粒子动量的比值，即λ=h/mv对于电子来说，这里，m是电子质量［kg］，v是电子运动的速度［m·s-1］。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室初速度为零的自由电子从零电位达到电位为U(单位为v)的电场时电子获得的能量是eU1/2mv2=eU当电子速度v远远小于光速C时，电子质量m近似等于电子静止质量m0，由上述两式整理得：Uemh02Uemh02电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室将常数代入上式，并注意到电子电荷e的单位为库仑，h的单位为J·s，我们将得到：［nm］表4-1不同加速电压下的电子波长加速电压/kV2030501002005001000电子波长/10-6nm8.596.985.363.702.511.420.687U226.1电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室当加速电压为100kV时，电子束的波长约为可见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。但是，电磁透镜的孔径半角的典型值仅为10-2-10-3rad。如果加速电压为100kV，孔径半角为10-2rad，那么分辨本领为：d0=0.61×3.7×10-3/10-2=0.225nm电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室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。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室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。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室像差分球差、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。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室ΔZs电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室轴线上的物点，也不可避免地要产生球差。计算表明，在球差范围内距高斯像平面3/4ΔZs处的散射圆斑的半径最小，只有Rs/4。习惯上称它为最小截面圆。考察球差对分辨本领的影响。如果计算分辨本领所在的平面为高斯平面，就把Rs定为两个大小相同的球差散射圆斑能被分辩的最小中心距。这时在试样上相应的两个物点间距为：Δrs=Rs/M=Csα3式中，Cs为电磁透镜的球差系数，α为电磁透镜的孔径半角。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室如果计算分辨本领的平面为最小截面圆所在平面，则Δr’s=1/4Csα3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。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室图4.2由球差和衍射所决定的电磁透镜的分辨本领r对孔径半角α的依赖性电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室d0=1.2Cs1/4λ3/4该式表达了由球差和衍射所决定的理论分辨本领。相应的最佳孔径半角为：αp=(0.2λ/Cs)1/4=0.67(λ/Cs)1/4普遍式为：d0=ACs1/4λ3/4αp=B(λ/Cs)1/4而且可得：Δd0αp=ABλ电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室当加速电压为100kV及轴上磁场最大值H0=1.6×106A/m时，根据不同的假设求得的透射电镜理论分辨本领约为0.2-0.3nm，目前实际透射电子显微镜的点分辨率已接近于这个理论值。二十世纪三十年代以来，一系列电子显微分析仪器相继出现并不断完善，这些仪器包括透射电子显微镜(简称透射电镜)，扫描电子显微镜(简称扫描电镜)和电子探针X射线显微镜分析仪(简称电子探针仪)等。利用这些仪器可以探测如形貌、成分和结构等材料微观尺度的各种信息，有力地推动了材料科学的发展。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室像散：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。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室色差：是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。色差电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室电磁透镜电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室电磁透镜的聚焦原理:通电的短线圈就是一个简单的电磁透镜，它能造成一种轴对称不均匀分布的磁场。穿过线圈的电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近轴运动。而一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜时将被聚焦在主轴的某一点。下图为一种实际常用的带有铁壳以及极靴的电磁透镜示意图。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室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。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室景深：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。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室焦长：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。电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室电磁透镜的分辨本领电镜的原理及构造汤桂成医学院电镜室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：Δr0=0.61λ/NsinαΔr0：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。