材料分析方法 第2章 电子光学基础

光学透镜电磁透镜照明光源：电子束成像：电磁透镜照明光源：可见光成像：光学透镜2电子光学基础主要内容：•电子波与电磁透镜•电磁透镜的像差与分辨本领•电磁透镜的景深与焦长2.1电子波与电磁透镜•光学显微镜分辨率极限•电子波的波长•电磁透镜成像原理及特点一、光学显微镜分辨率极限•分辨本领/分辨率的概念：成像物体上能分辨出来的两个物点间的距离。•光学显微镜的分辨本领为：λ00Δrλ21Δrλ为照明光源的波长二、电子波的波长UλemUhλ12电子速度较低时：cvmm100mm加速电压很高时，电子速度极高，相对论修正：不同加速电压下电子波的波长（经相对论修正）小结：可见光的波长；390—760nm；电子波的波长在常用100—200KV加速电压下，比可见光小5个数量级。三、电磁透镜A）电磁透镜的聚焦原理B）电磁透镜的结构C）电磁透镜的特点A）电磁透镜的聚焦原理特点：螺旋式近轴运动，与光学凸透镜的聚焦作用相似B）电磁透镜的结构加铁壳及极靴的目的：减小磁场的广延度，使大量磁力线集中在透镜轴向几毫米的范围之内，提高透镜聚焦能力。C）电磁透镜的特点•与光学透镜相似，其物距L1、像距L2和焦距F之间满足：•与光学透镜的区别；电磁透镜是一种变焦距、变倍率透镜，而且其焦距总为正。21111LLF2INUKFr一、像差像差色差几何像差球差像散2.2电磁透镜的像差和分辨本领（1）球差产生原因：电磁透镜中心区域和边缘区域对电子的折射能力差异在物平面内由于球差造成的最小散焦斑的半径为：sssrααCr341（2）像散产生原因：电磁透镜的非旋转对称在物平面内由于像散造成的最小散焦斑的半径为：αfrAA电磁透镜出现椭圆度时造成的焦距差Af解决措施：引入矫正磁场进行补偿（这种装置也叫消像散器）（3）色差产生原因：入射电子波长的非单一性在物平面内由于像散造成的最小散焦斑的半径为：EEαCrcc41EE电子束的能量变化率，取决于加速电压稳定性和电子穿过样品时发生非弹性散射的程度二、分辨本领电磁透镜的分辨本领取决于：衍射效应和球差（1）衍射效应确定的分辨本领瑞利判据：αλrNsin.6100孔径半角越大，分辨本领越高。（2）像差对分辨本领的影响球差像散色差分辨本领影响球差为限制电磁透镜分辨本领的主要因素：孔径半角越小，分辨本领越高。（3）由衍射效应和球差综合确定的分辨本领为41430ssCλArrr（1）景深透镜物平面允许的轴向偏差，用Df表示景深与分辨率及孔径半角之间满足如下关系：αrαrDf0022tan特点：电磁透镜的景深大，便于聚焦操作2.3电磁透镜的景深和焦长（2）焦长透镜像平面允许的轴向偏差，用DL表示•焦长与分辨率及孔径半角之间满足如下关系：αMrαMrDL0022tan特点：电磁透镜的焦长大，便于成像操作