第七章 透射电镜的结构

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第二篇 材料电子显微分析第七章 透射电镜的结构

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透射电子显微镜是利用电子的波动性来观察固体材料内部的各种缺 陷和直接观察原子结构的仪器。尽管复杂得多， 陷和直接观察原子结构的仪器。尽管复杂得多，它在原理上基本模 拟了光学显微镜的光路设计， 拟了光学显微镜的光路设计，简单化地可将其看成放大倍率高得多 的成像仪器。一般光学显微镜放大倍数在数十倍到数百倍， 的成像仪器。一般光学显微镜放大倍数在数十倍到数百倍，特殊可 到数千倍。而透射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之间， 到数千倍。而透射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之间，有些 甚至可达数百万倍或千万倍。 甚至可达数百万倍或千万倍。 目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为2 3 , 目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为2~3Å,电压为 100~500kV 放大倍数50 1200,000倍 500kV, 50~1200,000 100 500kV,放大倍数50 1200,000倍。由于材料研究强调综合分 电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，如扫描电镜、 析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，如扫描电镜、扫描透 射电镜、 射线能谱仪、电子能损分析等有关附件，使其成为微观 射电镜、X射线能谱仪、电子能损分析等有关附件，使其成为微观 形貌观察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器，即分析电镜。 形貌观察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器，即分析电镜。 它们能同时提供试样的有关附加信息。 它们能同时提供试样的有关附加信息。 高分辨电镜的设计分为两类：一是为生物工作者设计的， 高分辨电镜的设计分为两类：一是为生物工作者设计的，具有最佳 分辨本领而没有附件；二是为材料科学工作者设计的， 分辨本领而没有附件；二是为材料科学工作者设计的，有附件而损 失一些分辨能力。另外，也有些设计，在高分辨时采取短焦距， 失一些分辨能力。另外，也有些设计，在高分辨时采取短焦距，低 分辨时采取长焦距。 分辨时采取长焦距。

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光学显微镜和透射电镜光路图比较光源 聚光镜 试样 物镜 试样 物镜 电子枪 聚光镜

中间象 目镜 中间象 投影镜

毛玻璃 照相底板

观察屏 照相底板

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透射电镜的工作原理

工作原理： 工作原理： 电子枪发射的电子束在阳极加速电压作用下加速， 电子枪发射的电子束在阳极加速电压作用下加速，经聚光镜 会聚成平行电子束照明样品， 会聚成平行电子束照明样品，穿过样品的电子束携带样品 本身的结构信息，经物镜、中间镜、投影镜接力聚焦放大， 本身的结构信息，经物镜、中间镜、投影

镜接力聚焦放大， 以图像或衍射谱形式显示于荧光屏。 以图像或衍射谱形式显示于荧光屏。

成像原理与光镜相似，具体差异： 成像原理与光镜相似，具体差异： 光镜用可见光作照明束，电镜以电子束作照明束。 1)光镜用可见光作照明束，电镜以电子束作照明束。 光镜用玻璃透镜，电镜用电磁透镜。 2)光镜用玻璃透镜，电镜用电磁透镜。 光镜对组成相形貌分析，电镜兼有组成相形貌和结构分析。 3)光镜对组成相形貌分析，电镜兼有组成相形貌和结构分析。

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主要内容1 2 3 4透射电子显微镜的结构

主要部件的结构

透射电子显微镜分辨率和放大倍数的测定

透射电镜的发展

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7-1透射电子显微镜的结构

右图是透射电镜的外观照片。 右图是透射电镜的外观照片。

通常透射电镜由电子光学系 通常透射电镜由电子光学系 电源系统、真空系统、 统、电源系统、真空系统、 循环冷却系统和控制系统组 循环冷却系统和控制系统组 成，其中电子光学系统是电 镜的主要组成部分。 镜的主要组成部分。

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右图是电子光学系 统的组成部分示意 图。由图可见透射 电镜电子光学系统 是一种积木式结构， 是一种积木式结构， 上面是照明系统 照明系统、 上面是照明系统、 中间是成像系统 成像系统、 中间是成像系统、 下面是观察与记录 下面是观察与记录 系统。 系统。

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一、照明系统

照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。 照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。 电子枪 组成 电子枪是发射电子的照明光源。 电子枪是发射电子的照明光源。 聚光镜是把电子枪发射出来的电子会聚而成的交叉点进一 步会聚后照射到样品上。 步会聚后照射到样品上。 照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、 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。 行度好、束流稳定的照明源。

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电子枪电子枪是透射电子显微镜的电子源。 电子枪是透射电子显微镜的电子源。 常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极 栅极帽 阴极、 常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极帽 阳极组成 组成。 和阳极组成。 阴极：称灯丝，一般是由0.03 0.1毫米的钨丝作成 0.03~0.1毫米的钨丝作成V 形状。 阴极：称灯丝，一般是由0.03 0.1毫米的钨丝作成V或Y形状。 阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全， 阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是阳极接 阴极带有负高压。 地，阴极带有负高压。 栅极：称控制极。会聚电子束；控制电子束电流大小， 栅

极：称控制极。会聚电子束；控制电子束电流大小，调节象 的亮度。 的亮度。 阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能，因此， 阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能，因此， 人们习惯上把它们通称为“电子枪” 人们习惯上把它们通称为“电子枪”。

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灯丝

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电子枪

图(a)为电子枪的自偏压 回路， 回路，自偏压回路可以起到 限制和稳定束流的作用。 限制和稳定束流的作用。 图(b)是电子枪结构原理 图。在阴极和阳极之间的某 一地点， 一地点，电子束会集成一个 交叉点， 交叉点，这就是通常所说的 电子源。 电子源。交叉点处电子束直 径约几十个微米。 径约几十个微米。

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聚光镜聚光镜：由于电子之间的斥力和 聚光镜： 阳极小孔的发散作用， 阳极小孔的发散作用，电子束穿 过阳极小孔后，又逐渐变粗， 过阳极小孔后，又逐渐变粗，射 到试样上仍然过大。 到试样上仍然过大。聚光镜用来 会聚电子枪射出的电子束， 会聚电子枪射出的电子束，以最 小的损失照明样品，调节照明强 小的损失照明样品， 孔径角和束斑大小。 度、孔径角和束斑大小。 一般都采用双聚光镜系统，如图 一般都采用双聚光镜系统， 所示。第一聚光镜是强激磁透镜， 所示。第一聚光镜是强激磁透镜， 束斑缩小率为10 50倍左右 10~ 倍左右， 束斑缩小率为10~50倍左右，将 电子枪第一交叉点束斑缩小为1 电子枪第一交叉点束斑缩小为1~ 5μm; 5μm;而第二聚光镜是弱激磁透 镜，适焦时放大倍数为2倍左右。 适焦时放大倍数为2倍左右。 结果在样品平面上可获得2 结果在样品平面上可获得2~ 10μm的照明电子束斑 的照明电子束斑。 10μm的照明电子束斑。

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照明部分示意图阴极(接负高压) 阴极(接负高压)控制极( 控制极(比阴极 负100~1000伏) 伏

阳极 电子束聚光镜

试样

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电子枪的类型电子枪的类型有热发射和场发射两种，热发射大多用钨和 电子枪的类型有热发射和场发射两种，热发射大多用钨和 六硼化镧材料 材料。 六硼化镧材料。一般电子枪的发射原理与普通照明用白炽 灯的发光原理基本相同， 灯的发光原理基本相同，即通过加热来使整个枪体来发射 电子。电子枪的发射体使用的材料有钨和六硼化镧两种。 电子。电子枪的发射体使用的材料有钨和六硼化镧两种。 前者比较便宜并对真空要求较低，后者发射效率要高很多， 前者比较便宜并对真空要求较低，后者发射效率要高很多， 其电流强度大约比前者高一个量级。 其电流强度大约比前者高一个量级。 热发

射的电子枪其主要缺点是枪体的发射表面比较大并且 热发射的电子枪其主要缺点是枪体的发射表面比较大并且 发射电流难以控制。 发射电流难以控制。近来越来越被广泛使用的场发射型电 子枪则没有这一问题。如图所示， 子枪则没有这一问题。如图所示，场发射枪的电子发射是 通过外加电场将电子从枪尖拉出来实现的。 通过外加电场将电子从枪尖拉出来实现的。由于越尖锐处 枪体的电子脱出能力越大，因此只有枪尖部位才能发射电 枪体的电子脱出能力越大， 这样就在很大程度上缩小了发射表面。 子。这样就在很大程度上缩小了发射表面。通过调节外加 电压可控制发射电流和发射表面。 电压可控制发射电流和发射表面。

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场发射电子枪及原理示意图

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二、成像系统成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。 成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。 (一)物镜 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。 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。 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。 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。 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， 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 100般为100-300倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm 左右。 左右。

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物镜

物镜是电镜的最关键的部分， 物镜是电镜的最关键的部分，其作用是将来自试样不同 点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面 后焦面上 点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成 含有试样结构信息的散射花样或衍射花样 衍射花样； 含有试样结构信息的散射花样或衍射花样；将来自试样 同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其象平面上，构 同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其象平面上 象平面 成与试样组织相对应的显微象。 成与试样组织相对应的显微象。 显微象

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物镜物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。 物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。一般来 极靴的内孔和上下级之间的距离越小， 说，极靴的内孔和上下级之间的距离越小，物镜的分辨率 就越高。 就越高。 为了减少物镜的球差， 为了减少物镜的球差，往往在物镜的后焦面上安放一个物 镜光阑。物镜光阑

不仅具有减少球差，像散和色差的作用， 镜光阑。物镜光阑不仅具有减少球差，像散和色差的作用， 而且可以提高图像的衬度。 而且可以提高图像的衬度。 此外，我们在以后的讨论中还可以看到， 此外，我们在以后的讨论中还可以看到，物镜光阑位于后 焦面的位置上时，可以方便的进行暗场及衬度成像的操作。 焦面的位置上时，可以方便的进行暗场及衬度成像的操作。 在用电子显微镜进行图像分析时， 在用电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品之间和距离 总是固定不变的，(即物距L 不变)。 ,(即物距 )。因此改变物理学镜 总是固定不变的，(即物距L1不变)。因此改变物理学镜 放大倍数进行成像时，主要是改变物镜的焦距和像距( 放大倍数进行成像时，主要是改变物镜的焦距和像距(即f 来满足成像条件。 和 L2)来满足成像条件。

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中间镜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 透镜，可在0 20倍范围调节。 倍范围调节 用来进一步放大物镜的像； 时，用来进一步放大物镜的像；当 M<1时 用来缩小物镜的像。 M<1时，用来缩小物镜的像。在电镜 操作过程中， 操作过程中，主要是利用中间镜的 可变倍率来控制电镜的放大倍数。 可变倍率来控制电镜的放大倍数。 如果把中间镜的物平面和物镜的像 平面重合， 平面重合，则在荧光屏上得到一幅 放大像， 放大像，这就是电子显微镜中的成 像操作，如图( 所示。 像操作，如图(a)所示。如果把中 间镜的物平面和物镜的后焦面重合， 间镜的物平面和物镜的后焦面重合， 则在荧光屏上得到一幅电子衍射花 样，这就是电子显微镜中的电子衍 射操作，如图( 所示。 射操作，如图(b)所示。

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