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PAGE  PAGE 19 第二章 电子显微分析 电子显微分析是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号，分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。它包括用透射电子显微镜进行的透射电子显微分析；用扫描电子显微镜进行的扫描电子显微分析；用电子探针仪进行的X射线显微分析。 电子显微分析的特点是：①可以在极高放大倍率下直接观察试样的形貌、结构，选择分析区域；②是一种微区分析方法，具有很高的分辨率，能进行nm尺度的晶体结构及化学组成的分析；③各种电子显微分析仪器向着多功能、综合性方向发展，可以进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析。 第一节 电子光学基础 1．电子显微镜中的电子光学与几何光学的比较。 ①几何光学是利用透镜使光线聚焦成像，电子光学则是利用电场或磁场使电子束聚焦成像，电场、磁场起电子透镜的作用。 ②在几何光学中，一般都是利用旋转对称面（例如球面）作为折射面。在电镜这类仪器的成像系统中，是利用旋转对称电、磁场产生的等位面作为折射面。 ③电子光学可仿照几何光学把电子运动的轨迹看成射线，并引入一系列的几何光学参量（如焦点、焦距等）来表征电磁透镜对电子对于电子射线的聚焦成像作用。但电磁透镜有别于光学玻璃透镜的一个特点是它一种可变焦距或可变倍率的会聚透镜。 2．为了减小像差，电镜中的电子光学系统的有一些附加限制。 ①涉及的电、磁场是静场（不随时间变化），且处于真空中，场中没有自由空间电荷或电流分布，即忽略电子束本身的空间电荷和电流分布。 ②入射电子束轨迹必须满足离轴条件： 和 ，式中z是旋转对称轴的坐标，是电子径向位置坐标矢量。 3．电子在静电场中的运动、静电透镜 电子由低电位区进入较高电位区时，折射角小于入射角，即电子的轨迹趋向于法线。反之，电子的轨迹将离开法线。（见教才图2-1 电子束在电位分界面（等位面）的折射。 实际电场的电位是连续变化的。可将连续的电位分布分成许多小段，在场中引入间隔为的等电位面，当→0时，电子的折射轨迹变成为曲线轨迹。 静电透镜总是会聚透镜，了解三极式静电透镜的等电位面和电子轨迹。（见教材图2-2 三极式静电透镜的等电位面（a）和电子轨迹（b）示意图）。 静电透镜需要很强的电场，往往在镜筒内导致击穿和弧光放电，尤其在低真空度情况下更为严重。因此静电透镜焦距不能做得很短，不能很好地矫正球差。因此现代电子显微镜一般不使用静电透镜，而改用磁透镜。 4．电子在磁场中的运动、磁透镜 电镜中对电子束聚焦成像的磁场是旋转对称的非匀强磁场，其等磁位面形状与静电透镜的等电位面或玻璃透镜的界面相似，产生这种旋转对称磁场的线圈装置就是磁透镜。（见教材图2-4 包壳磁透镜结构示意图、图2-5 极靴磁透镜结构示意图和图2-6 几种透镜的轴向磁场强度分布（通过线圈的电流相同）。 理解：电子通过磁透镜的轨迹。（见教材图2-7 电子在短线圈磁透镜中受到的力及电子轨迹）。 理解：在磁透镜中，由于成像电子在磁场中旋转，因此像相对与物体有一个相对旋转，这个旋转角称为磁透镜的旋转角。磁透镜的旋转角的大小与激磁的安匝数（IN）成正比，其方向随激磁方向而改变。 5．旋转对称的电磁场可使电子束聚焦成像，但要得到清晰而又与物体的几何形状相似的图像，必须有以下前提： ①磁场分布是严格轴对称的； ②满足旁轴条件； ③电子波的波长（速度）相同。 6．实际的电磁透镜并不能完全满足上述条件，因此从物面上散射出的电子束，不一定全部会聚在一点，或者物面上的各点并不按比例成像于同一平面内，结果是图像模糊不清，或者与原物的几何形状不完全相似，这种现象称为像差。电磁透镜中的主要像差是：球差、色差、轴上像散、畸变等。其中球差、轴上像散和畸变是由于透镜磁场的几何缺陷产生的，又称几何像差。 ①球差：球差是由于电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对电子束的会聚能力不同而造成的。一般远轴区对电子束的会聚能力比近轴区大，此类球差叫正球差。 ②色差：这是由于从一个物点散射的成像电子的波长（或能量）不同而不能聚焦在一个像点上引起的一种相差。 ③轴上像散：简称像散，它是由于透镜磁场不是理想的旋转对称磁场而引起的像差。 ④畸变：球差除了影响透镜分辨本领外，还会引起图像畸变。若存在正球差，则产生枕形畸变；若有负球差，将产生桶形畸变；另外，由于磁透镜存在磁转角，所以伴随产生旋转畸变。 （见教材图2-9 电磁透镜的像差、图2-10 畸变） 7．电磁透镜的分辨本领是电磁透镜的最重要的性能指标。它受到衍射效应、球差、色差和轴上像散等因素的影响，其中衍射效应和球差是最主要的。电磁透镜的理论分辨本领：0.1～0.2nm。 8．电磁透镜的场深和焦深。 电磁