材料分析与测试课件chapter5.ppt

第五章 透射电镜的结构 光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需求。上世纪30年代后，电子显微镜的发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展。 电子波长 根据德布罗意（de Broglie）的观点，运动的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即 （5-4） 式中，h为普郎克常数：h=6.626×10-34J.s；m为电子质量；v为电子运动速度，它和加速电压U之间存在如下关系： 即 （5-5） 式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。 将（5-5）式和（5-4）式整理得： （5-6） 电磁透镜 电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会聚成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束折射，从而产生电子束的会聚与发散，达到成像的目的。人们把用静电场构成的透镜称之“静电透镜”；把电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称之“电磁透镜”。 静电透镜 当电子在电场中运动，由于电场力的作用，电子会发生折射。我们将两个同轴圆筒带上不同电荷（处于不同电位），两个圆筒之间形成一系列弧形等电位面族，散射的电子在圆筒内运动时受电场力作用在等电位面处发生折射并会聚于一点（图5-2）。这样就构成了一个最简单的静电透镜。透射电子显微镜中的电子枪就是一个静电透镜。 电磁透镜 短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。实际电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里（如图5-4）。 电磁透镜 带有极靴的电磁透镜: 为进一步缩小磁场轴向宽度，可在环状间隙两边，接出一对顶端成圆锥状的极靴。 带有极靴的电磁透镜：使有效磁场集中到沿透镜轴向几mm的范围之内。 衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率 比较式（5-2）和（5-10），可以发现孔径半角α对衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率的影响是相反的。 提高孔径半角α可以提高分辨率Δr0，但却大大降低了ΔrS。因此电镜设计中必须兼顾两者。唯一的办法是让ΔrS=Δr0，考虑到电磁透镜中孔径半角α很小（10-2-10-3rad），则 （5-13） 那么ΔrS=Δr0， 即： 整理得： （5-14） 将上式代入（5-13）， （5-15） 根据式（5-15）和（5-16），透射电镜孔径半角α通常是10-2-10-3rad；目前最佳的电镜分辨率只能达到0.1nm左右。 景深 电磁透镜的景深是指当成像时，像平面不动（像距不变），在满足成像清晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离 当物点位于O处时，电子通过透镜在Oˊ处会聚。让像平面位于Oˊ处，此时像平面上是一像点；当物点沿轴线渐移到A处时，聚焦点则从Oˊ沿轴线移到了Aˊ处，由于像平面固定不动，此时位于Oˊ处的像平面上逐渐由像点变成一个散焦斑。如果衍射效应是决定电磁透镜分辨率的控制因素，那么散焦斑半径R0折算到物平面上的尺寸只要不大于Δr0，像平面上就能成一幅清晰的像。 轴线上AB两点间的距离就是景深Df。 由图5-9的几何关系可推导出景深的计算公式为： （5-16） 焦长 焦长是指物点固定不变（物距不变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。 当物点位于O处时，电子通过透镜在Oˊ处会聚。让像平面位于Oˊ处，此时像平面上是一像点；当像平面沿轴线前后移动时，像平面上逐渐由像点变成一个散焦斑。只要散焦斑的尺寸不大于R0（折算到物平面上的尺寸不大于Δr0），像平面上将是一幅清晰的像。此时像平面沿轴线前后可移动的距离为DL：由图5-10中几何关系得： 透射电镜的结构 图5-11是透射电镜的外观照片。 通常透射电镜由电子光学系统、电源系统、真空系统、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。 透射电镜的结构 图5-12是电子光学系统的组成部分示意图。由图可见透射电镜电