透射電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1、透射電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)包括主機和輔助系統(tǒng)兩大部分，主體部分(圖25-2)包含電子源、照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和觀看記錄系統(tǒng)等；輔助系統(tǒng)包含真空系統(tǒng)(機械泵、離子泵等)、電路系統(tǒng)(變壓器、調(diào)節(jié)控制)、水冷系統(tǒng)等。 圖25-2 透射電子顯微鏡基本構(gòu)造 1-電子槍;2-加速管;3-陽極室隔離閥;4-第一聚光鏡;5-其次聚光鏡;6-聚光后處理裝置;7-聚光鏡光闌;8-測角臺;9-樣品桿;10-物鏡;11-選區(qū)光闌;12-中間鏡;13-投影鏡;14-投影鏡;15-光學(xué)顯微鏡;16-小熒光屏;17-大熒光屏 1.電子槍 透射電子顯微鏡中產(chǎn)生電子的裝置叫電子槍，電子槍的研發(fā)與應(yīng)用

2、大致經(jīng)受了三個階段：鎢燈絲、六硼化鑭單晶和場放射電子槍，它們所產(chǎn)生的電子束質(zhì)量越來越好，其亮度分離比一般鎢燈絲亮幾十倍和上萬倍，而且單色性好，尤為適合于高級透射電子顯微鏡。電子槍分為熱陰極型和場放射型兩類，熱陰極電子槍的材料主要有鎢絲和六硼化鑭(lab6)，而場放射電子槍又可以分為熱場放射、冷場放射兩個分支。電子槍的功能是產(chǎn)生高速電子，以熱陰極電子槍為例(圖25-3,圖25-4)，它由處于負高壓(或稱加速電壓)的陰極、柵極(電位比燈絲還要負幾百到幾千伏，數(shù)值可調(diào))和處于0電位的陽極組成，加熱燈絲放射電子束，并在陽極加電壓使電子加速，經(jīng)加速而具有高能量的電子從陽極板的孔中射出，電子束能量與加速電

3、壓有關(guān)，柵極則起到控制電子束外形的作用。另外，假如在某些金屬的表面施加強電場，金屬表面可向外逸出電子，依照此原理可制成場放射電子槍，它沒有柵極，但由陰極和兩個陽極構(gòu)成，第一個陽極主要使電子放射，其次個陽極使電子加速和會聚。按照加速電壓的數(shù)值，由電子槍放射出來的電子在陽極加速電壓(生物樣品多采納80104kv，金屬、陶瓷等多采納120kv, 200kv, 300kv，超高壓電鏡則高達10003000kv)的作用下，經(jīng)過聚光鏡(23個電磁透鏡)匯聚為電子束照耀到樣品上。因為電子的穿透能力很弱(比x射線弱得多)，舉行透射電子顯微鏡檢測的樣品必需很薄，其厚度與樣品成分、加速電壓等有關(guān)，普通在100nm

4、左右(甚至更低)。此外，囫圇主機系統(tǒng)必需保持在抱負的真空狀態(tài)，真空系統(tǒng)通常由機械泵、油蔓延泵、離子泵、真空測量儀表及真空管道組成，它的作用是抽出鏡筒內(nèi)氣體，使鏡筒真空度起碼要在10-5 torr及以下，目前最好的真空度可以達到10-10 torr左右。假如真空度不抱負，可產(chǎn)生多種副作用，如電子與空氣中氣體分子之問的碰撞可引起散射而影響襯度，還會使電子?xùn)艠O與陽極間高壓電離導(dǎo)致極間放電，從而影響電子槍的壽命，殘余的氣體還會腐蝕燈絲，污染樣品。 圖25-3 熱陰極電子槍的基本構(gòu)造 2.照明系統(tǒng) 電子槍放射出的電子束有一定的發(fā)散角，經(jīng)后續(xù)調(diào)整后，可得到發(fā)散角很小的平行電子束。可通過調(diào)整會聚鏡的電流轉(zhuǎn)變

5、電子束的電流密度(也稱束流)。在透射電子顯微鏡的觀測過程中，需要亮度高、相干性好的照明電子束。因此電子槍放射出來的電子束還要用兩個電磁透鏡進一步會聚，以提供束斑尺寸不同、近似平行的照明束。圖25-5為照明系統(tǒng)光路圖，普通都采納雙聚光系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能是為下一級成像系統(tǒng)提供一個亮度大、尺寸小的照明光斑，其中聚光鏡用于匯聚電子槍射出的電子束，以求最小的損失照明樣品，調(diào)整照明強度、孔徑半角和束斑大小。在圖25-5中，第一聚光鏡常采納短焦距強勵磁透鏡，它的作用是將從電子槍得到的光斑盡量縮??；其次聚光鏡為長焦距弱透鏡，它的功能是將第一聚光鏡得到的光源會聚到試樣上，該透鏡通?？蓪庠雌鸬椒糯笞饔?。 圖25

6、-4 熱陰極電子槍的燈絲 圖25-5 照明系統(tǒng)光路圖 3.放大、成像系統(tǒng) 成像系統(tǒng)包括樣品室、物鏡、中間鏡、反差光闌、衍射光闌、投射鏡以及其他電子光學(xué)部件。它的主要功能是，因為穿過樣品的電子攜帶了樣品本身的結(jié)構(gòu)信息，將穿過試樣的電子束在透鏡后成像或成衍射花樣，并經(jīng)過物鏡、中間鏡和投影鏡接力放大，終于以圖像或衍射像的形式顯示于熒光屏上。樣品室有一套機關(guān)設(shè)置，以保證樣品常常更換時不破壞主機的真空狀態(tài)。試驗操作時，樣品可在x軸、y軸二維方向移動，以便找到所要觀看的位置。 圖25-6為成像系統(tǒng)暗示圖，物鏡是主機中最關(guān)鍵的部分，這是由于透射電子顯微鏡辨別本事的凹凸主要取決于物鏡。它的功能是未來自樣品不同

7、部位、傳揚方向相同和相位相同的彈性散射電子束會聚于其后焦面上，構(gòu)成含有試樣結(jié)構(gòu)信息的散射花樣或衍射花樣；未來自試樣同一點的不同方向的彈性散射束會聚于其像平面上，構(gòu)成與試樣組織相對應(yīng)的顯微像。事實上，物鏡的任務(wù)就是形成第一幅電子像或衍射像，完成物到像的轉(zhuǎn)換并加以放大，要求像差盡可能小而又要有較高的放大倍數(shù)(20100倍)。目前新一代透射電子顯微鏡的特點主要是大幅度充實了球差矯正參數(shù)，但此類設(shè)備用法還不普及，在頻繁的透射電子顯微鏡中，物鏡光闌可以擋掉大角度散射的非彈性電子，使色差和球差削減，在提高襯度的同時還可以得到樣品的更多信息，在挑選后焦面上的晶體樣品衍射束成像后，可獲得明、暗場像。另外，作為弱激磁長焦距可變率透鏡，中間鏡可放大120倍，它的作用是控制透射電鏡總的放大倍數(shù)，把上方物鏡形成的一次中間像或衍射像投射到投影鏡的物平面上，而投影鏡則是一種短焦距強磁透鏡，它可把經(jīng)過中間鏡形成的二次中間像或衍射像投影到熒光屏上，終于形成放大的電子像或衍射像。 圖25-6 成像系統(tǒng)光路圖 4.觀看室和照相室(記錄系統(tǒng)) 在觀看、記錄系統(tǒng)中，為便利前期觀看，高性能透射電子顯微鏡除了熒光屏外，還配實用于聚焦的小熒光屏和放大510倍的光學(xué)放大鏡。熒光