【2017年整理】透射电子显微镜基本结构及功能

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1、透射电子显微镜部分结构及功能在 光 学 显 微 镜 下 无 法 看 清 小 于 0.2µm 的 细 微 结 构 ， 这 些 结 构 称 为 亚 显 微 结 构 （submicroscopic structures） 或 超 微 结 构 （ ultramicroscopic structures； ultrastructures） 。 要 想 看 清 这 些 结 构 ， 就 必 须 选 择 波 长 更 短 的 光 源 ， 以 提 高 显 微 镜 的 分 辨 率 。 1932 年 Ruska 发 明 了 以 电 子 束 为 光 源 的 透 射 电 子 显 微 镜 （ transmiss

2、ion electron microscope， TEM） ， 电 子 束 的 波 长 要 比 可 见 光 和 紫 外 光 短 得 多 ， 并 且 电 子 束 的 波 长 与发 射 电 子 束 的 电 压 平 方 根 成 反 比 ， 也 就 是 说 电 压 越 高 波 长 越 短 。 目 前 TEM 的 分 辨 力可 达 0.2nm。 电 子 显 微 镜 与 光 学 显 微 镜 的 成 像 原 理 基 本 一 样 ， 所 不 同 的 是 前 者 用 电 子 束 作 光 源 ，用 电 磁 场 作 透 镜 。 另 外 ， 由 于 电 子 束 的 穿 透 力 很 弱 ， 因 此 用 于 电 镜 的

3、标 本 须 制 成 厚 度 约50nm 左 右 的 超 薄 切 片 。 这 种 切 片 需 要 用 超 薄 切 片 机 （ ultramicrotome） 制 作 。 电 子显 微 镜 的 放 大 倍 数 最 高 可 达 近 百 万 倍 、 由 电 子 照 明 系 统 、 电 磁 透 镜 成 像 系 统 、 真 空 系 统、 记 录 系 统 、 电 源 系 统 等 5 部 分 构 成 ， 如 果 细 分 的 话 ： 主 体 部 分 是 电 子 透 镜 和 显 像 记录 系 统 ， 由 置 于 真 空 中 的 电 子 枪 、 聚 光 镜 、 物 样 室 、 物 镜 、 衍 射 镜 、 中 间 镜

4、 、 投影 镜 、 荧 光 屏 和 照 相 机 。电 子 显 微 镜 是 使 用 电 子 来 展 示 物 件 的 内 部 或 表 面 的 显 微 镜 。 高 速 的 电 子 的 波 长比 可 见 光 的 波 长 短 （ 波 粒 二 象 性 ） ， 而 显 微 镜 的 分 辨 率 受 其 使 用 的 波 长 的 限 制 ， 因 此 电子 显 微 镜 的 分 辨 率 （ 约 0.1 纳 米 ） 远 高 于 光 学 显 微 镜 的 分 辨 率 （ 约 200 纳 米 ） 。透 射 式 显 微 镜 的 结 构 与 原 理透 射 式 电 子 显 微 镜 (TEM)与 投 射 式 光 学 显 微 镜 的

5、原 理 很 相 近 ， 它 们 的 光 源 、 透 镜虽 不 相 同 ， 但 照 放 大 和 成 像 的 方 式 却 完 全 一 致 。在 实 际 情 况 下 无 论 是 光 镜 还 是 电 镜 ， 其 内 部 结 构 都 要 比 图 示 复 杂 得 多 ， 图 中 的 聚 光镜 （ condonser lens） 、 物 镜 （ object lens） 和 投 影 镜 （ projection lens） 为 光 路 中的 主 要 透 镜 ， 实 际 制 作 中 它 们 往 往 各 是 一 组 （ 多 块 透 镜 构 成 ） ， 在 设 计 电 镜 时 为 达 到 所需 的 放 大 率 、

6、 减 少 畸 变 和 降 低 像 差 ， 又 常 在 投 影 镜 之 上 增 加 一 至 两 级 中 间 镜 （ intemediate lens） 。透 射 式 电 子 显 微 镜 的 总 体 结 构 包 括 镜 体 和 辅 助 系 统 两 大 部 分 ,镜 体 部 分 包 含 ： 照 明 系 统 （ 电 子 枪 G， 聚 光 镜 C1、 C2） ， 成 像 系 统 （ 样 品 室 ， 物 镜 O， 中 间 镜 I1、 I2， 投 影 镜 P1、 P2） ， 观 察 记 录 系 统 （ 观 察 室 、 照 相 室 ） ， 调 校 系 统 （ 消 像散 器 、 束 取 向 调 整 器 、 光

7、阑 ） 。 辅 助 系 统 包 含 ： 真 空 系 统 （ 机 械 泵 、 扩 散 泵 、 真空 阀 、 真 空 规 ） ， 电 路 系 统 （ 电 源 变 换 、 调 整 控 制 ） ， 水 冷 系 统 。透 射 电 镜 的 总 体 工 作 原 理 是 ： 由 电 子 枪 发 射 出 来 的 电 子 束 ， 在 真 空 通 道 中 沿 着 镜 体光 轴 穿 越 聚 光 镜 ， 通 过 聚 光 镜 将 之 会 聚 成 一 束 尖 细 、 明 亮 而 又 均 匀 的 光 斑 ， 照 射 在 样 品室 内 的 样 品 上 ； 透 过 样 品 后 的 电 子 束 携 带 有 样 品 内 部 的 结

8、构 信 息 ， 样 品 内 致 密 处 透 过 的电 子 量 少 ， 稀 疏 处 透 过 的 电 子 量 多 ； 经 过 物 镜 的 会 聚 调 焦 和 初 级 放 大 后 ， 电 子 束 进 入 下级 的 中 间 透 镜 和 第 1、 第 2 投 影 镜 进 行 综 合 放 大 成 像 ， 最 终 被 放 大 了 的 电 子 影 像 投 射在 观 察 室 内 的 荧 光 屏 板 上 ； 荧 光 屏 将 电 子 影 像 转 化 为 可 见 光 影 像 以 供 使 用 者 观 察 。 本 节将 分 别 对 各 系 统 中 的 主 要 结 构 和 原 理 予 以 介 绍 。一 、 照 明 系 统照

9、 明 系 统 包 括 电 子 枪 和 聚 光 镜 2 个 主 要 部 件 ， 它 的 功 用 主 要 在 于 向 样 品 及 成 像 系统 提 供 亮 度 足 够 的 光 源 电 子 束 流 ， 对 它 的 要 求 是 输 出 的 电 子 束 波 长 单 一 稳 定， 亮 度 均 匀 一 致 ， 调 整 方 便 ， 像 散 小 。1.电 子 枪 （ electronic gun）由 阴 极 （ cathode） 、 阳 极 （ anode） 和 栅 极 （ grid） 组 成 。(1)阴 极 ： 阴 极 是 产 生 自 由 电 子 的 源 头 ， 一 般 有 直 热 式 和 旁 热 式 2 种

10、 ， 旁 热 式 阴极 是 将 加 热 体 和 阴 极 分 离 ,各 自 保 持 独 立 。 在 电 镜 中 通 常 由 加 热 灯 丝 （ filament） 兼 做阴 极 称 为 直 热 式 阴 极 ， 材 料 多 用 金 属 钨 丝 制 成 ， 其 特 点 是 成 本 低 ， 但 亮 度 低 ， 寿 命 也 较短 。 灯 丝 的 直 径 约 为 0.10 0.12mm， 当 几 安 培 的 加 热 电 流 流 过 时 ， 即 可 开 始 发 射 出自 由 电 子 ， 不 过 灯 丝 周 围 必 须 保 持 高 度 真 空 ， 否 则 就 象 漏 气 灯 泡 一 样 ， 加 热 的 灯 丝

11、 会 在倾 刻 间 被 氧 化 烧 毁 。 灯 丝 的 形 状 最 常 采 用 的 是 发 叉 式 ， 也 有 采 用 箭 斧 式 或 点 状 式 的 ， 后2 种 灯 丝 发 光 亮 度 高 ， 光 束 尖 细 集 中 ， 适 用 于 高 分 辨 率 电 镜 照 片 的 拍 摄 ， 但 使 用 寿 命 更短 。阴 极 灯 丝 被 安 装 在 高 绝 缘 的 陶 瓷 灯 座 上 （ 图 4-16） ， 既 能 绝 缘 、 耐 受 几 千 度 的 高温 ， 还 可 以 方 便 更 换 。 灯 丝 的 加 热 电 流 值 是 连 续 可 调 的 。 在 一 定 的 界 限 内 ， 灯 丝 发 射

12、出 来 的 自 由 电 子 量 与 加 热 电 流 强 度 成 正 比 ， 但 在 超 越 这个 界 限 后 ， 电 流 继 续 加 大 ， 只 能 降 低 灯 丝 的 使 用 寿 命 ， 却 不 能 增 大 自 由 电 子 的 发 射 量 ，我 们 把 这 个 临 界 点 称 做 灯 丝 饱 和 点 ， 意 即 自 由 电 子 的 发 射 量 已 达 “满 额 ”， 无 以 复 加 。正 常 使 用 常 把 灯 丝 的 加 热 电 流 调 整 设 定 在 接 近 饱 和 而 不 到 的 位 置 上 ， 称 做 “欠 饱 和 点 ”。 这 样 在 保 证 能 获 得 较 大 的 自 由 电 子

13、 发 射 量 的 情 况 下 ,可 以 最 大 限 度 地 延 长 灯 丝 的 使用 寿 命 。 钨 制 灯 丝 的 正 常 使 用 寿 命 为 40h 左 右 ， 现 代 电 镜 中 有 时 使 用 新 型 材 料 六 硼化 镧 （ LaB6） 来 制 作 灯 丝 ， 其 价 格 较 贵 ， 但 发 光 效 率 高 、 亮 度 大 （ 能 提 高 一 个 数 量 级） ， 并 且 使 用 寿 命 远 较 钨 制 灯 丝 长 得 多 ,可 以 达 到 1000h ， 是 一 种 很 好 的 新 型 材 料 。(2)阳 极 ： 为 一 中 心 有 孔 的 金 属 圆 筒 ， 处 在 阴 极 下

14、方 ， 当 阳 极 上 加 有 数 十 千 伏或 上 百 千 伏 的 正 高 压 加 速 电 压 时 ， 将 对 阴 极 受 热 发 射 出 来 的 自 由 电 子 产 生 强烈 的 引 力 作 用 ， 并 使 之 从 杂 乱 无 章 的 状 态 变 为 有 序 的 定 向 运 动 ， 同 时 把 自 由 电 子 加速 到 一 定 的 运 动 速 度 （ 与 加 速 电 压 有 关 ， 前 面 已 经 讨 论 过 ） ， 形 成 一 股 束 流 射 向 阳极 靶 面 。 凡 在 轴 心 运 动 的 电 子 束 流 ， 将 穿 过 阳 极 中 心 的 圆 孔 射 出 电 子 枪 外 ， 成 为

15、照 射 样品 的 光 源 。(3)栅 极 ： 位 于 阴 、 阳 极 之 间 ， 靠 近 灯 丝 顶 端 ， 为 形 似 帽 状 的 金 属 物 ， 中 心 亦 有 一小 孔 供 电 子 束 通 过 。 栅 极 上 加 有 0 1000V 的 负 电 压 (对 阴 极 而 言 )， 这 个 负 电 压 称 为栅 偏 压 VG， 它 的 高 低 不 同 ， 可 由 使 用 者 根 据 需 要 调 整 ， 栅 极 偏 压 能 使 电 子 束 产 生 向 中心 轴 会 聚 的 作 用 ， 同 时 对 灯 丝 上 自 由 电 子 的 发 射 量 也 有 一 定 的 调 控 抑 制 作 用 。 (4)工

16、 作 原 理 。 在 灯 丝 电 源 VF 作 用 下 ， 电 流 IF 流 过 灯 丝 阴 极 ， 使 之 发 热 达 2500 以 上 时 ， 便 可 产 生 自 由 电 子 并 逸 出 灯 丝 表 面 。 加 速 电 压 VA 使 阳 极 表 面 聚 集 了 密集 的 正 电 荷 ， 形 成 了 一 个 强 大 的 正 电 场 ， 在 这 个 正 电 场 的 作 用 下 自 由 电 子 便 飞 出 了 电 子枪 外 。 调 整 VF 可 使 灯 丝 工 作 在 欠 饱 和 点 ， 电 镜 使 用 过 程 中 可 根 据 对 亮 度 的 需 要 调节 栅 偏 压 VG 的 大 小 来 控 制 电 子 束 流 量 的 大 小 。电 镜 中 加 速 电 压 VA 也 是 可 调 的 ， VA 增 大 时 ， 电 子 束 的 波 长 缩 短 ， 有 利 于 电镜 分 辨 力 的 提 高 。 同 时 穿 透 能 力 增 强 ， 对 样 品 的 热 损 伤 小 ， 但 此 时 会 由 于 电 子 束 与 样 品碰