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1、第3章 透射电子显微镜3.1透射电子显微镜的基本构成透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率，高 放大倍数的电子光学仪器，图3. 1是它的实物图。透射电子显微镜由三大系统组成，即电子光学系 统，电源系统，真空系统。电子光学系统是电镜的主体部分，由于它采用圆柱式积木形式，所以又把它叫镜筒，图2.2是 镜筒中的光路简图。电子从最上部的电子枪发射出来后，在加速管内被加速，通过聚光镜，照射到 试样上。透过试样的电子被物镜，中间镜，投影镜放大，成像在荧光屏上。图像通过观察窗观察， 在照相室拍摄照片。整个电子通道处于真空状态。沿着电子在镜筒内的路径，可以将电子光学系统
2、分为以下三部分，即照明系统，成像系统，图像显示记录系统。图3.1透射电子显微镜的外观图（JEM 2010F）静书透議试样中间惊图3.2透射电子显微镜的光路简图311照明系统照明系统由电子枪（电子源），聚光镜，平移对中，倾斜装置组成。它的作用是提供一个高亮度, 高稳定度，照明孔径角小的光源。1. 电子枪电子枪是产生电子的装置，它位于电子显微镜的最上部（图3.2），由于电子枪的种类不同，电子 束的束斑直径、能量的发散度也不同。这些参数在很大程度上决定了照射到试样上的电子的性质。 电子枪大致可以分为热电子发射型和场发射型两种类型。热电子发射型又分发夹式钨灯丝和高亮度 LaB6单晶灯丝两种。场发射型也
3、分冷阴极和热阴极两种方式。与热电子发射型相比，场发射型有更 高的亮度和更好的相干性。（1）热电子发射型电子枪电子枪由阴极（灯丝）、栅极、阳极组成，这三极构成了一个静电透镜，图3.3是热电子发射型 电子枪的框图。三极电位关系为阴极上加负高压（一几十KV一几百KV）,栅极比阴极更负（一100 500V）,阳极是零电位。当加热电源加热阴极，阴极尖端的温度高达2200 C以上时，电子从阴 极表面逸出既发射热电子，由于电子阴极与电子阳极之间有很高的电位差，电子在高压作用下以极大的速度从阴极奔向阳极。在高压作用下电子有很大的动能，从阴极射出的电子具有一定的发散性， 由于栅极具有比阴极更负的电压，栅极排斥电
4、子，使得电子通过栅极孔时有向轴心会聚的趋势，从 而在栅极与阳极之间形成了一个最小电子束截面以后又发射。这个最小电子束截面叫“电子枪交叉 点”通常把它叫做“有效光源”直径约为50pm。自偏压回路的作用：限制和稳定电子束流。工作原理是负高压加在栅极上，因为栅极与阴极之间 有一高压电阻，使得栅极与阴极之间有数百伏的电位差Up，自偏压Up与阴极发射的电子多少成正比。 当阴极发射的电子增多时Up升高，栅极更负，排斥电子通过栅极孔能力增强，使得束流减小。当阴极 发射电子减少时Up下降，栅极负值变小，排斥电子通过栅极孔能力减弱，束流增大。这样调节的结果， 使发射的电子束流保持稳定。灯丝的饱和点：加热阴极灯丝
5、的电流是可调的，随着加热电流增加，灯丝温度升高，发射电子数 量增加，电子束流增加，照明亮度增加。在给定加速电压作用下，当灯丝电流达到某一定值后，继续 增加加热电流，电子束不再增加，照明亮度不会提高，即达到了饱和状态。； 灯业；加熱电源I r! -偏爪电I业稳定电路r I J- i- I I I -r电源 1 图3.3热电子发射型电子枪的框图(2)场发射型电子枪如果在金属表面加一个强电场，金属表面的势垒就变浅，由于隧道效应，金属内部的电子穿过 势垒从金属表面发射出来，这种现象叫场发射。为了使阴极的电场集中，场发射阴极尖端的曲率半 径小于0.1um。与LaB6热阴极电子枪相比，场发射电子枪的亮度要
6、高出100倍，且光源尺寸小，电 子束的相干性好。(a) 冷阴极场发射型电子枪将钨(W)的(310)面作为发射极，不加热，在室温下使用，因为没有热能给发射出的电子，所以， 能量分辨率高(能量发散仅为0.30.5eV)。但是，由于在室温下发射电子，发射板上易产生残留气 体分子的离子吸附，这是发射噪声产生的重要原因。同时，伴随着吸附分子层的形成，发射电流会 逐渐降低，因此，必须定期进行闪光处理(即在尖端上瞬时通过大电流)以除去尖端表面的吸附分 子层。(b) 热阴极场发射型电子枪在施加强电场的状态下，将发射极加热到16001800K,电子越过势垒发射出来(这称为肖特 基效应)。由于加热，电子能量的发散
7、为0.60.8eV，比冷阴极方式稍有增大，但是，其发射极不产生离子吸附，大大地降低了发射噪声，也不需要闪光处理。可以得到稳定的发射电流。图3.4是热 阴极场发射型电子枪和电源系统框图；对于热阴极场发射型电子枪，不采用栅极.而是用吸出极和 静电透镜。加热电源电源T-I图3.4热阴极场发射型电子枪框图2. 聚光镜和偏转系统(1) 聚光镜聚光镜有两个磁透镜和两个透镜光阑组成。作用是把电子枪提供的电子束直径进一步会聚缩小， 以便得到一束强度高、直径小、抗干扰性好的电子束(照明光源)第一聚光镜是强磁透镜，焦距短透 镜。作用是用来控制束斑大小把枪发出的电子束直径缩小1/101/50,并成像在第二聚光镜的物
8、平面 上。第一聚光镜光阑使光束进一步会聚。第二聚光镜是弱磁透镜，焦距较长。作用是控制照明孔径角 和照明面积。一般适焦时放大2倍，它把第一聚光镜缩小后的光斑成像在样品上为进一步改善样品上 的照明条件。第二聚光镜下加一活动光阑，挡住远轴光线以减小球差、减小照明孔径角。同时放置聚 光镜消像散器，以消除像散。双聚光镜的优点：可在较大范围内调节电子束束斑大小，限制样品被照射面积，使样品减少污染， 减小热漂移。(2) 平移对中、倾斜装置使电子束平移，倾斜用电磁偏转器来实现。电磁偏转器的工作原理：上下两个偏转线圈联动。如 果上下偏转线圈对电子束偏转的角度相同而方向相反，就实现电子束的平移运动，如图3.5(a
9、)所示。 如果上偏转线圈使电子束顺时针偏转01角，下偏转线圈使电子束逆时针偏转o+p角，则电子束相对于 原来的方向倾斜了 P角，而入射点位置不变，如图3.5(b)所示。(3) 垂直照明和倾斜照明垂直照明，照明电子束中心线与成像系统轴线重合，用于明场成像；倾斜照明，照明电子束中心 线与成像系统轴线成一定夹角(23)用于暗场成像。采用电磁偏转器来调节照明电子束倾斜度。电子東上他转裟圏（a）（b）图3.5电子束平行移动和倾斜移动时电磁偏转器偏转原理312成像系统成像系统由试样室（试样架）、物镜、中间镜、投影镜组成，它的作用是成像和图像放大。1.试样室试样室是放置试样台的地方，试样台装载着直径3mm的
10、试样。观察试样时为了满足不同要求, 试样台的种类很多。为了调节试样晶体学方位有单倾试样台和双倾试样台；为了研究试样结构和状 态随温度的变化，有加热试样台和冷却试样台，为了观察试样中位错的运动，还有拉伸试样台。在 加热试样台中，通常使用钼作加热器，试样温度可达到800C左右。对于冷却试样台，如果用液氮（沸 点为-195C）作冷却剂，可达-180C左右，如果要在更低的温度下进行实验，可采用液氦（沸点为 -268.94C ）作冷却剂.此时，可达-250C左右。图3.6为双倾试样台的构造和动作原理示意图。图 3.7为具有特殊功能试样台的外观图。图3.6侧插双倾试样台的构造和动作原理示意图锻制収铀呦科试
11、样舞图3.7 3种侧插式试样台的外观图2. 物镜物镜(objective lens)用来成试样的第一幅像，透射电子显微镜分辨率的高低，主要取决于物镜。 物镜是强激磁短焦距透镜，像差小。还借助于物镜光阑和消像散器进一步减小球差，消除像散，提 高分辨率。图3.8所示JEM2010F物镜极靴的断面图，在上、下极靴之间形成旋转对称的强磁场， 试样在极靴的中央，在试样下面是物镜光阑。为了消除像散，在下极靴的下面装有消像散器。物镜 光阑的作用：减小像差、提高衬度、方便地进行明场像和暗场像操作。3. 中间镜中间镜是弱激磁、长焦距、变倍率透镜。作用是用来控制总放大倍数，实现显微组织像和衍射 花样的转换。它的特点是通过调整中间镜激磁电流，(1)可改变中间镜的放大倍数(一般020X范 围内)，从而控制总放大倍数。当M1时，中间镜起放大作用；当MJ Lr加工U三.Hi皂,三三-三弓三-：1?8：-!图3.10慢扫描CCD摄像机结构3.2真空系统透射电镜的电子通道是处于高真空状态的。真空系统的功能是不断地排除镜体内的气体，把真 空度维持在10-510
