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第七章 透射电镜的结构 透射电子显微镜是利用电子的波动性来观察固体材料内部的各种缺陷和直接观察原子结构的仪器。尽管复杂得多，它在原理上基本模拟了光学显微镜的光路设计，简单化地可将其看成放大倍率高得多的成像仪器。一般光学显微镜放大倍数在数十倍到数百倍，特殊可到数千倍。而透射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之间，有些甚至可达数百万倍或千万倍。 目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为2~3?，电压为100~500kV，放大倍数50~1200,000倍。由于材料研究强调综合分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，如扫描电镜、扫描透射电镜、X射线能谱仪、电子能损分析等有关附件，使其成为微观形貌观察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器，即分析电镜。它们能同时提供试样的有关附加信息。 高分辨电镜的设计分为两类：一是为生物工作者设计的，具有最佳分辨本领而没有附件；二是为材料科学工作者设计的，有附件而损失一些分辨能力。另外，也有些设计，在高分辨时采取短焦距，低分辨时采取长焦距。 光学显微镜和透射电镜光路图比较 透射电镜的工作原理 工作原理： 电子枪发射的电子束在阳极加速电压作用下加速，经聚光镜会聚成平行电子束照明样品，穿过样品的电子束携带样品本身的结构信息，经物镜、中间镜、投影镜接力聚焦放大，以图像或衍射谱形式显示于荧光屏。 成像原理与光镜相似，具体差异： 1）光镜用可见光作照明束，电镜以电子束作照明束。 2）光镜用玻璃透镜，电镜用电磁透镜。 3）光镜对组成相形貌分析，电镜兼有组成相形貌和结构分析。 主要内容 7-1透射电子显微镜的结构 右图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。 右图是电子光学系统的组成部分示意图。由图可见透射电镜电子光学系统是一种积木式结构，上面是照明系统、中间是成像系统、下面是观察与记录系统。 一、照明系统 照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。 电子枪是发射电子的照明光源。 聚光镜是把电子枪发射出来的电子会聚而成的交叉点进一步会聚后照射到样品上。 照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。 电子枪 电子枪是透射电子显微镜的电子源。 常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极帽和阳极组成。 阴极：称灯丝，一般是由0.03~0.1毫米的钨丝作成V或Y形状。 阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是阳极接地，阴极带有负高压。 栅极：称控制极。会聚电子束；控制电子束电流大小，调节象的亮度。 阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能，因此，人们习惯上把它们通称为“电子枪”。 灯丝 电子枪 图（a）为电子枪的自偏压回路，自偏压回路可以起到限制和稳定束流的作用。 图（b）是电子枪结构原理图。在阴极和阳极之间的某一地点，电子束会集成一个交叉点，这就是通常所说的电子源。交叉点处电子束直径约几十个微米。 聚光镜 聚光镜：由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，电子束穿过阳极小孔后，又逐渐变粗，射到试样上仍然过大。聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角和束斑大小。 一般都采用双聚光镜系统，如图所示。第一聚光镜是强激磁透镜，束斑缩小率为10～50倍左右，将电子枪第一交叉点束斑缩小为1～5μm；而第二聚光镜是弱激磁透镜，适焦时放大倍数为2倍左右。结果在样品平面上可获得2～10μm的照明电子束斑。 照明部分示意图 电子枪的类型 电子枪的类型有热发射和场发射两种，热发射大多用钨和六硼化镧材料。一般电子枪的发射原理与普通照明用白炽灯的发光原理基本相同，即通过加热来使整个枪体来发射电子。电子枪的发射体使用的材料有钨和六硼化镧两种。前者比较便宜并对真空要求较低，后者发射效率要高很多，其电流强度大约比前者高一个量级。 热发射的电子枪其主要缺点是枪体的发射表面比较大并且发射电流难以控制。近来越来越被广泛使用的场发射型电子枪则没有这一问题。如图所示，场发射枪的电子发射是通过外加电场将电子从枪尖拉出来实现的。由于越尖锐处枪体的电子脱出能力越大，因此只有枪尖部位才能发射电子。这样就在很大程度上缩小了发射表面。通过调节外加电压可控制发射电流和发射表面。 场发射电子枪及原理示意图 二、成像系统 成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。 （一）物镜 物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。 物镜是一个强激磁短焦距的透镜，它的放大倍数较高，一般为100-300倍。目前，