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8 电子光学基础 –周108, 8.0 电子显微分析概述 8.1 电子波与电磁透镜 8.2 电磁透镜的像差与分辨本领 8.3 电磁透镜的景深和焦长 8.0 电子显微分析概述 电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。 观察微小物体的历史，是从放大镜开始的，然后进入显微镜时代。当光学显微镜达到了分辨本领的极限时，为了达到满足人们观察微观世界的渴望时，促成了电子显微镜的发明。 光学显微镜的构思是：直接观察物体放大后的像，以代替用放大镜观察物体本身。因此需要有两块透镜组合起来。 光学显微镜的有效放大率 埃贝等从理论证明：光学显微镜分辨本领界限的因素是——光线的波长，因为光学显微镜是利用光线来看物体的，为了要看到物体，物体的尺寸必须大于光的波长，这就是光学显微镜所以会有极限的原因，也称为光的衍射效应的影响，是无法克服的极限，这个极限在200毫微米左右。 有效放大率=人眼分辨本领值/显微镜分辨本领值 8.0 电子显微分析概述 光学显微镜的原理 8.1 电子波与电磁透镜 8.1.1 光学显微镜的分辨率极限 8.1.2 电子波的波长 8.1.3 电磁透镜 电磁谱(各种射线的上、下限并非十分严格，图示仅为大致的范围) 8.1.1 光学显微镜的分辨率极限 分辨本领是指成像物体(试样)上能分辨出来的两个物点间的最小距离。 光学显微镜的分辨本领为： 光学显微镜的分辨本领取决于照明光源的波长。在可见光波长范围，光学显微镜分辨本领的极限为2000?。因此，要提高显微镜的分辨本领，关键是要有波长短，又能聚焦成像的照明光源。 1924年德布罗意(De Brolie)发现电子波的波长比可见光短十万倍。又过了两年，布施(Busch)指出轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦。 在此基础上，1933年鲁斯卡(Rushka)等设计兵制造厂世界上第一台透射电子显微镜。 8.1.2 电子波的波长 电子显微镜的照明光源是电子波。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即： 电子的速度和加速电压U之间存 在下面的关系： 电子波的波长： 表8-1 不同加速电压下电子波的波长(经相对论校正) 8.1.3 电磁透镜 带有软磁壳的电磁透镜示意图 有极靴电磁透镜 8.2 电磁透镜的像差与分辨本领 8.2.1 像差 球差－周112 像散 色差 8.2.2 分辨本领 电磁透镜的分辨本领由 衍射效应 球向像差 来决定 衍射效应对分辨本领的影响 由衍射效应所限定的分辨本领在理 论上可由Rayleigh公式计算 像差对分辨率的影响 为了使球差变小，可通过减小α来实现，但从衍射效应来看α减小将使Δro变大，分辨本领下降。因此，两者必须兼顾。关键是确定电磁透镜的最佳孔径半角α。，使得衍射效应Airy斑和球差散焦斑尺寸大小相等，表明两者对透镜分辨本领影响效果一样。 ＝ － 透射电镜的最佳分辨本领达10-1nm数量级。如日本日立公司的H-9000型透射电镜的点分辨率为1．8?。 8.3 电磁透镜的景深和焦长 8.3.1 景深 8.3.2 焦长 8.3.1 景深或场深 透镜物平面允许的轴向偏差定义为透镜的景深，用Df来表示 电磁透镜孔径半角越小，景深越大 8.3.2 焦长 透镜像平面允许的轴向偏差定义为透镜的焦长，用DL表示 作业 电子显微分析概述 周玉：p116-3、5 * * 眼睛是怎样看见东西的？ 照相机有镜头、光圈、暗箱、底片和调节装置。 人眼的结构和照相机十分相似，角膜和晶状体相当于镜头，瞳孔相当于光圈，脉络膜相当于暗箱，视网膜相当于底片。 电磁透镜的聚焦原理示意图 电磁透镜的聚焦原理示意图 电磁透镜的聚焦原理示意图 物距：L1 像距：L2 焦距：f 放大倍数：M 电磁透镜的焦 距近似计算式： 电磁透镜是一种变焦距或变倍率的会聚透镜 8.2.1 像差 8.2.2 分辨本领 球差即球面像差，是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律而造成的。离开透镜主轴较远的电子(远轴电子)比主轴附近的电子(近轴电子)被折射程度过大。 由透镜磁场的非旋转对称而引起的 可以通过消散像器来弥补 液氮温度—摄氏200°C ● ● × 低温样品台(Cooling Stage) 可到1000°C ● ● × 加热样品台(Heating Stage) 表面形貌辅助手段 ● × × 背散射像(BS) 表面形貌分析 ● × × 二次电子像(SE) 微区元素、杂质分析 ● ● ● X射线能谱(EDS) 数字成像用 × ●794(1k×1k) ●894(2k×2k) 数字相机