电子光学基础 材料分析测试技术 典型实例.pptVIP

* 第八章 电子光学基础 【教学内容】 1. 电子波与电磁透镜。 2. 电磁透镜的分辨率。 3. 透镜的景深和焦长。 【重点掌握内容】 1. 电磁透镜的像差。 2. 电磁透镜的分辨本领。 3. 电磁透镜的景深和焦长。 【教学难点】 电子在磁场中的运动和磁透镜。 一. 电镜的发展历史 1924年，德布罗意计算出电子波的波长 1926年，布施发现轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦 1932～1933年间，德国的劳尔和鲁斯卡等成功研制世界上第一台电子显微镜 1939年，德国的西门子公司生产出分辨本领优于10nm的商品电子显微镜 (一) 光学显微镜的局限性 一个世纪以来，人们一直用光学显微镜来揭示金属材料的显微组织，借以弄清楚组织、成分、性能的内在联系。但光学显微镜的分辨本领有限，对诸如合金中的G.P 区（几十埃）无能为力。 二. 电子波与电磁透镜 最小分辨距离计算公式 其中： ——最小分辨距离 ——波长 ——透镜周围的折射率 ——透镜对物点张角的一半 ——称为数值孔径 对于光学显微镜，N.A的值均小于1，油浸透镜也只有1.5－1.6，而可见光的波长有限，因此，光学显微镜的分辨本领不能再次提高。 提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。 (二) 电子的波长 比可见光波长更短的电磁波有： 1）紫外线 —— 会被物体强烈的吸收； 2）X 射线 —— 无法使其会聚 ； 3）电子波 根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。 电子波长与加速电压的关系（经相对论修正） 加速电压（kV） 10 20 30 50 60 波长（?） 0.122 0.0859 0.0698 0.0536 0.0487 加速电压（kV） 70 100 200 500 1000 波长（ ? ） 0.0448 0.0370 0.0251 0.0142 0.0087 电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力，使其会聚或发散，从而达到成像的目的。 由静电场制成的透镜—— 静电透镜 由磁场制成的透镜 —— 磁透镜 (三) 电磁透镜 磁透镜和静电透镜相比有如下的优点 磁透镜 静电透镜 1. 改变线圈中的电流强度可很方便的控制焦距和放大率； 2. 无击穿，供给磁透镜线圈的电压为60到100伏； 3. 像差小。 1. 需改变很高的加速电压才可改变焦距和放大率； 2. 静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿； 3. 像差较大。 目前，应用较多的是磁透镜，我们只是分析磁透镜是如何工作的。 磁透镜结构剖面图 图1-2 磁透镜使电子会聚的原理 O O’ z 图1-3（a）电子在磁透镜中的运动轨迹 A C 图1-3（b）A点位置的B 和v的分解情况 O O’ A C 电子在磁场中要受到磁场作用力： 即 圆周运动 切向运动 向轴运动 当电子走到C点位置时，Br的方向改变180，Ft随之反向，即在C处有一离轴作用力，可以抵消与A点相当的向轴作用力， 由于磁场中心部分比两旁的强，因此在A、C中心部分受到特别大的向轴力是抵不掉的，电子继续向轴偏转。出磁场后又是直线运动。这条直线与轴成?角，并与轴交于O’点。 有极靴的透镜极靴使得磁场被聚焦在极靴上下的间隔h内，h可以小到1mm左右。在此小的区域内，场的径向分量是很大的。计算透镜焦距f的近似公式为： 电子显微镜可以提供放大了的像，电子波长又非常短，人们便自然地把电子显微镜视为弥补光学显微镜不足的有利工具。 E加速电压；S极靴孔径；I通过线圈的电流强度；N线圈每厘米长度上的圈数；F透镜的结构系数 O z 图1-4 带铁壳的带极靴的透镜 O’ 有极靴 B（z） 没有极靴 无铁壳 z 图7-3 磁感应强度分布图 电磁透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨距离，对电镜分辨本领起作用的象差有几何象差（球差、象散等）和色差。 几何象差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的； 色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。 三. 电子透镜的像差与分辨本领 (一) 球差 定义：球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同而造成的。 成因：远轴的电子通过透镜折射得比近轴电子要厉害的多，以致两者不