透射电子显微镜结构.ppt

第二章透射电子显微镜结构 一、照明系统（电子光学系统） 二、成像系统 三、样品台 四、真空系统 五、稳压系统 透射电子显微镜概述 1 透射电子显微镜 (TEM简称透镜)是以波长极短(10-2 )的电子束作为照明源，用 电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光 学系统(镜筒)，电源和控制系统(包括电子枪高压电源，透镜电源，控制线路电源 等)和真空系统等部分组成。 光 路：镜筒是显微镜放大成像的核心部分，它的光路原理与透射型式的光学显微镜十 分相似，如图所示。本章主要介绍各部分的作用原理。 透镜常用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。热阴极(如加热发夹形钨丝)发 射的电子在阳极加速电压的作用下，高速地穿过阳极孔，被聚光镜会聚成很细的 电子束照明样品。由于电子穿透能力很弱，样品要求做得很薄，如20OO左右（ 甚至10OO）。透过样品的电子束强度取决于样品微区的厚度、平均原子序数、 晶体结构或位向的差别，经过物镜聚焦放大在其像平面上形成一幅反映样品微观 特征的高分辨的透射电子像。然后再经中间镜和投影镜进一步放大，投射到荧光 屏上，透射电子的强度分布转换为人眼直接可见的光强度分布，或由照相底片感 光记录，从而得到一幅具有一定衬度的高放大倍数的图像。 垂直结构：为了确保显微镜的高分辨本领，镜筒要有足够的刚度，一般做成直立积木 式结构，顶部是电子枪，接着是聚光镜、样品室、物镜、中间镜和投影镜，最下 部是荧光屏和照相装置。这样的结构既便于固定，又利于真空密封。 透射电子显微镜概述 2 级 别：镜筒的复杂程度主要取决于显微镜的综合性能。 简 易透射电子显微镜：(分辨本领劣于50)只有两个透镜。即物镜和投影镜； 普 通性能透射电子显微镜(分辨本领20一50)有四个透镜，即单聚光镜、物镜、 中间镜、投影镜和相应的机械式或电磁式对中装置； 高性能透射电子显微镜(分辨本领优于10，2)有56个(甚至7个)透镜，即双聚 光镜、物镜、第一及第二中间镜、投影镜和比较完善的机械式或电磁式 对中装置。 图2，3，分别是机械式对中和电磁式对中的透射电子显微镜镜筒剖面图。 目前绝大多数透射电子显微镜都是电磁透镜式的，操作十分方便。只要转动旋 钮，就可以方便地改变相应透镜的激磁电流，改变照明电子束强度和照明孔径 角;改变放大倍数或聚焦。 样品台控制：利用装在镜筒外的样品移动杆，控制样品在一个精确的平面上平移， 以选择不同的视域供观察、记录。高性能透射电子显微镜还配备了精密的倾斜 样品台，在观察过程调节薄晶体样品相对于电子束倾斜一定的角度 (最大可达 450或600)以获得最佳的衬度以及在不同位向下的有用资料。 透射电子显微镜概 述 3 高真空度：为了确保电子枪电极间电绝缘；防止成像电子在镜筒 内受气体分子碰撞而改变运动轨迹，减小样品污染，镜筒内接 触电子束的部分均需保持高真空，一般优于10-510- 7(1=1mmHg) 高分辨：在现有的各种型式显微镜中，透射电子显微镜性能最高 ，点分辨本领优于35，晶格分辨本领可达12 ，放大倍 数高达数十万倍。而超高分辨本领的透射电子显微镜还能直接 显示固体晶格像和结构像，甚至可以用来观察重金属原子像。 超高压透镜：六十年代以来由于超高压 (加速电压5003000kV)透 射电子显微镜的发展，使可观察样品的厚度提高到微米级，而 且还改善了图像的分辨率和衬度，引起了包括金属材料及工艺 在内的许多部门的重视。 透射电子显微镜结构 透射显微镜构造原理和光路 透射电子显微镜 透射光学显微镜 透射电子显微镜 日立H-800 透射电子显微镜 日立H-800 U=200KV r0 4.0 M=600,000 位错及基体结构相 位错及基体结构相 位错 纳米材料 透镜相机 一、照明系统（电子光学系 统） 一、照明系统（电子光学系统） 电子枪：提供稳定的电子照明源 聚光镜（二级、有光栏）：束斑2m 物镜及偏转线圈(STEM)：束斑8.0 0.1 m 1、电子枪提供稳定的电子 照明源 提供稳定的电子照 明源 电子枪示意 图 电子枪自偏压回路 电子枪自偏压回 路 自偏压线路（负反馈）：如图所示 ，给栅极提供比阴极负几百伏至近千伏 的偏压。整个电子枪可以看作三极静电 透镜。当阴极电位和阴极高度(阴极尖端 至栅极孔距离)一定时电极间的电位分布 主要取决于栅极电位，使阴极尖端发射 电子的区域限制在100x150 m。如果由 于阴极加热电流或阴极本身的电阻变化 导致发射电子束流的变化。自偏压回路 将自动地改变栅极的偏压，调整阴极尖 端发射电子区城的大小，使电子流的发 射趋向稳定的饱和值。 第一交叉点：这种三极静电透镜系统对 阴极发射的电子束还起着聚焦作用，在 阳极孔附近形成一个直径5Om左右的 第一交叉点，即通常所说的电子源。 2、聚光镜 高性能透射电子显微镜都采用双聚光镜照明系统，如图所示。 第一聚光镜：强激磁透镜：，缩小率为1050倍左右，将电子枪 第一交叉点像缩小为1-5m。 第二聚光镜：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2-10m的照明电子束斑， 在第二聚光镜与物镜之间有足够的空间来安放样品台和其它附件。 由于第二聚光镜是弱激磁透镜，像差较大，必须借助于第二聚光镜 光阑(典型孔径为100、200、500m)和消像散器来降低球差，消除 像散。若将第二聚光镜散焦可以得到几乎平行的、相千性好的照 明电子束，以满足电子衍射和衍衬成像的需要。 聚光镜照明系统 光路 3、垂直照明和倾斜照明 垂直照明：即照明电子束轴线与成 像系统轴线合轴，适用于明场成像; 倾斜照明：即照明电子束轴线与成 像系统轴线成一定夹角(一般20-30)，适 用于暗场成像。 目前新型透射电子显微镜均采用电磁 偏转器来调节，如图所示。从明场到 暗场成像转换迅速而准确。 照明中心保持不变：如果上、下偏转 线圈对照明电子束偏转角大小相等， 但方向相反，只引起照明电子束平移 ，平移距离sh。如果下偏转线圈对 电子束的偏转角比上偏转线圈大，例 如，那么相对于成像系统来说， 照明电子束轴线倾斜了角。 当h1/h2，时，照明中心保持不变。 电磁偏转器原理 电磁偏转器原理 二、成像系统 透射电子显微镜成像系统一般由三个(组 )透镜 ， 即物镜、中间镜和投影镜组成。 1、物镜、中间镜和投影镜 2、高放大倍数成像 3、中放大倍数成像 4、低放大倍数成像 成像系统光 路 三级高倍成像 三级中倍成像 二级低倍成像 第一级实像 中间镜 1物镜、中间镜和投影镜 物 镜是最关键的，用来形成第一幅高分辨电子像或电子衍射花样的透镜 。一台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 任何缺陷都将被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨 本领必须尽可能降低像差。通常采用强激磁、短焦距(1.5-3mm)的物镜， 像差小。还借助于物镜光阑 (典型孔径100、75、50、25m)和消像散器 来进一步降低球差、消除像散、提高分辨本领。 中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可以在020倍范围调节。当放 大倍数大不1时，用来进一步放大物镜像;当放大倍数小于1时，用来缩小 物镜像。 为了确保成像系统足够高的放大倍数，投影镜应提供尽可能大的放大倍 数。它是一个强激磁、短焦距透镜，将中间镜像放大并投射在荧光屏或 照相底片上。 由于高性能透射电镜的分辨本领提高到了优于2一4的水平，相应的有 效放大倍数高达60一100万倍，因此出现了具有两个中间镜、两个投影镜 的五级成像系统，以适应不同放大倍数情况下电子像和电子衍射花样的 观察和记录 2、高放大倍数成像 一般情况下，五级透镜成像系统可以获得高达六十万 倍左右的电子像。 物镜成像于中间镜之上， 中间镜以物镜像为物，成像于投影镜之上； 投影镜以中间镜像为物，成像于荧光屏或照相底片上 ，其光路如图a所示。 3、中放大倍数成像 在三级透镜成像系统中，如果适当改变物 镜激磁强度，使物镜成像于中间镜之下; 中间镜以物镜像为“虚物”，将其形成为缩 小的实像于投影镜之上; 投影镜以中间镜像为物，成像于荧光屏或 照相底片上。结果获得几千至几万倍的电 子像，其光路如图b所示。 4、低放大倍数成像 （Low Mag.模式） 解决低倍成像的最简便方法是减少透镜的数目 或放大倍数。 例如关闭物镜，减弱中间镜激磁强度，使中间 镜起着长焦距物镜的作用，成像于投影镜之上 。 投影镜以中间镜像为物，成像于荧光屏上，获 得100300倍、视域较大的图像，为选择、确 定高倍观察区域提供方便。 三、样品台 透射电子显微镜样品既小又薄 ，外径3mm 1、真实样品 2、铜网支持的复型 3、粉末、粒子（需铜网支持） 如图所示。 样品台的作用是承载样品，并 使样品平移、倾斜、旋转，以 选择感兴趣的样品区域域值向 进行观察分析。 通常需用的铜网有许多网孔(如 200目方孔或圆孔)。 通常在两个相互垂直方向上样 品平移最大值为1mm 顶插式双倾斜样品