电子显微1-电磁透镜

1、电子显微分析 电磁透镜 几何光学系统中物像关系（凸透镜）几何光学系统中物像关系（凸透镜） 显微镜的基本结构显微镜的基本结构 0 0 样品样品 1 1 第一次成像，倒立的实像第一次成像，倒立的实像M M1 1 2 2 第二次成像，正立的虚像第二次成像，正立的虚像M M2 2 多个薄透镜叠加增加放大倍数 M=M1 x M2 x M3 x 可以通过多个透镜叠加来无 限制地放大样品物点吗？ 圆孔的夫琅禾费衍射示意图（a）和衍射圆斑（b） 衍射圆斑中以第一暗环为周界的中央亮斑的光强度约占通过透镜总光 强的百分之八十以上，这个中央亮斑被称之为埃里斑。 由于光的衍射，使得由物平面内的点O1 、 O2 在象平

2、面形成 一B1 、 B2圆斑（Airy斑）。若O1 、 O2靠的太近，过分重 叠，图象就模糊不清。 点O1 、 O2 形成两个Airy斑； 强度分布 B1 分辨率分辨率 A B 图（a）两个Airy斑 明显可分辨出。 图（b）两个Airy斑 刚好可分辨出。 图（c）两个Airy斑 分辨不出。 放大倍数放大倍数人眼从显微镜目镜所见的被观察物之尺寸与原物尺寸的比 值。人眼在明视距离(250 mm)的分辨本领为0.2 mm。因此需将物镜 能鉴别的距离经放大成0.2 mm以上的像方能被人眼分辨。 M有效= 人眼分辨率 光镜分辨率 = 0.2 mm 200 nm = 1000 倍 u多透镜组合的总放大倍

3、数各透镜放大倍数的乘积 u分辨率能辨识的两点或两线间的距离，即成为衡量显 微镜功能的一个重要标准。 u分辨率越高，能辨识的两点或两线之间的距离就越小。 放大倍数放大倍数& &分辨率分辨率 光镜的有效放大倍数 像差的影响因素像差的影响因素- -球差球差 像差的影响因素像差的影响因素- -色差色差 像差的影响因素像差的影响因素 彗形球差彗形球差 像散（纵横像差）像散（纵横像差） 像差的影响因素像差的影响因素- -畸变畸变 透镜对同一物体的不同部位有着不同的放大率，越是透镜对同一物体的不同部位有着不同的放大率，越是 边缘部分变形扭曲越明显，但不影响像的清晰度边缘部分变形扭曲越明显，但不影响像的清晰度

4、 r 分辨率 （r小，分辨能力越高） 照明源的波长 n透镜上、下方介质的折射率 透镜孔径半角（） nsin数值孔径 用N.A表示 分辨能力（分辨率、分辨分辨能力（分辨率、分辨 本领）：本领）： 一个光学系统能 分开两个物点的能力，数值上 是刚能清楚地分开两个物点间 的最小距离。 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性 )( 61. 0 sin 61. 0 nm ANn r 孔径半角示意图 增大孔径角：增大透镜增大孔径角：增大透镜 直径，但球面象差和多直径，但球面象差和多 色象差增大色象差增大。 采用介质有油（松柏油）采用介质有油（松柏油） n为为1.5 K 光 学 显 微 镜 J 电 子 显 微

5、 镜 眼晴： 准确性、灵敏性、适应 性和精密的分辨能力。 人眼观察物体的粒度极 限为0.2mm！ 局限性 可以看到细菌、细胞那样 小的物体。 最好的光学显微镜的放大 极限是：2000倍 但光学显微镜超过一定放 大率后就失去作用， 可见光作光源，可见光作光源，N.A可提高到可提高到1.51.6 -1.6 -得得 光学显微镜的极限分辨本领大约是所使用照明光线波长的一半 因此光学透镜的分辨本领极限为 200nm 紫外线（紫外线（100-400nm）易被吸收：）易被吸收： =275nm， 100nm 瑞利公式的意义：瑞利公式的意义： 减小 r值 的途径有： (1)N.A， 即n和 (2) )( 61.

6、 0 sin 61. 0 nm ANn r 电子束：电子束： =0.03880.00087nm r=0.1nm 电子在电、磁场中易改变运动方向，且电子波的波长比可见光短得多，所以电子显微镜 在高放大倍数时所能达到的分辨率比光学显微镜高得多。 各种电磁波的波长 电 磁 波 波长(埃) 电 磁 波 波长(埃) 电 波 1013107 紫 外 线 3900130 红 外 线 5x106104 X射线 1000.5 可见光线 76003900 射 线 10.5 nX射线是制造高分辨显微镜的理想光源：具有波动 性，波长短（0，表明磁透镜总是会聚透镜，表明磁透镜总是会聚透镜 焦距焦距f与加速电压与加速电压

7、U有关，加速电有关，加速电 压不稳定将使图象不清晰。压不稳定将使图象不清晰。 f 1 / I2：表明当激磁电流稍有变：表明当激磁电流稍有变 化时，焦距化时，焦距f 变化。变化。 p为物距，为物距，q为像距，为像距，f为透镜的焦距；为透镜的焦距； A是与透镜结构有关的常数是与透镜结构有关的常数(A0)； U是加速电压；是加速电压； NI为透镜线包的安匝数；为透镜线包的安匝数； R为线包的半径。为线包的半径。 111 pqf 22 U fAR N I 极靴磁透镜极靴磁透镜 特点：极靴附近磁场很强，对电子的折射能力大，特点：极靴附近磁场很强，对电子的折射能力大， 可以使透镜的可以使透镜的 f 变得更

8、短。变得更短。 极靴磁透镜是在包壳磁透镜中再增加一极靴磁透镜是在包壳磁透镜中再增加一 组特殊形状的极靴。组特殊形状的极靴。 一组极靴由具有同轴圆孔的上下极靴和一组极靴由具有同轴圆孔的上下极靴和 连接筒组成。连接筒组成。 常用的极靴材料：常用的极靴材料：Fe-Co合金，合金，Fe- Co-Ni合金合金 磁透镜结构剖面图磁透镜结构剖面图 进水口 出水口 水冷面 电子束通道 软铁极靴 缝隙 口 径电源 铜线圈 轴向磁场感应强度分布曲线对比轴向磁场感应强度分布曲线对比 有极靴的磁透镜的磁场强度比短线圈或包铁壳磁透镜更为集中有极靴的磁透镜的磁场强度比短线圈或包铁壳磁透镜更为集中 和增强。和增强。 短线圈

9、磁场中有一部分磁力线在线圈外侧，它对电子束的聚焦不起作用，因此短线圈磁透镜的磁场强度小， 焦距长。 特殊磁透镜特殊磁透镜 特点：特点： 焦距很短，约等于透镜磁场的半宽度； 球差可比普通磁透镜小一个数量级， 有利于提高透镜的分辨本领。 有的电镜是将试样放在透镜上、有的电镜是将试样放在透镜上、 下极靴中间的位置，上极靴附下极靴中间的位置，上极靴附 近磁场起会聚电子束的作用，近磁场起会聚电子束的作用， 下极靴附近磁场起物镜作用，下极靴附近磁场起物镜作用， 单场磁透镜。单场磁透镜。 上下极靴的上下极靴的孔径不相同孔径不相同的磁的磁 透镜称不对称磁透镜。透镜称不对称磁透镜。 如用于如用于透射电镜的物镜透

10、射电镜的物镜，上，上 极靴孔要大些，使试样能放极靴孔要大些，使试样能放 在透镜的焦点位置附近，并在透镜的焦点位置附近，并 便于试样的倾斜和移动。便于试样的倾斜和移动。 扫描电镜中物镜扫描电镜中物镜的下极靴孔的下极靴孔 比上极靴孔大，以便于在其比上极靴孔大，以便于在其 附近安放某些附件。附近安放某些附件。 磁透镜与光学透镜的比较磁透镜与光学透镜的比较 磁透镜对电子有旋转作用，所得到的电子光学像磁透镜对电子有旋转作用，所得到的电子光学像 相对于物来说旋转了一个角度相对于物来说旋转了一个角度磁转角磁转角 所有从O点出发的电子类似的轨迹运动，在v一定时，当轨迹与 轴的角度很小时，电子会聚在O点（O）的象。 O 象 物 O b a 象 物 平行光轴电子束经透镜成象的情况；a b 为磁场作用区域。