材料课件透射电子显微镜

第八章透射电子显微镜透射电镜的结构原理射透电镜的主要性能12/20/202212.1透射电镜的结构原理

目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为2~3埃，电压为100～500kV，放大倍数50~1200000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。我们这里先看一看一些电镜的外观图片，再就电镜共同的结构原理和日趋普及的分析电镜的有关部分做一介绍。12/20/20222HNU-ZLP

日本日立公司H－700电子显微镜，配有双倾台，并带有7010扫描附件和EDAX9100能谱。该仪器不但适合于医学、化学、微生物等方面的研究，由于加速电压高，更适合于金属材料、矿物及高分子材料的观察与结构分析，并能配合能谱进行微区成份分析。●

分辨率：0.34nm

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加速电压：75KV－200KV

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放大倍数：25万倍

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能谱仪：EDAX－9100

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扫描附件：S7010

12/20/20223HNU-ZLPCM200-FEG场发射枪电镜JEM-2010透射电镜加速电压200KV

LaB6灯丝

点分辨率1.94Å加速电压20KV、40KV、80KV、160KV、200KV

可连续设置加速电压

热场发射枪

晶格分辨率1.4Å

点分辨率2.4Å

最小电子束直径1nm

能量分辨率约1ev

倾转角度α=±20度

β=±25度12/20/20224HNU-ZLPJEM-2010透射电镜加速电压200KV

LaB6灯丝

点分辨率1.94ÅEM420透射电子显微镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

晶格分辨率2.04Å

点分辨率3.4Å

最小电子束直径约2nm

倾转角度α=±60度

β=±30度12/20/20225HNU-ZLPPhilipsCM12透射电镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

LaB6或W灯丝

晶格分辨率2.04Å

点分辨率3.4Å

最小电子束直径约2nm；

倾转角度α=±20度

β=±25度CEISS902电镜加速电压50KV、80KV

W灯丝

顶插式样品台

能量分辨率1.5ev

倾转角度α=±60度

转动400012/20/20226HNU-ZLP21344556789101112131415161617181920图2－112/20/20227HNU-ZLP光源中间象物镜试样聚光镜目镜毛玻璃电子镜聚光镜试样物镜中间象投影镜观察屏照相底板照相底板图2－212/20/20228HNU-ZLP电镜一般是电子光学系统、真空系统和供电系统三大部分组成。一.电子光学系统图2-1是近代大型电子显微镜的剖面示意图，从结构上看，和光学透镜非常类似。1.照明部分（1）阴极：又称灯丝，一般是由0.03~0.1毫米的钨丝作成V或Y形状。（2）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。（3）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”。（4）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。聚光镜就是为克服这种缺陷加入的，它有增强电子束密度和再一次将发散的电子会聚起来的作用。12/20/20229HNU-ZLP阴极（接负高压）控制极（比阴极负100~1000伏）阳极电子束聚光镜试样图2-3照明部分示意图12/20/202210HNU-ZLP2.成象象放大部分分这部分有试试样室、物物镜、中间间镜、投影影镜等组成成。（1）试样样室：位于于照明部分分和物镜之之间，它的的主要作用用是通过试样台承载载试样，移移动试样。。（2）物镜镜：电镜的的最关键的的部分，其其作用是将将来自试样样不同点同方向同相相位的弹性性散射束会会聚于其后后焦面上，，构成含有有试样结构构信息的散射射花样或衍衍射花样；；将来自试试样同一点点的不同方方向的弹性性散射束会聚聚于其象平平面上，构构成与试样样组织相对对应的显微微象。投射射电镜的好坏坏，很大程程度上取决决于物镜的的好坏。物镜的最短短焦距可达达1毫米，，放大倍数数约为300倍，最最佳分辨本本领可达1埃埃，目前，，实际的分分辨本领为为2埃。为了减小物物镜的球差差和提高象象的衬度，，在物镜极极靴进口表表面和物镜后焦面面上还各放放一个光阑阑，物镜光光阑（防止止物镜污染染）和衬度度光阑（提高高衬度）在分析电镜镜中，使用用的皆为双双物镜加辅辅助透镜，，试样置于于上下物镜之间，，上物镜起起强聚光作作用，下物物镜起成象象放大作用用，辅助透透镜是为了进进一步改善善场对称性性而加入的的。12/20/202211HNU-ZLP（3）中间间镜和投影影镜：中间镜和投投影镜和物物镜相似，，但焦距较较长。它的的作用是将将来自物物镜的的的电子象再再放大，最最后显示在在观察屏上上，得到高高放大倍率率的电电子象。（4）相对对位置试样、物镜镜、中间镜镜、投影镜镜四者之间间的相对位位置是：试试样放在物物镜的物平平面上（物物镜的物平平面接近物物镜的前焦焦面），物物镜的象平平面是中间间镜的物平平面，中间间镜的象平平面是投影影镜的物平平面。物镜镜、中间镜镜、投影镜镜三者结合合起来，给给出电镜的的总放大倍倍率。（5）中间间镜的衍射射作用中间镜除了了起放大作作用外，还还起衍射作作用。这是是因为通过过减弱中间间的电流，，增大其物物距，使其其物平面与与物镜的后后焦面相重重，这样就就可以把物物镜后焦面面上形成的的电子的电电子衍射花花样投射到到中间镜的的象平面。。12/20/202212HNU-ZLP近代电镜镜一般都都有两个个中间镜镜、两个个投影镜镜。30万倍以以上成象象时，物物镜、两两个中间间镜和两两个投影影镜同时时起放大大作用。。低倍时时，关掉掉物镜，，第一个个中间镜镜对试样样进行第第一次成成象，这这样因为为物距加加长，加加之改变变投影镜镜的电流流，总的的放大倍倍数可在在仪一千千倍以下下。图2-4、2-5是三三级放大大和极低低放大率率成象示示意图。。三级放12/20/202213HNU-ZLP图2-4（（a）高高放大率率（b）衍衍射（c）低低放大率率物物镜衍射谱一次象中间镜二次象投影镜三次象（荧光屏屏）选区光阑阑12/20/202214HNU-ZLP物镜关闭闭无光阑中间镜（作物镜镜用）投影镜第一实象象（荧光屏屏）普查象图2-5极低低放大率率象12/20/202215HNU-ZLP3.显显象部分分这部分由由观察屏屏和照相相机组成成。观察屏所所在的空空间为观观察室。。由于观观察屏是是用荧光光粉制成成的，所所以常称称观察屏屏为荧光光屏。观观察屏和和照象底底板放在在投影镜镜的象平平面上，，两者隔隔一段距距离。由由于电镜镜的焦深深大，尽尽管观察察屏和照照相底板板相距十十几个厘厘米，在在观察屏屏上聚好好焦后，，将屏掀掀起，在在照相底底板上照照相，象象依然清清晰。有些仪器器在观察察室与投投影镜之之间设有有辅助观观察屏，，这个屏屏上所成成象的亮亮度为观观察室内内的二倍倍，可以以用来观观察试样样在电子子束辐照照下的变变化，或或用2~5倍双双筒观察察镜在此此观察聚聚焦的情情况。在分析电电镜中，，在观察察室和荧荧光屏之之间还装装有探测测器，用用来收集集透射电电子和散散射电子子，以形形成与常常规透射射电镜相相对应的的扫描在镜筒之下还有电子能损分析仪。工作时，衍射束经扫描线圈的偏转作用，逐个扫过入射光阑进入电子能量分析仪，不同能量的电子在静电场或磁场的作用下，产生不同程度的偏转而分散开来。再用能量选择光阑把不同能量的散射电子挑选出来，经探测器转换为电脉冲信号，经放大整理后显示在现象管的荧光屏上，或用X—Y记录仪描绘下来。12/20/202216HNU-ZLP近代电镜配有有电视装置，，这对动态研研究是极为有有利的。二.真真空系统为了保证电子子在整个通道道中只与样品品发生相互作作用，而不与与空气分子碰碰撞，因此，，整个电子通通道从电子枪枪至照相底板板盒都必须置置于真空系统统之内，一般般真空度为毫毫米汞柱。如果真空度不不够，就会出出现下列问题题：1）高压加不不上去2）成象衬度度变差3）极间放电电电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、离子泵、阀门、真空测量仪和管道等部分组成。12/20/202217HNU-ZLP三.供供电系统透射电镜需要要两部分电源源：一是供给给电子枪的高高压部分，二二是供给电磁磁透镜的低压压稳流部分。。电压的稳定性性是电镜性能能好坏的一个个极为重要的的标志。加速速电压和透镜镜电流的不稳稳定将使电子子光学系统产产生严重象差差，从而使分分辨本领下降降。所以对供供电系统的主主要要求是产产生高稳定的的加速电压和和各透镜的激激磁电流。在在所有的透镜镜中，物镜激激磁电流的稳稳定度要求也也最高。近代仪器除了了上述电源部部分外，尚有有自动操作程程序控制系统统和数据处理理的计算机系系统12/20/202218HNU-ZLP2.2透透射电镜的主主要性能指标标分辨率放大倍数加速电压12/20/202219HNU-ZLP一.分分辨率分辨率是透透射电镜的的最主要性性能指标，，它表征电电镜显示亚亚显微组织织、结构细细节的能力力。两种指指标：点分辨率——表示电镜镜所能分辨辨的两点之之间的最小小距离；线分辨率——表示电镜镜所能分辨辨的两条线线之间的最最小距离，，通常通过过拍摄已知知晶体的晶晶格象来测测定，又称称晶格分辨辨率。图2－6为为测量点分分辨率和线线分辨率的的照片。12/20/20222012/20/202221HNU-ZLP二、放大倍倍数透射电镜的的放大倍数数是指电子子图象对于于所观察试试样区的线线性放大率率。目前高高性能透射射电镜的放放大倍数变变化范围为为100倍倍到80万万倍。12/20/202222HNU-ZLP三、加加速电压电镜的加速速电压是指指电子枪的的阳极相对对于阴极的的电压，它它决定了电电子枪发射射的电子的的波长和能能量。加速电压高高，电子束束对样品的的穿透能力力强，可以以观察较厚厚