第八章电子光学基础.ppt

1、第二篇 材料电子显微分析第八章 电 子 光 学 基 础,第一节电子波与电磁透镜,眼晴的局限性： 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0.1mm！,电子波与电磁透镜,眼睛：第一台“光学设备”,光学显微镜 可以看到： 细菌、细胞那样小的物体。但光学显微镜超过一定放大率以后就失去了作用，最好的光学显微镜的放大极限是： 2000倍,一、 光学显微镜的分辨率极限,人眼能分辩的最小距离约为: 0.2 mm。 光学显微镜：极限分辩率： 0.2 m。使人的视力分辩能力足足提高了1000倍。 光学显微镜：用它来观察材料内部的显微组织，以弄清材料组织结构、成分与性能间内在联系，已成为

2、工业生产和科研的常用的工具，发挥着很大的作用。 随着科技的发展，对显微镜分辨率的要求愈来愈高。 光学显微镜：其分辨率已无法满足材料中许多更细微的组织的观察和分析，而这些细微的组织对材料的性能有很大的影响。,如： 高碳钢的隐晶马氏体精细组织； HD（5Cr8WMo2VSi）刀片用钢淬火后组织，,500,5000,一、 光学显微镜的分辨率极限, 钢淬火后回火过程中的细小碳化物析出； 6CrW2Si钢淬火低温回火后组织（回火马氏体碳化物）,1000,5000,一、 光学显微镜的分辨率极限, Al-4Cu合金的时效析出情况： 过饱和固溶体 GP（I）区（Cu富集区，约0.20.6nm） GP（II）区

3、形成相（Cu进一步偏聚并有序化，厚度约10nm）过渡相（Cu:Al=1:2）稳定相 （CuAl2）+ 固溶体 。,光镜：只能看到后期相和相，但无法分辩时效早期形成的GP区，因此无法解释其形成原因和对性能的影响规律。,一、 光学显微镜的分辨率极限,光镜分辩率为何不能再进一步提高呢？ 光镜：用可见光束作照明源，可见波长范围：390760nm，所产生的衍射现象，使得其分辩本领不能大于可见光的半波长/2 约200nm（0.2 m）的极限。 光的衍射现象又是如何限制光镜的分辩率呢？,1. 光的衍射现象： 光的波动性，使得由透镜各部位折射到像平面上的像点及其周围区域的光波相互发生干涉作用而产生衍射现象。,

4、圆孔的衍射现象,一、 光学显微镜的分辨率极限,2. 埃利（Airy）斑： 即使一个理想的点光源，经透镜成像，因衍射效应，而在像平面上形成一个有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆环所组成的衍射花样埃利(Airy)斑。,圆孔的衍射花样,埃利斑,2R0,一、 光学显微镜的分辨率极限,3. 埃利斑大小：因光强度84集中在中央亮斑，常以埃利斑的第一暗环的半径来衡量埃利斑的大小。 由衍射理论推导得，埃利斑半径 R0：,孔径半角,放大倍数,数值孔径,可见，R0与光波长成正比，与数值孔径 nsin成反比。,一、 光学显微镜的分辨率极限,4. 光学显微镜的分辨率 物体可视为由许多物点组成，每物点为一个“点光

5、源”，经透镜后，在像平面上形成各自埃利斑像。,光学显微镜分辨本领示意图,两物点相距较大时： 两埃利斑像彼此分开，可明显分辩。 两物点彼此接近时： 两埃利斑彼此接近，甚至重叠，使图像模糊不清，无法分辩两物点。,一、 光学显微镜的分辨率极限,a.当两物点相距较大时，明显可辨,b.当两物点彼此接近时，无法分辨,间距减少 分辩率下降,一、 光学显微镜的分辨率极限,c. 瑞利（Rayleigh）分辩两Airy斑像的判据： 当两 Airy 斑中心间距等于第一暗环半径R0，两物点刚能被分辨。此时，两Airy 斑叠加中央峰间叠加强度比中央峰最大强度低19时，,d. 定义：当两个 Airy 斑中心间距等于第一暗

6、环的半径R0时，样品上相应两物点间距r0 为透镜的分辩本领 。则,一、 光学显微镜的分辨率极限,由此可得，透镜的分辩本领：,瑞利公式,玻璃透镜：可用组合办法或设计特殊形状的折射界面等措施来降低几何像差，故用较大孔径角成像，其最大孔径角=70o75o； 油介质时：n 1.5， 则数值孔径： n sin=1.251.35，代入上式得：,一、 光学显微镜的分辨率极限,上式说明： 透镜分辨率：即能分辩两点间的最小距离，主要取决于照明光波长，半波长为光学玻璃透镜分辩本领的理论极限。 可见光：波长：390760nm，若取最小值400nm，则光镜极限分辨本领为200n（0.2m）。 紫外线：波长更短（13

7、390 nm），但大多物质均强烈吸收紫外线，可供照明只限于200 250 nm，则其分辨率可达100nm（0.1m）。 X射线：波长很短（0.0510nm），但无法使其折射成像，故须寻找一种新光源。,一、 光学显微镜的分辨率极限,二、电子波的波长（1）,1924年11月，法国著名理论物理学家路易斯-维克多德布罗意（Louls-Victor de Broglie 1892-1987）鉴于光的波粒二象性，在他的博士论文量子理论的研究中提出著名的物质波理论。 他认为：任何微观运动着的粒子，在一定的条件下也会显示出波动性，即任一匀速运动的微观粒子都有一个波与之对应，且不可能将物体的运动和波的传播分开。

8、 并且，发现了电子波的波长比可见光短十万倍。这使人们想到电子束可作为新光源的可能性。,法国著名理论物理学家德布罗意,路易斯-维克多德布罗意（Louls-Victor de Broglie 1892-1987）：1892年2月15日生于法国一贵族家庭。 1910年，获巴黎大学文学学士学位，后转向理论物理学。1913年，又获理学士学位。,1929的德布罗意,1923年910月，连续在法国科学院通报上发表了三篇有关波和量子的论文。 1924年11月，在博士论文中提出著名物质波理论，指出电子波动性，为波动力学奠定基础。因此划时代的研究成果，而获得1929年诺贝尔物理学奖（第一个以学位论文获奖的学者）。

9、,1926年， 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Ruska等设计并制造了第一台透射电子显微镜（分辨率达0.1nm,显纳镜）。从而，从本质上提高了放大倍数。,二、电子波的波长（2）,那么，电子束的波长是不是很短？ 根据德布罗意公式，电子波长与其运动速度 v 和质量 m 存在如下关系，即,h普朗克常数 6.6210-34 Js；,m电子的质量 9.1110-28 g；,v电子的速度 m/s；,此波称为物质波或德布罗意波。 而电子速度v与它所受加速电压V有关,或,二、电子波的波长（3）,将h、e、m数值代入，,V单位为伏,的单位为埃,表明：电子波波长与其加速电压的

10、平方根成反比。 当V 几十KV时，电子运动速度很高，须对电子质量 m 进行相对论校正，则,二、电子波的波长（4）,由此计算出不同加速电压下电子波波长，如下表。,当V=100200 KV时，电子波长比可见光（390760nm ）小5个数量级。,三、电磁透镜（1）,1. 电磁透镜：在电镜中用磁场使电子束聚焦成像的装置。 产生磁场：旋转对称的非均匀磁场，其等磁位面形状与光学凸透镜界面相似。 1）磁透镜：能产生旋转对称非均匀磁场的磁极装置。 2）磁透镜按激磁方式分为 1. 恒磁透镜： （恒磁体） 2. 电磁透镜： （电磁线圈激磁） 3）磁透镜优点：不易受高压影响，利用通电电磁线圈激磁，安全、调节磁场方

11、便，从而调整焦距和放大倍数。,三、电磁透镜（2）,2. 电磁透镜的聚焦原理: 通电短线圈即为最简单的电磁透镜，它能造成轴对称不均匀分布的磁场，磁力线围绕导线呈环状。,电磁透镜的聚焦原理示意图,磁感应强度 B 可分解： 1）平行于透镜主轴的分量Bz 2）垂直于透镜主轴的分量Br。,三、电磁透镜（3）,a. 电子以速度V进入磁场 A 点，电子受到 Br 分量作用。由右手法则，电子所受切向力Ft 。 b. 切向力Ft使电子获得切向速度Vt，Vt 随即和Bz 分量叉乘，形成另一向透镜主轴靠近的径向力Fr， c. 径向力Fr使电子向主轴偏转（聚焦）。,图7-1电磁透镜的聚焦原理示意图,激磁电流 相反时，

12、 B反向。,三、电磁透镜（4）,d. 电子到达B点，Br方向改变了180o，Ft随之反向，但Ft反向只能使Vt变小，而不能改变Vt方向。 因此，穿过线圈的电子仍然趋向于向主轴靠近。,图7-1电磁透镜的聚焦原理示意图,激磁电流 相反时， B反向。,三、电磁透镜（5）,电子穿过线圈，在磁场作用下做圆锥螺旋近轴运动。 因此，一束平行主轴的电子束通过电磁透镜将被聚焦在轴线上一点，即焦点。,图7-1电磁透镜的聚焦原理示意图,焦点,电子运动轨迹 为圆锥螺旋近 轴运动聚焦。,三、电磁透镜（6）,e. 电磁透镜对电子的聚焦作用：与光学玻璃透镜对平行入射光的聚焦作用十分相似，当然有本质的不同。,电磁透镜对电子的

13、聚焦,玻璃透镜对光的聚焦,短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。实际电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里。,三、电磁透镜（7）,3. 带软铁壳和极靴的电磁透镜 将电磁线圈装在软磁壳中，其内侧开一道环状狭缝，可使导线外大量磁场集中在缝隙附近狭小区域，以增强磁场强度。,图7-2带有软磁壳的电磁透镜示意图,软磁壳,电磁线圈,内侧的环状的狭缝,三、电磁透镜（8）,4. 带有极靴的电磁透镜: 为进一步缩小磁场轴向宽度，在环状间隙两边，接一对顶端成圆锥状的极靴。 带极靴的电磁透镜：使有效磁场集中到沿透镜轴向几mm的范围。,

14、图7-3 有极靴电磁透镜,极靴组件： 上、下极靴：同轴圆孔、高导磁率材料，如纯铁、铍莫合金等。 连接筒：非磁性材料，如Cu等。,+软磁铁壳,+环状狭缝,+极靴,短线圈,电磁透镜的主要组成：,三、电磁透镜（9）,5. 三种电磁透镜轴向的磁感应强度的分布比较：,三种电磁透镜轴向磁感应强度分布,三、电磁透镜（10）,6. 成像条件：与光学玻璃透镜相似，电磁透镜物距L1 、像距L2和焦距 f 三者间应满足：,1. 光学玻璃透镜，f 固定，要满足成像，L1 、 L2 须同时改变。 2. 电磁透镜，由线圈电流大小可任意调节焦距 f （变焦）。 成像时： 可保持物距L1不变，改变f 与L2 ； 可保持像距L

15、2不变，改变f 与L1 。,三、电磁透镜（11）,7. 电磁透镜成像特点： 放大倍数：M=L2/L1,经相对论校正的 电子加速电压。,励磁线圈的安匝数,说明：当像距 L2 一定时，放大倍数 M 与焦距 f 成反比。 当L1 2 f 时， M1 为缩小像； 当f 1 为放大像；,或, 电磁透镜的焦距（近似）：,三、电磁透镜（12）,上式说明：, 电磁透镜的焦距 f 与线圈的安匝数（IN）成正比； “平方”：说明无论激磁方向如何，其焦距 f 总是正的，表明：电磁透镜总是会聚透镜。 一般线圈匝数N不变，只改变激磁电流 I ，焦距 f 、放大倍数 M 也随之相应变化。 因此，电磁透镜是一种变焦距或变倍

16、数的会聚透镜。 电磁透镜成像时、物与像的相对位向将产生旋转一角度， 称为磁转角。,第二节 电磁透镜的像差与分辨本领,一、电磁透镜的像差（1）,电子波波长比光短 5 个数量级，理论分辨率可达0.002nm，但实际只提高3个数量级，最高分辨率达0.10.2nm。 为什么？主要是因电磁透镜存在像差。 像差分成两类，即几何像差和色差。 几何像差：因透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的。 几何像差：主要指球差和像散。 色差：是因电子波的波长或能量发生一定幅度的改变所致。,一、电磁透镜的像差（2）,1. 球差（球面像差） 因电磁透镜中心区和边缘区对电子折射能力不同而造成的。 远轴电子折射程度大；近轴电子折射程

17、度小。 当物点 P 通过透镜成像时，就不会聚到同一焦点，而形成了一个散焦斑（如图）。,球差,一、电磁透镜的像差（3）,最小散焦圆斑：在像平面和像平面间水平移动，得最小散焦圆斑，其半径，用 Rs 表示。 把 Rs 除以放大倍数 M，把它折算到物平面上，其大小为rs。即物平面上两点距离小于2rs 时，则透镜不能分辨。,rs 因球差造成的 散焦斑半径；,M为放大倍数；,球差,一、电磁透镜的像差（4）,一般地rs 可通过下式计算：,Cs 球差系数；为孔径半角（rad）。 通常，物镜 Cs 值相当于其焦距，约为Cs 13mm。 可见：要减小球差、提高分辨率，可通过减小Cs值和缩小孔径角来实现，且球差和孔

18、径半角成三次方关系。 因此，用小孔径角成像时，可使球差明显减小。,一、电磁透镜的像差（5）,2. 像散：由透镜磁场的非旋转对称引起的。其原因有： 极靴内孔不圆； 上、下极靴的轴线错位； 制作极靴的材料材质不均匀； 极靴孔周围局部污染等 都会导致电磁透镜的磁场产生椭圆度。 透镜磁场的非旋转对称性：会在不同方向上 的聚焦能力出现差别，结果使成像物点 P 通 过透镜后不能在像平面上聚焦成一点，而得 到一个的散焦斑（如图）。,一、电磁透镜的像差（6）,在正焦时，像平面上得一个最小散焦斑，把散焦斑半径 RA折算到物点 P 上去，就成一个半径为rA 的圆斑， 即,图8-5 像 散,rA 像散的大小；,M放

19、大倍数；,一、电磁透镜的像差（7）,rA可通过下式计算：,式中：fA 电磁透镜磁场出现非旋转对称（椭圆）时造成的焦距差。 消像散器： 像散：为本身固有的。可引入一个强度和方位都可调的矫正磁场来进行补偿，此产生矫正磁场的装置即消像散器。,一、电磁透镜的像差（8）,3. 色差：入射电子波长（或能量）的非单一性所造成的。 若入射电子能量出现一定的差别。 能量高的电子：在距透镜光心较远处聚焦； 能量低的电子：在距光心较近处聚焦，则造成了一焦距差。,图8-6 色差,若像平面在长焦点和短焦点间移动时，可得最小的散焦斑，其半径为 Rc。,一、电磁透镜的像差（9）,把 Rc 除以放大倍数 M ，即散焦斑半径折

20、算到物点P位置上去，此半径大小等于rc ， 即rc Rc / M ，其值可由下式计算,Cc色差系数，约为焦距f；,电子束能量变化率。,电子束能量变化率：取决于加速电压稳定性和电子穿过样品时发生非弹性散射的程度。 可采取稳定加速电压方法，以减小色差。,二、电磁透镜的分辨本领 （1）,电磁透镜分辨率：由衍射效应和球面像差来决定。 1. 衍射效应对分辨本领的影响： 由衍射效应所限定的分辨率可由瑞利公式计算，即,r0分辨本领，即成像物体（试样）上能分辨出的两个物点间的最小距离。 显然，r0 越小，透镜的分辨本领越高；,二、电磁透镜的分辨本领 （2）,r0 的物理意义（参考教材p126）：由衍射效应限定

21、的透镜的分辨本领。 若只考虑衍射效应，孔径角越大，透镜分辨本领越高。,瑞利公式,R0为埃利斑的半径,二、电磁透镜的分辨本领 （3）, 光学透镜：可采用尽可能大的孔径角，以提高分辨率。 通常取70o75o。在最佳情况下，分辨率可达照明波长的一半，即半波长。 电磁透镜： a. 可减少波长，来提高分辨率，即用提高加速电压办法。 b. 若增大孔径角 ，虽可提高分辨率r0 ，但使球差增大。故为减少球差，电磁透镜用很小的孔径半角，约为1o2o。因此，电磁透镜不能用加大孔径角来提高其分辨率。,二、电磁透镜的分辨本领 （4）,2. 像差对分辨率的影响 像差（球差rs 、像散rA和色差rC ）的影响如下，就成了

22、由像差所限定的分辨本领。, 光镜：可用会聚与发散透镜组合或设计成特殊形状的折射面来矫正，使之达到可忽略程度。 电磁透镜：像差客观存在，尤其是球差。且总是会聚透镜，至今无有效矫正球差的方法，故球差便成为限制电磁透镜分辨本领的主要因素。,二、电磁透镜的分辨本领 （5）,3. 综合考虑衍射效应和球差（像差）对分辨本领： 则会发现改善其中一个因素时会使另一个因素变坏。,衍射因素： r0,球差因素： r0,即兼顾两者，确定电磁透镜的最佳孔径半角0 。 即当衍射效应 Aily斑和球差散焦斑尺寸大小相等时；表明：两者对透镜分辨本领影响效果一样。,二、电磁透镜的分辨本领 （5）,则 令,N 1,最佳分辨率：,

23、最佳孔径角：,A 为常数， A 0.40.55,二、电磁透镜的分辨本领 （6）,1. 电磁透镜最佳孔径角010-2 10-3（rad），取最大值10-2（rad），则其分辨率与光镜近似相比如下：,2. 电子波长为光波的10-5，但分辨率并无提高105倍，这主要受球差的影响，因此，电镜的分辨率仅比光镜提高1000倍，达到0.10.2nm的水平。,n 1,第三节 电磁透镜的景深和焦长,一、景 深（1）,电磁透镜另一特点：景深大，焦长长，（小孔径角成像）。 任何样品（金属薄膜）都有一定厚度。 1. 一般地，当透镜焦距 f 、像距 L2 一定时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，即在像平面获得清晰图像。 2. 偏离理想物平面物点：都存在一定程度失焦，在像平面上将产生一个具有一定尺寸的失焦斑。 若失