第十章 透射电镜的结构与成像原理

第十章 透射电镜的结构与成像原理

透射电镜构造原理

透射电镜一般是电子光学系统、真空系统和电源与控制系统三大部分组成。电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它又可以分为照明系统、成像系统和观察记录系统。

下图是电镜电子光学系统的示意图，其中左边是电镜的剖面图，右边是电镜的示意图和光学显微镜的示意图对比。由图中可以看出，电镜中的电子光学系统主要包括电子枪、聚光镜、试样台、物镜、物镜光阑、选区光阑、中间镜、投影镜和观察记录系统等几部分组成，其成像的光路与光学显微镜基本相同。

电镜的电子光学系统中，一般将电子枪和聚光镜归为照明系统，将物镜、中间镜和投影镜归为成像系统，而观察记录系统则一般是荧光屏和照相机，现在的电镜往往还配有慢扫描CCD相机，主要用来记录高分辨像和一般的电子显微像。下图是电子光学系统的框架图。

第一节 照明系统

照明系统由电子枪、聚光镜以及相应的平移、倾转和对中等调节装置组成，其作用是提供一束亮度高、照明孔径半角小、平行度好、束流稳定的照明源。为了满足明场和暗场成像的需要，照明束可以在5度范围内倾转。

1.1 电子枪

电子枪可分为热阴极电子枪和场发射电子枪。热阴极电子枪的材料主要有钨丝(W)和六硼化镧(LaB6)而场发射电子枪又可以分为热场发射、冷场发射和Schottky场发射， Schottky场发射也归到热场发射。场发射电子枪的材料必须是高强度材料，一般采用的是单晶钨，但现在有采用六硼化镧(LaB6)的趋势。下一代场发射电子枪的材料极有可能是碳纳米管。 A、热阴级电子枪

热电子枪由灯丝（阴极）、栅极帽、阳极组成。常用灯丝为钨丝（如H-800)、LaB6(如JEM-3010)。下图为热阴级电子枪的示意图。其中左图是电子枪自偏压回路的示意图，右边是电子枪中等电压面的示意图。

下图是热阴级电子枪的实图，其中左边是钨灯丝电子枪，右边是六硼化镧电子枪。钨灯丝电子枪的特点是价格便宜，对真空系统的要求不高，一般用比较老式的电镜中；而六硼化镧灯丝的性能要优于钨灯丝，在现在的电镜中，热阴级电子枪一般采用六硼化镧灯

丝。

B、场发射电子枪

场发射电子枪没有栅极，由阴极和两个阳极构成。第一个阳极主要使电子发射，第二个

阳极使电子加速和会聚。其电子枪结构如下图所示。

场发射电子枪可以分成三种：冷场发射（Cold Field Emission,FE）,热场发射（Thermal Field Emission, FT），和萧特基发射(Schottky emission ,SE)。场发射电子枪所选用的阴极材料必须是高强度材料，以能承受高电场所加之于阴极尖端的高机械应力，钨由于具有高的强度而成为较佳的阴极材料。场发射对真空的要求较高，所以一般来说其价格较昂贵。

冷场发射的优点是电子束直径小，亮度高，能量散布小，但为了避免针尖被外来气体吸

附，必须在10－10(Torr)的真空下操作，而且需要定时将针尖加热至2500K，以去除吸附气体原子，它的另一缺点是发射的总电流较小。

热卖发射电子枪在1800K下工作，不需要定时去除吸附气体原子。其电流稳定性较佳，所要求的真空度为10－9(Torr),要低于冷场发射，但其能量散布比冷场发射要大3~5倍。

萧特基发射电子桴的工作温度也是1800K，它是在钨（100）单晶上镀ZrO层，从而将纯钨的功函数从4.5eV除至2.8eV，从而使得电子能够很容易以热能的方式逃出针尖表面，所需真空度与热场发射接近。其发射的电流稳定性好，发射的电流也大，而且其能量散布很小，只稍逊于冷场发射。其电子束斑直径也要大于冷场发射。

不同电子枪的比较

Beam Source Hair-pin W LaB6 Schottky FEG Cold FEG Brightness (Q/cm2sr) 105 106 108 109 Energy Spread (eV) 2.3 1.5 0.6-0.8 0.3-0.5 Work Function (eV) 4.5 2.7 2.6 4.3 Heating Temp. (K) 2,800 1,800 1,600 300 Vacuum (Pa) 10-3 10-5 10-7 10-8 Life time (hr) 200 1000 2000 2000 Diameter of Crossover 20,000 5,000 20 5 (nm) Emission Current (mA) 80 50 100 10 Current Density 3 20 5x104 5x103 (A/cm2) Coherence bad moderate good excellent 1.2 聚光镜

聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径半角和束斑大小。

一般电镜至少采用双聚光镜，对于较新的电镜，很多采用二聚光镜加一个mini聚光镜的模式；甚至有采用三聚光镜加一个mini聚光镜的情况。

当采用双聚光镜时，第一聚光镜一般是短焦距强励磁透镜，作用是将电子枪得到的光斑尽量缩小，第二聚光镜是长焦距弱透镜，它将第一聚光镜得到的光源会聚到试样上，一般来说，该透镜对光源起放大作用。采用双聚光镜的优点在于：

扩大了光斑尺寸的变化范围，在不同的模式下，可以通过改变第一聚光镜的电流，选择所需要的光斑尺寸；可以减小试样的照射面积，减少试样的温升；观察时可以通过改变第二聚光镜电流，改变试样的照射面积；由于第二聚光镜为弱透镜，增加了聚光镜和样品之间的距离，有利于安装聚光镜光阑和束偏转线圈等附件。

JEM－3010几种光路的对比