第十章 透射电镜的结构与成像原理(2)

第二节 成像系统

成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜及物镜光阑和选区光阑组成。它主要是将穿过试样的电子束在透镜后成像或成衍射花样，并经过物镜、中间镜和投影镜接力放大。 2.1 物镜

物镜是TEM的最关键的部分，其作用是将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其像平面上，构成与试样组织相对应的显微像。TEM分辨本领的高低主要取决于物镜；物镜是强励磁短焦距的透镜（f＝1~3mm），物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴的内孔和上下极靴之间的距离越小，物镜的分辨率越高，所以高分辨电镜的可倾转角度往往比较小；现在高分辨电镜的物镜放大倍数一般固定在一定的倍数（如50倍），只有在聚焦的时候才改变它的电流。在实际操作时，物距一般固定（一般可通过调节样品高度来微调），所以在成像时，主要改变焦距f和像距来满足成像条件。 下图是物镜的示意图和实物照片：

为了减小物镜的球差和提高像的衬度，在物镜后焦面上可安放一个孔径可调的物镜光阑（最小孔径可以做到5微米），物镜光阑的另一作用是进行暗场及衍衬成像操作。在新的电镜中，物镜皆由两部分组成，分为上物镜和下物镜，试样置于上下物镜之间，上物镜起强聚光作用，下物镜起成象放大作用。

2.2 中间镜

中间镜是弱励磁的长焦距变倍透镜，在电镜操作中，主要是通过中间镜来控制电镜的总放大倍率。当放大倍数大于1时，用来进一步放在物镜像，当放大倍数小于1时，用来缩小物镜像。如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大的电子图像，这就是成像操作；如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重台，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是透射电镜的电子衍射操作。在物镜的像平面上有一个选区光阑，通过它可以进行选区电子衍射操作。

2.3 投影镜

投影镜的作用是把经中间镜放的像(或电子衍射花样)进一步放大，并投影到荧光屏上，它也是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激磁电流是固定的，因为成像电子束进入投影镜时孔径角很小，因此它的景深和焦长都非常大。即使电镜的总放大倍数有很大的变化，也不会影响图像的清晰度。

目前，高性能透射电子显微镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影镜各有两级。 成像模式的三种放大倍数范围 高放大倍数 ( ~500,000×)： MT= M0· MI1· MI2· MP

典型值：M0=50, MI1=3, MI2=15, MP=220 每一级都成放大实像

稍小于500,000×者，减小中间镜放大倍数。 中放大倍数 ( ~10,000-50,000 ×)： MT= M0· MI1· MI2· MP

第一中间镜、第二中间镜形成一个复合透镜 低放大倍数 ( ~100-10,000 ×)：

关掉第二中间镜，物镜、第一中间镜弱激励。

或者关掉物镜，第一中间镜作物镜，选区光档作物镜光栏。这种配置衬度好，常用于观察低衬度样品，放大倍数100-1000 ×

第三节 观察记录、真空与供电系统

3.1 观察与记录系统

观察和记录装置包括荧光屏、照相机（底片记录）、TV相机和慢扫描CCD。 不同电镜的荧光屏发光强度是不同的，有的电镜的荧光屏看起来不亮，但电子的强度是很强的，比如某些场发射电镜，所以选择曝光时间时要注意；照相用的底片是一种对电子束很敏感的感光材料制成，这种材料对绿光比较敏感，对红光基本不反应，因此可以在红光下换片和洗底片；TV相机是直接将光信号转变为电信号，反应速度极快，但不利于记录；慢扫描CCD是最新发展出来的一种记录方式，反应速度较TV相机慢，但记录十分方便。 3.2 真空系统

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。

如果真空度不够，就会出现下列问题： 1）高压加不上去 2）成像衬度变差 3）极间放电

4）使灯丝迅速氧化，缩短寿命。

3.3 供电系统

透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。

电压的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志。加速电压和透镜电流的不稳定将使电子光学系统产生严重像差，从而使分辨本领下降。所以对供电系统的主要要求是产生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。在所有的透镜中，物镜激磁电流的稳定度要求也最高。

近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操作程序控制系统和数据处理的计算机系统.

第四节 主要部件的结构和工作原理

4.1 样品台

上图是JEM-3010的样品台，现在电镜的样品台有单倾台和双倾台之分，单倾台只能随测角台转动（X轴），双倾台除了可以随测角台转动外，还可以绕垂直于测角台轴线的Y轴转动。另外样品台按在电镜中的装入方式还可以分为侧插式和顶插式，不过顶插式

用得很少。

不同样品台的自由度：

1. 侧插式单倾台（4个自由度）：X、Y水平平移，Z轴垂直移动， 绕X轴转动。 2. 侧插式双倾台（ 5个自由度） ：X、Y水平平移，Z轴垂直移动，绕X轴转动，绕Y轴转动。

3. 旋转式试样台（ 5个自由度） ：X、Y水平平移，Z轴垂直移动，绕X轴转动，绕Z轴转动。 4.2 电子束倾转与平移装置（电磁偏转器）

如上图所示，电子束的倾转和平移是通过安装在聚光镜下方的两个偏转线圈来实现的。其中左图所示的是平移的示意图，它是通过上下偏转线圈联动实现的，当上偏转线圈顺时针偏转θ角时，下偏转线圈会同时逆时针偏转θ角，从而使光路在总的效果上只产生平移，而不产生偏转；右图是倾转的示意图，当上偏转线圈顺时针转动θ角时，下偏转线圈会逆时针转动θ+β角，使得光路总的效果产生了β角倾转，而对样品来说其入射点的位置不变。

4.3 消像散器

消像散器可以是机械的，也可以是电磁式的。机械式的是在电磁透镜的磁场周围放置几块位置可以调节的导磁体，用它们来吸引一部分磁场，把固有的椭圆形磁场校正成接近旋转对称的磁场。电磁式的是通过电磁极间的吸引和排斥来校正椭圆形磁场的。下图是电磁式消像散器的示意图，它是由两组四对电磁体排列在透镜磁场的外围，每对电磁体均采用同极相对的安置方式。通过改变这两组电磁体的激磁强度和磁场的方向，就可以把固有的椭圆形磁场校正成旋转对称的磁场，起到消除像散的作用。在透射电镜中，聚光镜、物镜、中间镜下都安装有消像散器，其中聚光镜的像散比较好消除，而物镜的消像散最重要，也相对来讲比较复杂，尤其是在做高分辨时，物镜像散的消除往往非常关键。不过现在随着慢扫描CCD的引入，这个工作已经相对来讲变得较为容易了。中间镜