电子显微1-电磁透镜课件.ppt

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 12 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AB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 mm200 nm=1000 倍u多透镜组合的总放大倍数＝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r —分辨率 （r小，分辨能力越高）λ—照明源的波长n—透镜上、下方介质的折射率а—透镜孔径半角（°）nsinα—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α孔径半角示意图增大孔径角：增大透镜直增大孔径角：增大透镜直径，但球面象差和多色象径，但球面象差和多色象差增大差增大。

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 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，Ø可见光作光源，可见光作光源，N.A可提高到可提高到1.5～～1.6 --1.6 --→→得得 r r≌ ≌ ≌ ≌λ/2λ/2 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 200nmØ紫外线（紫外线（100-400nm））易被吸收易被吸收：： λ=275nm，， r r≌ ≌ ≌ ≌ 100nm瑞利公式瑞利公式的意义：的意义：减小 r值 的途径有： (1)↑N.A， 即↑n和α (2)↓λ Ø电子束：电子束： λ=0.0388~0.00087nm 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。

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（<=0.154 nm），很强的穿透本领n阻碍：没有办法制造出使X射线聚焦的透镜,难以使之改变方向、折射、聚焦成像1923-1926年，三项重要发现推动了电子显微镜的发明m－电子质量，v－电子速度，h－普朗克常数,n电子的波粒二象性的设想n电子波长的表达式加速电压20万伏，电子波长为0.005纳米薛定谔方程：电子波在电磁场中的运动方程，阐明了电子的传播动力学轨迹与光学系统的概念相对应的事实，提出光波可经透镜聚焦，电子束也可以聚焦布施发现了轴对称对电子束的透镜聚焦效应德布罗意（Ǻ或0.1nm）v0=0 ；从零电位点；从零电位点 受电位受电位V作用：作用： 加速电压加速电压V较低时：较低时： v﹤﹤ ﹤﹤c，， m = m0电子波的波长电子波的波长 （若微观粒子为电子——电子波）电子显微镜电压一般几十 kV，此时电子速度接近光速质量也随之增大，必须考虑相对论效应：另外，在电位差为V的电场作用下，一个静止电子所获得的动能等于电子总能量mc2与静止能量m0c2之差，即：则，计算电子的波长为：解以上方程求电子的 速度 v 为： 加速电压加速电压(kV)电子波长电子波长(nm) 加速电压加速电压(kV)电子波长电子波长(nm)10.0388800.00418100.01221000.0037200.008592000.00251300.006985000.00142500.0053610000.00087电子波长（经相对论较正）电子波长（经相对论较正） 比可比可见见光的波光的波长长小几十万倍。

比小几十万倍比结结构分析中常用的构分析中常用的X射射线线的波的波长长也小也小1～～2个数量个数量级级 与与X射射线线比比较较：：X射射线线常用：常用： λ= 0.05—0.25nm 电电子波常用：子波常用： λ= 0.0025—0.0054nm欧美日的大型电子公司，德国的蔡司（Zeiss），美国的FEI（电镜部门的前身是飞利浦的电子光学公司），日本的日本电子（JEOL）、日立（Hitachi）常用的电子显微镜种类超高压透射电镜超高压透射电镜JEOL公司日本电子JEM-ARM1250JEM-ARM12501.25MV1.25MV分辨率分辨率1.21.2埃埃高度超过高度超过1010米米总重总重4040吨吨电子显微镜的定义：电子显微镜的定义：u电电子子显显微微镜镜 (electron microscope，，EM) 一一般般是是指指利利用用电电磁磁场场偏偏折折、、聚聚焦焦电电子子及及电电子子与与物物质质作作用用所所产产生生散散射射之之原原理理来来研研究究物物质质构构造造及及微微细细结结构构的的精精密密仪仪器器近近年年来来，，由由于于电电子子光光学学的的理理论论及及应应用用发发展展迅迅速速，，此此项项定定义义已已嫌嫌狭狭窄窄，，故故重重新新定定义义其其为为一一项项利利用用电电子子与与物物质质作作用用所所产产生生之之讯讯号号来来鉴鉴定定微微区区域域晶晶体体结结构构(crystal structure，， CS) 、、微微细细组组织织 (microstructure，，MS) 、、 化化学学成成份份(chemical composition，，CC) 、、 化化学学键键结结(chemical bonding，，CB) 和和电电子子分分布布情情况况 (electronic structure，，ES) 的电子光学装置。

的电子光学装置u用用电电子子光光学学仪仪器器研研究究物物质质组组织织、、结结构构、、成成份份的的技技术术称称为为电子显微术电子显微术From：苏玉长老师课件：苏玉长老师课件u样样品品在在高高能能电电子子束束照照射射下下，，电电子子束束与与样样品品中中的的原原子子相相互互作作用用后后形形成成透透射射电电子子、、背背反反射射电电子子，，此此外外，，还还激激活活原原子子内内层层电电子子，，使使样样品品释释放放不不同同信信号号，，这这些些信信号号携携带带了了原原子子内内部部信信息息收收集集、、测测定定和和分分析析从从样样品品局局部部区区域域出出来来的的这这些些信信号号，，并并给给出出样样品品内内局局部部信信息息的的学学说说和和技技术术，，以以及及在在材材料料科科学学、、凝凝聚聚态态物物理理、、化化学学和和生生命命科科学学中中的的应用，构成电子显微学的全部内容应用，构成电子显微学的全部内容电子显微学的含义：电子显微学的含义：From：贺连龙老师课件：贺连龙老师课件电子显微分析的特点•放大倍数高：5倍 ~ 100万倍；且连续可调；（现代TEM可达 200万倍 以上）•分辨率高：0.2 ~ 0.3nm（现代TEM线分辨率可达0.1 ~ 0.14）•多功能、综合性：形貌 + 物相 + 晶体结构 +化学组成电子光学基础电子光学基础o电子光学是研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。

o本课程所涉及的电子光学仅局限于电子显微镜这类仪器中电子的运动规律——研究各种形式对称的电、磁场和电子运动轨迹电子光学与几何光学o成像介质：几何光学——利用光学透镜 会聚 光线 电子光学——利用电场、磁场 会聚 电子束o折 射 面：几何光学——利用旋转对称面（如球面） 电子光学——利用旋转对称电磁场产生的等位面o表征参量：几何光学——光传播路径—光线—焦点、焦距 电子光学——电子运动轨迹—射线—焦点、焦距电镜中电子光学系统的附加限制条件2.电子轨迹相对于旋转对称轴斜率极小，即张角很小，一般为10-2 ~ 10-3rad1.电子轨迹离轴距离很小，远小于电子束沿轴距离电、磁场与时间无关，且处于真空中，即真空中静场；忽略电子束本身的空间电荷和电流分布；入射电子束轨迹必须满足离轴条件：电子透镜比较电子透镜比较 1）电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力，使其会聚或发散，从而达到成象的目的 由静电场制成的透镜—— 静电透镜 由磁场制成的透镜 —— 磁透镜 2）磁透镜和静电透镜相比有如下的优点 注：目前电子显微镜的物镜主要是磁透镜 磁透镜 静电透镜1. 改变线圈中的电流强度可很方便的控制焦距和放大率；2. 无击穿，供给磁透镜线圈的电压为60到100伏；3. 像差小。

1. 需改变很高的加速电压才可改变焦距和放大率；2. 静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿；3. 像差较大一、电子在静电场中的运动一、电子在静电场中的运动Ø 电场加速作用：电场加速作用：加速电压大小决定电子运动的速度！加速电压大小决定电子运动的速度！当当电电子子运运动动方方向向与与电电场场方方向向不不在在一一条条直直线线上上，，电电场场力力的的作作用用不仅改变电子运动的能量，而且也改变电子的运动方向不仅改变电子运动的能量，而且也改变电子的运动方向Ø 折射作用：折射作用： 初速度为初速度为0，零电位，零电位--→V--→V电位电位————电场使运动电子发生折射电场使运动电子发生折射——电子光学折射定律电子在电场中的运动与静电透镜电子在电场中的运动与静电透镜•等电位区的电位分别为V1 、V2•电子在V1 、V2电位区中运动轨迹为直线•从V1区进入V2区，通过等位面AB时，运动方向突变•∵电场对电子作用力方向沿等电位面法线，低电位指向高电位•∴沿切线方向电场力分量=0 •则： 切向速度分量保持不变 ---→ 等式方程V1θγV2ABv2v1起始点电位为0电子初速度为0说明：等位面对电子起到折射作用。

由低入高，则电子轨迹趋向法线；若由高入低，则远离法线V1θγV2ABv2v1静电透镜的两种形式：二极式 三极式•与一定形状的光学介质界面（如玻璃凸透镜的旋转对称弯曲折射界面）可以使光线聚焦成像相似，•一定形状的等电位曲面簇也可使电子束聚焦成像•产生这种旋转对称等电位曲面簇的电极装置即为静电透镜静电透镜•阴极尖端附近的自由电子在阳极作用下获得加速度；•控制极附近的电场(推着电子)对电子起会聚作用；•阳极附近的电场对电子有“拉”作用，即有发散作用，但因这时电子的速度很大，所以发散作用较小静电透镜结构静电透镜结构——由电极组成由电极组成 ● 阴极: 零电位● 阳极: 正电位● 控制极: 负电位 电子在阳极附近，如B点： F→Fz,Fr (Fr背离对称轴的方向)发散作用但由于电子的速度已经很大，故发散作用较小静电透镜——受力分析电子在控制极附近时(A点)：电场强度矢量E垂直于电场等位面，指向电位低的方向，电子受到的作用力F与E的方向相反： F→Fz,Fr (Fz 平行轴, Fr指向轴)电场力使电子向轴靠近，会聚作用 AB 静电透镜——结论o会聚作用大于发散作用：静电透镜总是会聚透镜；会聚作用大于发散作用：静电透镜总是会聚透镜；o静电透镜需要强电场，在镜筒内容易导致击穿和弧光放电：静电透镜需要强电场，在镜筒内容易导致击穿和弧光放电：因此电场强度不能太高，静电透镜焦距较长，不能很好的矫因此电场强度不能太高，静电透镜焦距较长，不能很好的矫正球差；正球差；o主要用于电子枪中，使电子束会聚成形。

主要用于电子枪中，使电子束会聚成形电电子子在在磁磁场场中中运运动动，，受受到到磁磁场场的的作作用用力力—洛洛仑仑兹兹力力(左左手手定定则则)：：电子在磁场中的受力和运动有以下三种情况：电子在磁场中的受力和运动有以下三种情况： 平行： 电子不受磁场影响；垂直： 电子在与磁场垂直的平面做匀速圆周运动；交角θ：电子运动轨迹是一螺旋线电子在磁场中的运动电子在磁场中的运动电子在磁场中的运动与电磁透镜电子在磁场中的运动与电磁透镜A点和C点位置的受力分解ABzBrFtVVBBrCBzBrBFtVtBz电子的轨迹是：电子的轨迹是：即旋转又折射即旋转又折射磁透镜磁透镜•短线圈磁透镜短线圈磁透镜•包壳磁透镜包壳磁透镜•极靴磁透镜极靴磁透镜•特殊磁透镜特殊磁透镜例如：轴对称磁场系统(通电流的圆柱形线圈)旋转对称的磁场对电子束有聚焦成像作用，产生这旋转对称的磁场对电子束有聚焦成像作用，产生这种旋转对称磁场的线圈装置种旋转对称磁场的线圈装置短磁透镜短磁透镜短磁透镜短磁透镜ü磁磁场场沿沿轴轴延延伸伸的的范范围围远远小小于于焦焦距距的的透透镜镜，，称称短短磁透镜ü短线圈磁透镜短线圈磁透镜ü包壳磁透镜包壳磁透镜 通电流的短线圈及带铁壳的线圈都可形成短磁透镜通电流的短线圈及带铁壳的线圈都可形成短磁透镜•磁场强度小•焦距长•物与像都在场外不足：部分磁力线圈外侧，对电子束聚焦不起作用。

•磁力线相对集中•磁场较强对于短磁透镜：对于短磁透镜：üf>0，表明磁透镜总是会聚透镜，表明磁透镜总是会聚透镜ü焦距焦距f与加速电压与加速电压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 üf ∝∝1 / I2：表明当：表明当激激磁电流稍有变磁电流稍有变化时，焦距化时，焦距f 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(A>0)；； 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 极靴磁透镜极靴磁透镜•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轴向磁场轴向磁场感应感应强度分布曲线强度分布曲线对比对比 • 特殊磁透镜特殊磁透镜ü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。

单场透镜单场透镜ü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不对称磁透镜不对称磁透镜ü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ü如用于如用于透射电镜的物镜透射电镜的物镜，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ü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①① 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’baα象物α平行光轴电子束经透镜成象的情况；a ~ b 为磁场作用区域磁透镜与光学透镜的比较磁透镜与光学透镜的比较③③ 磁透镜场深大（磁透镜场深大（200~2000nm）；焦深长（）；焦深长（80cm）） f与（IN）2成反比 ②② 磁透镜是磁透镜是 可变焦距可变焦距 和和 可变倍率可变倍率 透镜透镜。