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1、会计学1材料现代研究材料现代研究(ynji)方法北航电子显微方法北航电子显微镜镜第一页，共49页。光学光学光学光学(gungxu)(gungxu)显微镜分辨本领显微镜分辨本领显微镜分辨本领显微镜分辨本领L：透镜(tujng)D：光阑：透镜(tujng)对物点张角的一半。n爱瑞（Airy）斑：由于衍射效应，一个发光物点的像是一个一定尺寸的亮斑和周围几个亮环。一般将亮环忽略不计，中央(zhngyng)亮斑为物点的像，称为爱瑞斑。第1页/共49页第二页，共49页。光学光学(gungxu)显微镜分辨本领显微镜分辨本领n瑞利（Rayleigh）判据：A1和A2逐渐接近时，A1和A2之间的亮度约为亮度最大
2、值的80，人们(rn men)仍然能分辨是两个像。瑞利即以这种条件作为光学系统能分辨两物点的最小距离，这个极限称为瑞利判据。第2页/共49页第三页，共49页。电子光学基础电子光学基础(jch)光学光学显微镜的局限性显微镜的局限性uu两个发光点的分辨距离为：两个发光点的分辨距离为：uu 物镜与物体之间介质物镜与物体之间介质(jizh)(jizh)的折射率的折射率uu 半孔径角，不能大于半孔径角，不能大于9090uu 显微镜的数值孔径显微镜的数值孔径uu 光线的波长光线的波长第3页/共49页第四页，共49页。电子光学基础电子光学基础(jch)光学光学显微镜的局限性显微镜的局限性uu提高显微镜分辨本
3、领的方法：uu 采用高折射率介质uu 增大(zn d)角uu 利用短波长的射线uu电子波动性被发现后，很快被利用来作为提高显微镜分辨率的新光源即出现了电子显微镜。第4页/共49页第五页，共49页。n n电子的粒子性n n 质量：9.1095 10-23 克；n n 电量：1.602 10-10 库仑；n n 在电子显微镜中，电子的加速电压一般在几十千伏以上(yshng)，根据相对论，电子的质量随速度的增加而增大。n n电子的波动性 ()第5页/共49页第六页，共49页。电子电子(dinz)波长波长不同加速电压不同加速电压不同加速电压不同加速电压(diny)(diny)下的电子波长和速度下的电子
4、波长和速度下的电子波长和速度下的电子波长和速度 U/kV/nmv/(1011mms-1)400.006 011.121 6600.004 371.338800.004 181.5061000.003 701.6442000.002 512.0795000.001 422.5871 0000.000 872.822第6页/共49页第七页，共49页。阴极发光轫致辐射X 射 线透射电子样 品俄歇电子衍射电子二次电子反射电子吸收电子电电 子子探探 针针扫扫描描电电镜镜透射透射电镜电镜俄歇俄歇电子电子谱仪谱仪入射电子束电子束与物质(wzh)的相互作用第7页/共49页第八页，共49页。电子光学电子光学(d
5、in z un xu)基基础础 静电透镜静电透镜n n电子通过两个不同(b tn)电位的界面n n n n 电子在不同(b tn)电位界面处发生折射。可见光 电子第8页/共49页第九页，共49页。电子光学电子光学(din z un xu)基基础础 静电透镜静电透镜n n聚焦(jjio)静电透镜电场由三个电极形成：第一电极带负电位，称为阴极；第二，第三(d sn)电极带正电位，而且后者的电位比前者高。（a）光线通过玻璃透镜（b）电子通过电场 的轨迹第9页/共49页第十页，共49页。电子光学电子光学(din z un xu)基基础础 电磁透镜电磁透镜n n有电流通过的长线圈中间有电流通过的长线圈中
6、间(zhngjin)(zhngjin)可看作均匀磁场，这样的线圈可看作均匀磁场，这样的线圈起聚焦作用，没有放大作用。起聚焦作用，没有放大作用。n n短线圈形成不均匀磁场，具有透镜特性。短线圈形成不均匀磁场，具有透镜特性。焦距 与加速电压 和透镜(tujng)内磁场的轴向分量 有如下关系第10页/共49页第十一页，共49页。电磁透镜电磁透镜电磁透镜电磁透镜 磁场磁场磁场磁场B B对电荷量为对电荷量为对电荷量为对电荷量为-e-e和速度为和速度为和速度为和速度为v v的电子的作的电子的作的电子的作的电子的作用力，即洛伦兹力，其矢量表达式：用力，即洛伦兹力，其矢量表达式：用力，即洛伦兹力，其矢量表达式
7、：用力，即洛伦兹力，其矢量表达式：F=-e(v B)F=-e(v B)F F力的大小为：力的大小为：力的大小为：力的大小为：F=evBsin(v,B)F=evBsin(v,B)F F力垂直于电荷运动速度力垂直于电荷运动速度力垂直于电荷运动速度力垂直于电荷运动速度v v和磁感应强度和磁感应强度和磁感应强度和磁感应强度B B所决定的平面，所决定的平面，所决定的平面，所决定的平面，F F的方向按矢量叉积（的方向按矢量叉积（的方向按矢量叉积（的方向按矢量叉积（B v B v）的右手法则）的右手法则）的右手法则）的右手法则(f(f z)z)来确定。来确定。来确定。来确定。第11页/共49页第十二页，共4
8、9页。电磁透镜电磁透镜为了便于分析电磁透聚焦原理，把透镜磁场中任意一点为了便于分析电磁透聚焦原理，把透镜磁场中任意一点(y di(y di n)n)的的磁感应强度磁感应强度B B分解为平行于透镜主轴的轴向分量分解为平行于透镜主轴的轴向分量BzBz和与之垂直的径向分和与之垂直的径向分量量BrBr。电磁透镜聚焦(jjio)原理 第12页/共49页第十三页，共49页。电子光学电子光学(din z un xu)基基础础 电磁透镜电磁透镜n n成像公式(gngsh)n n 物距n n 像距n n 透镜焦距n n放大倍数n n 放大倍数受透镜线圈的n n 电流控制第13页/共49页第十四页，共49页。透射
9、透射(tu sh)电子电子显微镜显微镜 电子显微镜由镜筒、真空电子显微镜由镜筒、真空(zhnkng)系统和电源柜三部分组成。系统和电源柜三部分组成。镜筒主要有电子枪、电磁透镜、样品架、荧光屏和照相机构等部件。镜筒主要有电子枪、电磁透镜、样品架、荧光屏和照相机构等部件。第14页/共49页第十五页，共49页。19241924年，德布罗意（年，德布罗意（de Broglie de Broglie）提出电子具有）提出电子具有(jyu)(jyu)波动性；波动性；19261926年，布什（年，布什（BuschBusch）发现旋转对称非均匀磁场可作为电磁透镜；）发现旋转对称非均匀磁场可作为电磁透镜；1931
10、1931年，年，Rudenberg Rudenberg 提出电子显微镜的概念并提出专利申请；提出电子显微镜的概念并提出专利申请；19331933年，克诺尔（年，克诺尔（KnollKnoll）和卢斯卡（）和卢斯卡（RuskaRuska）制造出第一台电子显微镜；）制造出第一台电子显微镜；19361936年，年，BoerschBoersch证明了电子束经过电磁透镜聚焦后在后（背）焦面上形成证明了电子束经过电磁透镜聚焦后在后（背）焦面上形成衍射花样；衍射花样；19391939年，西门子公司生产出第一批商品透射电子显微镜；年，西门子公司生产出第一批商品透射电子显微镜；19441944年，年，Le Poo
11、leLe Poole在电子显微镜中加入衍射透镜（即中间镜）和选区光阑后在电子显微镜中加入衍射透镜（即中间镜）和选区光阑后实现选区电子衍射；实现选区电子衍射；2020世纪世纪5050年代，年代，RuskaRuska在商业电子显微镜中实现选区电子衍射；在商业电子显微镜中实现选区电子衍射；2020世纪世纪6060年代，会聚束电子衍射实现；年代，会聚束电子衍射实现；仪器仪器(yq)的的发展发展第15页/共49页第十六页，共49页。仪器仪器(yq)的的发展发展 20 20世纪世纪7070年代，用于成分分析的年代，用于成分分析的X X射线能谱仪和电射线能谱仪和电子能量损失谱仪开始使用；子能量损失谱仪开始使
12、用；20 20世纪世纪9090年代，物镜球差系数校正器的问世使球差年代，物镜球差系数校正器的问世使球差系数从正值可变到负值系数从正值可变到负值(f zh)(f zh)，提高了电子显微镜的分，提高了电子显微镜的分辨率。辨率。此外，照明亮度高和能量发散小的场发射电子枪的此外，照明亮度高和能量发散小的场发射电子枪的普及、极大改善电子单色性的能量过滤器的问世、可实普及、极大改善电子单色性的能量过滤器的问世、可实现电子显微像和电子衍射花样数字化的慢扫描现电子显微像和电子衍射花样数字化的慢扫描CCDCCD和电和电子成像板的使用子成像板的使用 、仪器的计算机控制等都成为现代高性、仪器的计算机控制等都成为现代
13、高性能分析电子显微镜的基本特征。能分析电子显微镜的基本特征。第16页/共49页第十七页，共49页。透射透射(tu sh)电子显电子显微镜的主要功能微镜的主要功能n n成像：n n 明场像，暗场(nchng)像n n 格子像，原子像n n衍射第17页/共49页第十八页，共49页。电子光学电子光学(din z un xu)基基础础 电磁透镜的像差电磁透镜的像差n n球面像差球面像差n n n n 离光轴远的透镜边缘部分对电子束有强会聚能力，使边离光轴远的透镜边缘部分对电子束有强会聚能力，使边缘部分的电子会聚在靠近物的一方，使物体上一个点在像缘部分的电子会聚在靠近物的一方，使物体上一个点在像平面上形
14、成平面上形成(xngchng)(xngchng)一定尺寸的模糊圆斑。球差系数一定尺寸的模糊圆斑。球差系数 与透镜的磁场强度有关，磁场强度越大，焦距越短，球差与透镜的磁场强度有关，磁场强度越大，焦距越短，球差系数减小。系数减小。第18页/共49页第十九页，共49页。电子光学电子光学(din z un xu)基基础础 电磁透镜的像差电磁透镜的像差畸变：球差引起的另外一种像缺陷叫做畸变，畸变：球差引起的另外一种像缺陷叫做畸变，畸变：球差引起的另外一种像缺陷叫做畸变，畸变：球差引起的另外一种像缺陷叫做畸变，在电镜中观察到的畸变是投影在电镜中观察到的畸变是投影在电镜中观察到的畸变是投影在电镜中观察到的畸
15、变是投影(tuy(tuy ng)ng)镜镜镜镜的球差造成的。由于透镜的中心轴和边缘的球差造成的。由于透镜的中心轴和边缘的球差造成的。由于透镜的中心轴和边缘的球差造成的。由于透镜的中心轴和边缘部分的磁场强度不同，焦距不同，放大倍部分的磁场强度不同，焦距不同，放大倍部分的磁场强度不同，焦距不同，放大倍部分的磁场强度不同，焦距不同，放大倍数也就不同。数也就不同。数也就不同。数也就不同。（a)无畸变(jbin)（b）枕形畸变(jbin)（c）桶形畸变(jbin)（d）S形畸变(jbin)第19页/共49页第二十页，共49页。电子光学电子光学(din z un xu)基基础础 电磁透镜的像差电磁透镜的像
16、差n n色差n n n n n n n n 色差系数与透镜(tujng)的磁场强度有关，磁场强度越大，越小。色差是由于电子束中每个电子的速度不同，因而波长(bchng)不同造成的。第20页/共49页第二十一页，共49页。电子光学电子光学(din z un xu)基基础础 电磁透镜的像差电磁透镜的像差n n像散 像散缺陷，是由于透镜内孔和极靴孔不完全对称、极靴材料内部的不均性、极靴污染等原因造成的不同径向的焦距(jioj)不同而引起的。第21页/共49页第二十二页，共49页。电子光学基础电子光学基础(jch)电子电子光学系统的分辨率光学系统的分辨率由衍射效应形成的爱瑞斑第22页/共49页第二十三
17、页，共49页。电子光学基础电子光学基础(jch)电电子光学系统的分辨率子光学系统的分辨率n n因衍射因衍射(y(y nsh)nsh)像差能够分辨两点的最短距离像差能够分辨两点的最短距离A、B近似(jn s)等于1 称为衍射像差。n电子显微镜的分辨距离就是所有像差引起的圆斑半径之和。对于电镜，起主要作用的是衍射像差和球差。n最佳孔径角 和最小分辨距离 ：第23页/共49页第二十四页，共49页。电子光学电子光学(din z un xu)基基础础 场深和焦深场深和焦深n n场深（景深）n n n n 在 之间的任意(rny)点无论怎样聚焦，其像不会比xi小。距离 称为场深。第24页/共49页第二十五
18、页，共49页。电子光学电子光学(din z un xu)基基础础 场深和焦深场深和焦深n n焦深n n n n 在 范围内移动屏幕，点的像不会发散(fsn)，但也不会变小。即在 范围内，像的清晰度是一样的，即为焦深。第25页/共49页第二十六页，共49页。透射透射(tu sh)电子显微镜电子显微镜 透射电镜和光镜的光路图第26页/共49页第二十七页，共49页。照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成，其作用是提供一束亮度高、相倾斜调节装置组成，其作用是提供一束亮度高、相干性好和束流稳定的照明源。通过聚光镜的控制可干性好和束流稳定的照明
19、源。通过聚光镜的控制可以实现从平行照明到大会聚角的照明条件。为满足以实现从平行照明到大会聚角的照明条件。为满足中心暗场中心暗场(nchng)(nchng)成像的需要，照明电子束可在成像的需要，照明电子束可在2233范围内倾斜。范围内倾斜。n照明(zhomng)系统 电子枪第27页/共49页第二十八页，共49页。照明照明(zhomng)系统系统一、电子枪一、电子枪电子枪是透射电子显微镜的光源，电子枪是透射电子显微镜的光源，要求发射的电子束亮度高、电子束斑的要求发射的电子束亮度高、电子束斑的尺寸小，发射稳定度高。电子枪可分为尺寸小，发射稳定度高。电子枪可分为热电子发射型和场发射型两种类型。过热电子
20、发射型和场发射型两种类型。过去的透射电子显微镜中使用的是热电子去的透射电子显微镜中使用的是热电子发射型的热阴极发射型的热阴极(ynj)(ynj)三极电子枪，三极电子枪，它是由阴极它是由阴极(ynj)(ynj)、阳极和控制栅极、阳极和控制栅极组成。组成。第28页/共49页第二十九页，共49页。为了提高照明亮度，为了提高照明亮度，随后发明随后发明(fmng)(fmng)了电子逸了电子逸出功小的六硼化镧出功小的六硼化镧（LaB6LaB6）作阴极。它比钨）作阴极。它比钨丝阴极的亮度高丝阴极的亮度高1 12 2数量级，数量级，而且使用寿命增长。而且使用寿命增长。LaB6电子枪的结构(jigu)原理图 照
21、明照明(zhomng)系统系统第29页/共49页第三十页，共49页。目前亮度最高的电子枪目前亮度最高的电子枪是场发射电子枪（是场发射电子枪（FEGFEG：field field emission gunemission gun），其结构原理），其结构原理如图如图1.61.6所示。在金属表面加所示。在金属表面加一个强电场一个强电场(din chng)(din chng)，金，金属表面的势垒就变小，由于属表面的势垒就变小，由于隧穿效应，金属内部的电子隧穿效应，金属内部的电子穿过势垒从金属表面发射出穿过势垒从金属表面发射出来，这种现象称为场发射。来，这种现象称为场发射。场致发射(fsh)电子枪结构原
22、理图 照明照明(zhomng)系统系统第30页/共49页第三十一页，共49页。二、聚光镜二、聚光镜 人们把静电场做成的透镜称为人们把静电场做成的透镜称为“静静电透镜电透镜”（如电子枪中三极静电透（如电子枪中三极静电透镜），用电磁场做成的透镜称为镜），用电磁场做成的透镜称为“电磁透镜电磁透镜”。透射电子显微镜的聚。透射电子显微镜的聚光镜、物镜光镜、物镜(wjng)(wjng)、中间镜和投、中间镜和投影镜均是影镜均是“电磁透镜电磁透镜”。典型(dinxng)的磁透镜剖面图 照明照明(zhomng)系统系统第31页/共49页第三十二页，共49页。1.2 构造构造(guzo)及其特性及其特性n n多功
23、能样品室多功能样品室多功能样品室多功能样品室 n n多功能样品室的主要作用是通过样品室承载样品台，并能使样品平移，以选择多功能样品室的主要作用是通过样品室承载样品台，并能使样品平移，以选择多功能样品室的主要作用是通过样品室承载样品台，并能使样品平移，以选择多功能样品室的主要作用是通过样品室承载样品台，并能使样品平移，以选择感兴趣的样品视域，再借助感兴趣的样品视域，再借助感兴趣的样品视域，再借助感兴趣的样品视域，再借助(jizh)(jizh)双倾样品台可使样品位于所需的晶体学位向进行双倾样品台可使样品位于所需的晶体学位向进行双倾样品台可使样品位于所需的晶体学位向进行双倾样品台可使样品位于所需的晶
24、体学位向进行观察。样品室内还可分别装有加热、冷却或拉伸等各种功能的侧插式样品座，以满足观察。样品室内还可分别装有加热、冷却或拉伸等各种功能的侧插式样品座，以满足观察。样品室内还可分别装有加热、冷却或拉伸等各种功能的侧插式样品座，以满足观察。样品室内还可分别装有加热、冷却或拉伸等各种功能的侧插式样品座，以满足相变、形变等过程的动态观察。样品台及其双倾旋转方向示意如图相变、形变等过程的动态观察。样品台及其双倾旋转方向示意如图相变、形变等过程的动态观察。样品台及其双倾旋转方向示意如图相变、形变等过程的动态观察。样品台及其双倾旋转方向示意如图1.101.10。加热和冷却。加热和冷却。加热和冷却。加热和
25、冷却侧插式样品架外观如图侧插式样品架外观如图侧插式样品架外观如图侧插式样品架外观如图1.111.11所示。所示。所示。所示。第32页/共49页第三十三页，共49页。1.2.2 1.2.2 多功能样品多功能样品多功能样品多功能样品(yngp(yngp n)n)室室室室图1.10 样品台及其双倾旋转(xunzhun)方向 图1.11 加热和冷却(lngqu)侧插式样品架外观 第33页/共49页第三十四页，共49页。透射透射(tu sh)电子显微镜电子显微镜 镜筒镜筒n n成像系统n n 物镜、中间镜和投影镜构成三级成像系统。最终像的放大倍数(bish)是这三个透镜的放大倍数(bish)的乘积，即：
26、第34页/共49页第三十五页，共49页。成像系统成像系统(xtng)成像系统是由物镜、中间镜成像系统是由物镜、中间镜 和和投影镜组成。物镜是成像系统的第一投影镜组成。物镜是成像系统的第一级透镜，它的分辨本领决定了透射电级透镜，它的分辨本领决定了透射电子显微镜的分辨率。中间镜和投影镜子显微镜的分辨率。中间镜和投影镜是将来自物镜给出的样品形貌像或衍是将来自物镜给出的样品形貌像或衍射花样射花样(huyng)(huyng)进行分级放大。通进行分级放大。通过成像系统透镜的不同组合可使透射过成像系统透镜的不同组合可使透射电子显微镜从电子显微镜从5050倍左右的低倍到一百倍左右的低倍到一百万倍以上的高倍的放
27、大倍率内变化。万倍以上的高倍的放大倍率内变化。物镜(wjng)极靴剖面图 第35页/共49页第三十六页，共49页。透射透射(tu sh)电子显微镜电子显微镜 镜筒镜筒n n成像系统n n 物镜是最主要的部件。改变物镜电流的过程就是聚焦过程。n n 物镜后焦面处放有物镜光栏，其作用(zuyng)是挡住散射电子，提高电镜的分辨率和衬度。n n 物镜下部装消像散器，用以消除像散，提高电镜分辨率。第36页/共49页第三十七页，共49页。透射透射(tu sh)电子显微镜电子显微镜 镜筒镜筒n n成像系统n n 中间镜是一个弱透镜。变化中间镜电流，可获得(hud)不同的放大倍数。可更换投影镜极靴，再改变中
28、间镜电流，以达到所需的放大倍数。n n 改变中间镜电流还可得到电子衍射图像。第37页/共49页第三十八页，共49页。透射透射(tu sh)电子显微镜电子显微镜 镜筒镜筒n n像的观察和记录系统n n n n 投影镜下面(xi mian)是观察室，内有荧光屏，在电子束的轰击下产生荧光。操作者通过镜筒上的窗口可观察到荧光屏上的电子图像。第38页/共49页第三十九页，共49页。构造构造(guzo)及其特性及其特性n n 图像观察与记录系统图像观察与记录系统图像观察与记录系统图像观察与记录系统n n该系统由荧光屏、照相机和数据显示器等组成。投影镜给该系统由荧光屏、照相机和数据显示器等组成。投影镜给该系
29、统由荧光屏、照相机和数据显示器等组成。投影镜给该系统由荧光屏、照相机和数据显示器等组成。投影镜给出的最终像显示在荧光屏上，通过观察窗，我们能观察到荧光屏出的最终像显示在荧光屏上，通过观察窗，我们能观察到荧光屏出的最终像显示在荧光屏上，通过观察窗，我们能观察到荧光屏出的最终像显示在荧光屏上，通过观察窗，我们能观察到荧光屏上呈现的电子显微像和电子衍射花样。通常，观察窗外备有上呈现的电子显微像和电子衍射花样。通常，观察窗外备有上呈现的电子显微像和电子衍射花样。通常，观察窗外备有上呈现的电子显微像和电子衍射花样。通常，观察窗外备有1010倍倍倍倍的双目光学的双目光学的双目光学的双目光学(gungxu)
30、(gungxu)显微镜，其用于对图像和衍射花样的聚焦。显微镜，其用于对图像和衍射花样的聚焦。显微镜，其用于对图像和衍射花样的聚焦。显微镜，其用于对图像和衍射花样的聚焦。对观察到的图像和衍射花样需要记录时，将荧光屏竖起后，它们对观察到的图像和衍射花样需要记录时，将荧光屏竖起后，它们对观察到的图像和衍射花样需要记录时，将荧光屏竖起后，它们对观察到的图像和衍射花样需要记录时，将荧光屏竖起后，它们就被记录在荧光屏下方的照相底片上。就被记录在荧光屏下方的照相底片上。就被记录在荧光屏下方的照相底片上。就被记录在荧光屏下方的照相底片上。第39页/共49页第四十页，共49页。图像观察与记录图像观察与记录(jl
31、)系统系统一、慢扫描一、慢扫描CCDCCD摄像机摄像机 用视频摄像机记录透射电子用视频摄像机记录透射电子显微像和使图像再生的方法可以方显微像和使图像再生的方法可以方便地用于动态观察和快速记录图像便地用于动态观察和快速记录图像以避免振动或热漂移对图像的影响，以避免振动或热漂移对图像的影响，尤其在加热动态观察中，快速记录尤其在加热动态观察中，快速记录图像可极大节省图像可极大节省(jishng)(jishng)稳定热漂稳定热漂移所需的时间。电子显微镜中通常移所需的时间。电子显微镜中通常使用慢扫描电荷耦合器件（使用慢扫描电荷耦合器件（CCDCCD：charge-coupled devicecharge
32、-coupled device）摄像机，其）摄像机，其结构示于图结构示于图1.131.13。图1.13 慢扫描(somio)CCD剖面图 第40页/共49页第四十一页，共49页。1.2 构造构造(guzo)及其特性及其特性n n 1.2.5 1.2.5 真空和供电系统真空和供电系统真空和供电系统真空和供电系统 n n 真空系统是为了保证电子的稳定发射和在镜筒内整个狭长的通道中不与空气分子碰撞真空系统是为了保证电子的稳定发射和在镜筒内整个狭长的通道中不与空气分子碰撞真空系统是为了保证电子的稳定发射和在镜筒内整个狭长的通道中不与空气分子碰撞真空系统是为了保证电子的稳定发射和在镜筒内整个狭长的通道中
33、不与空气分子碰撞而改变电子原有的轨迹，同时为了保证高压稳定度和防止样品污染，不同的电子枪要求有而改变电子原有的轨迹，同时为了保证高压稳定度和防止样品污染，不同的电子枪要求有而改变电子原有的轨迹，同时为了保证高压稳定度和防止样品污染，不同的电子枪要求有而改变电子原有的轨迹，同时为了保证高压稳定度和防止样品污染，不同的电子枪要求有不同的真空度。不同的真空度。不同的真空度。不同的真空度。n n 供电系统主要提供稳定的加速供电系统主要提供稳定的加速供电系统主要提供稳定的加速供电系统主要提供稳定的加速(ji s)(ji s)电压和电磁透镜电流。为了有效地减少色差，一电压和电磁透镜电流。为了有效地减少色差
34、，一电压和电磁透镜电流。为了有效地减少色差，一电压和电磁透镜电流。为了有效地减少色差，一般要求加速般要求加速般要求加速般要求加速(ji s)(ji s)电压稳定在每分钟为电压稳定在每分钟为电压稳定在每分钟为电压稳定在每分钟为10-610-6；物镜是决定显微镜分辨本领的关键，对物镜；物镜是决定显微镜分辨本领的关键，对物镜；物镜是决定显微镜分辨本领的关键，对物镜；物镜是决定显微镜分辨本领的关键，对物镜电流稳定度要求更高，一般为电流稳定度要求更高，一般为电流稳定度要求更高，一般为电流稳定度要求更高，一般为(1(12)10-6/min2)10-6/min，对中间镜和投影镜电流稳定度要求可比物，对中间镜
35、和投影镜电流稳定度要求可比物，对中间镜和投影镜电流稳定度要求可比物，对中间镜和投影镜电流稳定度要求可比物镜低，约为镜低，约为镜低，约为镜低，约为510-6/min510-6/min。第41页/共49页第四十二页，共49页。理论理论理论理论(l(l ln)ln)分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限 分辨本领是透镜最重要的性能指标，它是由像差和衍射误差的综合分辨本领是透镜最重要的性能指标，它是由像差和衍射误差的综合影响所决定的。对于光学玻璃透镜来说，在最佳情况下，分辨本领可达影响所决定的。对于光学玻璃透镜来说，在最佳情况下，分辨本领可达到照明波长的一半，即半波长。电子束的波长比可见光的
36、波长约小五个到照明波长的一半，即半波长。电子束的波长比可见光的波长约小五个数量级，如果能使电磁透镜像差（特别是球差）远小于衍射误差，那么数量级，如果能使电磁透镜像差（特别是球差）远小于衍射误差，那么电磁透镜的极限分辨本领也能达到照明电子束的半波长约电磁透镜的极限分辨本领也能达到照明电子束的半波长约0.002 nm0.002 nm。实。实际上，目前际上，目前(mqin)(mqin)电子显微镜的分辨本领是电子显微镜的分辨本领是0.2 nm0.2 nm左右，与其极限值左右，与其极限值还差还差100100倍，这是什么原因呢？倍，这是什么原因呢？第42页/共49页第四十三页，共49页。理论理论理论理论(
37、l(l ln)ln)分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限 电磁透镜的分辨本领受到透镜像差的电磁透镜的分辨本领受到透镜像差的影响。由于在像差中，像散可由消像散器加以影响。由于在像差中，像散可由消像散器加以足够的补偿，照明电子束波长和透镜电流的波足够的补偿，照明电子束波长和透镜电流的波动所引起的色差已由供电系统的稳定性所解决，动所引起的色差已由供电系统的稳定性所解决，但电磁透镜中的球差至今无法通过某种方法但电磁透镜中的球差至今无法通过某种方法(fngf)(fngf)得到有效的补偿，以致球差便成为限得到有效的补偿，以致球差便成为限制电磁透镜分辨本领的主要因素。提高透镜分制电磁透镜分辨本领
38、的主要因素。提高透镜分辨本领的可行的方法辨本领的可行的方法(fngf)(fngf)之一是采用很小之一是采用很小的孔径角成像，它是通过物镜背（后）焦平面的孔径角成像，它是通过物镜背（后）焦平面上插入一个小孔径光栏来实现的。上插入一个小孔径光栏来实现的。图1.18 小孔径(kngjng)角成像 第43页/共49页第四十四页，共49页。理论理论理论理论(l(l ln)ln)分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限 孔径半角孔径半角与光阑直径与光阑直径D D、透镜焦距、透镜焦距 之间的近似关系：之间的近似关系：D/2 D/2 孔径光阑直径越小，孔径半角孔径光阑直径越小，孔径半角越小，那么球差将
39、大大下降。但孔径半角也越小，那么球差将大大下降。但孔径半角也不能无限制地小，因为当孔径半角缩小到一定程度，由电子波动性所引起的不能无限制地小，因为当孔径半角缩小到一定程度，由电子波动性所引起的衍射误差对象质量的影响便不可忽略。因此，透镜的分辨本领应综合考虑孔衍射误差对象质量的影响便不可忽略。因此，透镜的分辨本领应综合考虑孔径半角对球差和衍射误差的影响。一种粗略的方法是通过球差和衍射误差之径半角对球差和衍射误差的影响。一种粗略的方法是通过球差和衍射误差之和来求出透镜的分辨本领和来求出透镜的分辨本领:因为照明电子束处于真空介质，所以因为照明电子束处于真空介质，所以(suy)n(suy)n1 1，同
40、时，电磁透镜成，同时，电磁透镜成像的孔径半角很小，所以像的孔径半角很小，所以(suy)sin (suy)sin ，上式成为：，上式成为：第44页/共49页第四十五页，共49页。理论理论理论理论(l(l ln)ln)分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限 第45页/共49页第四十六页，共49页。理论理论理论理论(l(l ln)ln)分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限 要说明和估计一台电子显微镜的分辨本领，是通过拍摄点分辨率和线分辨要说明和估计一台电子显微镜的分辨本领，是通过拍摄点分辨率和线分辨率的照片来验证的。点分辨率测定通常为：在碳支撑膜上均匀蒸发铂、铂率的照片来验证的
41、。点分辨率测定通常为：在碳支撑膜上均匀蒸发铂、铂-依或铂依或铂-钯等金属或合金细小颗粒，粒子粒度约钯等金属或合金细小颗粒，粒子粒度约0.50.51 nm1 nm，间距，间距0.20.21 nm1 nm。在电子显微镜。在电子显微镜下拍摄其像后再经光学放大，在照片上找出粒子间最小间距，其除以总放大倍率下拍摄其像后再经光学放大，在照片上找出粒子间最小间距，其除以总放大倍率（要预先用某种晶体晶格条纹像来精确测定高放大倍率），即表征了相应电子显微（要预先用某种晶体晶格条纹像来精确测定高放大倍率），即表征了相应电子显微镜的点分辨率。图镜的点分辨率。图1.191.19是一个线分辨率的例子。它是利用外延是一个
42、线分辨率的例子。它是利用外延(wiyn)(wiyn)生长方法制生长方法制得的定向单晶薄膜作为标样，拍摄其晶格条纹像。这种方法的优点是不需要知道仪得的定向单晶薄膜作为标样，拍摄其晶格条纹像。这种方法的优点是不需要知道仪器的放大倍率，因为事先已知道该样品的晶面间距精确值，例如图器的放大倍率，因为事先已知道该样品的晶面间距精确值，例如图1.191.19中金的中金的（220220）晶面间距就是）晶面间距就是 0.144 nm 0.144 nm。第46页/共49页第四十七页，共49页。理论理论理论理论(l(l ln)ln)分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限分辨本领极限 由金的晶格(jn)条纹像所测定的线分辨率第47页/共49页第四十八页，共49页。THE END第48页/共49页第四十九页，共49页。