显微镜成像方法与技术3.ppt
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1、第三讲、电子显微镜镜第三讲、电子显微镜镜 电子显微镜电子显微镜 电子显微镜,简称电镜,是根据电子光学原理,用电子束电子束和电子透镜电子透镜代替光束和光学透镜,使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。在光学显微镜下无法看清小于0.2m的细微结构,这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构,就必须选择波长更短的光源,以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜,电子束的波长要比可见光和紫外光短得多,并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比,也就是说电压越高波长越短。目前透射电镜的分辨力可达0.2nm。电镜的分类电镜的分类 电子显微镜按结构和用
2、途可分为透射式电子显微镜透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜扫描式电子显微镜、反射反射式电子显微镜式电子显微镜和发射式电子显微镜发射式电子显微镜等。透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结构;扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌,也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合,构成电子微探针,用于物质成分分析;发射式电子显微镜用于自发射电子表面的研究。电镜的分辨本领电镜的分辨本领 在光学中,分辨率(分辨极限)即指光学仪器可以分辨的两个物点之间的最小距离。由于瑞利斑(爱里斑)瑞利斑(爱里斑)的关系,显微镜物镜的分辨极限为:0.61/n sin 式中为入射光波长,n是物方介质的折
3、射率,2为物镜对物体的张角(孔径角孔径角),n sin为物镜的数值孔径数值孔径,以N.A.表示。通过增大数值孔径或缩短光源波长都可以提高物镜的分辨率。从增大数值孔径N.A.来提高分辨率是很有限和困难的,最有效的方法是缩短光源的波缩短光源的波长长,电镜所采用的电子波长为:12.25/V 可见,只要提高加速电压V就可以得到短波长的电子波,分辨率也就相应得到提高。物体物镜一、透射电镜一、透射电镜 透射式电子显微镜(TEM,Transmission Electron Microscopy,亦称投射式电子显微镜)因电子束穿透样品后,再用电子透镜成像放大而得名。它的光路与光学显微镜相仿,可以直接获得一个样
4、本的投影。通过改变物镜的透镜系统人们可以直接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍射像。使用这个像可以分析样本的晶体结构。在这种电子显微镜中,图像细节的对比度是由样品的原子对电子束的散射形成的。由于电子需要穿过样本,因此样本必须非常薄。组成样本的原子的原原子量子量、加速电子的电压电压和所希望获得的分辨率分辨率决定样本的厚度厚度。样本的厚度可以从数纳米到数微米不等。原子量越高、电压越低,样本就必须越薄。样品较薄或密度较低的部分,电子束散射较少,这样就有较多的电子通过物镜光栏,参与成像,在图像中显得较亮。反之,样品中较厚或较密的部分,在图像中则显得较暗。如果样品太厚或过密,则像的对比度就会恶化
5、,甚至会因吸收电子束的能量而被损伤或破坏。JEM-2010F透射电镜 第一部实际工作的TEM,现在在德国慕尼黑的遗址博物馆展出。工作原理工作原理 透射电镜的总体工作原理是:由电子枪电子枪发射出来的电子束,在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜聚光镜,通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑,照射在样品室样品室内的样品上;透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息,样品内致密处透过的电子量少,稀疏处透过的电子量多;经过物镜物镜的会聚调焦和初级放大后,电子束进入下级的中间透镜中间透镜和第1、第2投影镜投影镜进行综合放大成像,最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏荧光屏板上;荧光屏将电子影
6、像转化为可见光影像以供使用者观察。基本的基本的TEM光学元件布局图光学元件布局图 TEMTEM的结构的结构 TEM TEM由几大部分组成:照明系统;成像系统;记录系统;真空系统;电气系统。1.1.照明系统照明系统 主要由电子枪电子枪和聚光镜聚光镜组成。电子枪电子枪 是发射电子的照明源。聚光镜聚光镜 是把电子枪发射出来的电子束进一步会聚后照射到样品上。照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。电子枪的构成电子枪的构成 2.成像系统成像系统 即电子光学系统电子光学系统,又称镜筒镜筒,是透射电镜的主体。成像系统主要由物物镜、中间镜镜、中间镜和投影镜投影镜组成。物镜物
7、镜 是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子透射电子显微镜显微镜 分辨本领的高低主要取决于物镜。分辨本领的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨率,必须尽可能降低像差。通常采用强激磁,短焦距的物镜。物镜是一个强激磁短焦距的透镜,它的放大倍数较高,一般为100-300倍。目前,高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。中间镜中间镜 是一个弱激磁的长焦距变倍透镜,可在0-20倍范围调节。当M1时,用来进一步放大物镜的像;当M1时,用来缩小物镜的像。在电镜操作过程中,主要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的放大倍数。TEM分裂
8、极靴设计透镜示意图分裂极靴设计透镜示意图 投影镜投影镜 的作用是把经中间镜放大(或缩小)的像(电子衍射花样)进一步放大,并投影到荧光屏上,它和物镜一样,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镜角很小(约10-3rad),因此它的景深和像距都非常大。即使改变中间镜的放大倍数,使显微镜的总放大倍数有很大的变化,也不会影响图像的清晰度。有时,中间镜的像平面还会出现一定的位移,由于这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内,因此,在荧光屏上的图像仍旧是清晰的。电子图像的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积电子图像的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之
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