透射电子显微镜的原理和构造
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发布时间：2024-04-05 02:13
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时间：2024-07-22 04:07
透射电子显微镜（英文：Transmission electron microscopy，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍， 用于观察超微结构，即小于0.2μm、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。
工作原理
成像原理与光学显微镜类似。
不同点：光学显微镜用可见光作照明束，透射电子显微镜用电子为照明束；光学显微镜中聚焦成像用玻璃透镜，TEM中为磁透镜。电子波长极短，且与物质作用遵从布拉格方程（λ=2dsinθ），产生衍射现象，TEM具有高分辨率且有结构分析功能。
成像原理
透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：
吸收像：
当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。
衍射像：
电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。
相位像：
当样品薄至100?以下时，电子可以传过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。
组件
电子枪：
发射电子，由阴极、栅极、阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速、加压的作用。
聚光镜：
将电子束聚集，可用已控制照明强度和孔径角。
样品室：
放置待观察的样品，并装有倾转台，用以改变试样的角度，还有装配加热、冷却等设备。
物镜：
为放大率很高的短距透镜，作用是放大电子像。物镜是决定透射电子显微镜分辨能力和成像质量的关键。
中间镜：
为可变倍的弱透镜，作用是对电子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流，可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。
透射镜：
为高倍的强透镜，用来放大中间像后在荧光屏上成像。
此外还有二级真空泵来对样品室抽真空、照相装置用以记录影像。
透射电子显微镜结构包括两大部分：主体部分为照明系统、成像系统和观察照相室；辅助部分为真空系统和电气系统。
1、照明系统
该系统分 成两部分：电子枪和会聚镜。电子枪由灯丝(阴极)、栅级和阳极组成。加热灯丝发射电子束。在阳极加电压，电子加速。阳极与阴极间的电位差为总的加速电压。经加速而具有能量的电子从阳极板的孔中射出。射出的电子束能量与加速电压有关，栅极起控制电子束形状的作用。电子束有一定的发散角，经会聚镜调节后，可望 得到发散角，很小甚至为0的平行电子束。电子束的电流密度(束流)可通过调节会聚镜的电流来调节。
样品上需要照明的区域大小与放大倍数有关．放大倍数愈高，照明区域愈小，相应地要求以更细的电子束照明样品．由电子枪直接发射出的电子束的束斑尺寸较大，相干性也较差。为了更有效地利用这些电子，获得亮度高、相干性好的照明电子束以满足透射电镜在不同放大倍数下的需要，由电子枪子枪发射出来的电子束还需要进 一步会聚，提供束斑尺寸不同、近似平行的照明束．这个任务通常由两个被叫做聚光镜的电磁透镜完成．图中C1和C2分别表示第一聚光镜和第二聚光镜．C1通 常保持不变，其作用是将电子枪的交叉点成一缩小的像，使其尺寸缩小一个数量级以上．此外，在照明系统中还安装有束倾斜装置，可以很方便地使电子束在 2°～3°的范围内倾斜，以便以某些特定的倾斜角度照明样品。
2、成像系统
该系统包括样品室、物镜、中间镜、反差光栏、衍射光栏、投射镜以及其它电子光学部件。样品室有一套机构，保证样品经常更换时不破坏主体的真空。样品可在X、Y二方向移动，以便找到所要观察的位置。经过会聚镜得到的平行电子束照射到样品上，穿过样品后就带有反映样品特征的信息，经物镜和反差光栏作用形成一次电子图象，再经中间镜和投射镜放大一次后，在荧光屏上得到最后的电子图象。
照明系统提供了一束相干性很好的照明电子束，这些电子穿越样 品后便携带样品的结构信息，沿各自不同的方向传播(比如，当存在满足布拉格方程的晶面组时，可能在与入射束交成2θ角的方向上产生衍射束)．物镜将来自样 品不同部位、传播方向相同的电子在其背焦面上会聚为一个斑点，沿不同方向传播的电子相应地形成不同的斑点，其中散射角为零的直射束被会聚于物镜的焦点，形成中心斑点．这样，在物镜的背焦面上便形成了衍射花样．而在物镜的像平面上，这些电子束重新组合相干成像．通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与 物镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像．通过两个中间镜相互配合，可实现在较大范围内调整相机长度和放大倍数。
透射电子显微镜与透射光学显微镜光路比较
3、观察照相室
电子图像反映在荧光屏上。荧光发光和电子束流成正比。把荧光屏换成电子干板，即可照相。干板的感光能力与其波长有关。
4、真空系统
真 空系统由机械泵、油扩散泵、离子泵、真空测量仪表及真空管道组成。它的作用是排除镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在10-5托以上，目前最好的真空度可以 达到10-9—10-10托。如果真空度低的话，电子与气体分子之间的碰撞引起散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压电离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品。
5、供电控制系统
加速电压和透镜磁电流不稳定将会产生严重的色差及降低电镜的分辨本领，所以加速电压和透 镜电流的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准。透射电镜的电路主要由以下部分组成，高压直流电源、透镜励磁电源、偏转器线圈电源、电子枪灯丝加热电源，以及真空系统控制电路、真空泵电源、照相驱动装置及自动曝光电路等。
另外，许多高性能的电镜上还装备有扫描附件、能谱议、电子能量损失谱等仪器。透射电子显微镜结构和成像原理。
