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透射式电子显微镜的结构与原理

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透射式电子显微镜的结构与原理

发布日期:2016-07-27 作者: 点击:


  在实际情况下无论是光镜还是电镜,其内部结构都要比图示复杂得多,图中的聚光镜(condonser lens)、物镜(object lens)和投影镜(projection lens)为光路中的主要透镜,实际制作中它们往往各是一组(多块透镜构成),在设计电镜时为达到所需的放大率、减少畸变和降低像差,又常在投影镜之上增加一至两级中间镜(intemediate lens)。透射式电子显微镜的总体结构包括镜体和辅助系统两大部分,镜体部分包含:①照明系统(电子枪G,聚光镜C1、C2),②成像系统(样品室,物镜O,中间镜I1、I2,投影 镜P1、P2),③观察记录系统(观察室、照相室),④调校系统(消像散器、束取向调 整器、光阑)。辅助系统包含:①真空系统(机械泵、扩散泵、真空阀、真空规),②电路系统(电源变换、调整控制),③水冷系统。图4-13(a)为典型透射电镜的电子光学系统 构成及成像原理示意图,其中只包含了电镜镜体内的照明系统和成像系统两部分;图4-13(b)为透射电镜的镜体外形结构对照示意图。

    透射电镜的总体工作原理是:由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,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;经过物镜的会聚调焦和初级放大后,电子束进入下级的中间透镜和第1、第2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板上;荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。本节将分别对各系统中的主要结构和原理予以介绍。

    一、照明系统

    照明系统包括电子枪和聚光镜2个主要部件,它的功用主要在于向样品及成像系统提供亮度足够的光源��电子束流,对它的要求是输出的电子束波长单一稳定,亮度均匀一致,调整方便,像散小。

    1.电子枪(electronic gun)

    由阴极(cathode)、阳极(anode)和栅极(grid)组成。日立电子显微镜

    (1)阴极  阴极是产生自由电子的源头,一般有直热式和旁热式2种,旁热式阴极是将加热体和阴极分离,各自保持独立。在电镜中通常由加热灯丝(filament)兼做阴极。


在一定的界限内,灯丝发射出来的自由电子量与加热电流强度成正比,但在超越这个界限后,电流继续加大,只能降低灯丝的使用寿命,却不能增大自由电子的发射量,我们把这个临界点称做灯丝饱和点,意即自由电子的发射量已达“满额”,无以复加。正常使用常把灯丝的加热电流调整设定在接近饱和而不到的位置上,称做“欠饱和点”。这样在保证能获得较大的自由电子发射量的情况下,可以最大限度地延长灯丝的使用寿命。钨制灯丝的正常使用寿命为40h左右,现代电 镜中有时使用新型材料六硼化镧(LaB6)来制作灯丝,其价格较贵,但发光效率高、亮度大(能提高一个数量级),并且使用寿命远较钨制灯丝长得多,可以达到1000h ,是一种很好的新型材料。

(2)阳极  为一中心有孔的金属圆筒,处在阴极下方,当阳极上加有 数十千伏或上百千伏的正高压��加速电压时,将对阴极受热发射出来的自由电子产生强烈的引力作用,并使之从杂乱无章的状态变为有序的定向运动, 同时把自由电子加速到一定的运动速度(与加速电压有关,前面已经讨论过), 形成一股束流射向阳极靶面。凡在轴心运动的电子束流,将穿过阳极中心的圆孔射出电子枪外,成为照射样品的光源。

    

    (3)栅极位于阴、阳极之间,靠近灯丝顶端,为形似帽状的金属物,中心亦有一小孔供电子束通过。栅极上加有0~1000V的负电压(对阴极而言),这个负电压称为栅偏压VG,它的高低不同,可由使用者根据需要调整,栅极偏压能使电子束产生向中心轴会聚的作用,同时对灯丝上自由电子的发射量也有一定的调控抑制作用。 

  (4)工作原理  图4-17表明,在灯丝电源VF作用下,电流IF流过灯丝阴极,使之发热达2500℃以上时,便可产生自由电子并逸出灯丝表面。加速电压VA 使阳极表面聚集了密集的正电荷,形成了一个强大的正电场,在这个正电场的作用下自由电子便飞出了电子枪外。调整VF可使灯丝工作在欠饱和点,电镜使用过程中可根据对亮度的 需要调节栅偏压VG的大小来控制电子束流量的大小。

    电镜中加速电压VA也是可调的,VA增大时,电子束的波长λ缩短,有利于电镜分辨力的提高。同时穿透能力增强,对样品的热损伤小,但此时会由于电子束与样品碰撞,导致弹性散射电子的散射角随之增大,成像反差会因此而有所下降,所以,在不追求高分辨率观察应用时,选择较低的加速电压反而可以获得较大的成像反差,尤其对于自身反差对比较小的生物样品,选用较低的加速电压有时是有利的。日立能谱仪


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