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          透射式電子顯微鏡的結構與原理

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          透射式電子顯微鏡的結構與原理

          發布日期:2016-07-27 作者: 點擊:


            在實際情況下無論是光鏡還是電鏡,其內部結構都要比圖示復雜得多,圖中的聚光鏡(condonser lens)、物鏡(object lens)和投影鏡(projection lens)為光路中的主要透鏡,實際制作中它們往往各是一組(多塊透鏡構成),在設計電鏡時為達到所需的放大率、減少畸變和降低像差,又常在投影鏡之上增加一至兩級中間鏡(intemediate lens)。透射式電子顯微鏡的總體結構包括鏡體和輔助系統兩大部分,鏡體部分包含:①照明系統(電子槍G,聚光鏡C1、C2),②成像系統(樣品室,物鏡O,中間鏡I1、I2,投影 鏡P1、P2),③觀察記錄系統(觀察室、照相室),④調校系統(消像散器、束取向調 整器、光闌)。輔助系統包含:①真空系統(機械泵、擴散泵、真空閥、真空規),②電路系統(電源變換、調整控制),③水冷系統。圖4-13(a)為典型透射電鏡的電子光學系統 構成及成像原理示意圖,其中只包含了電鏡鏡體內的照明系統和成像系統兩部分;圖4-13(b)為透射電鏡的鏡體外形結構對照示意圖。

              透射電鏡的總體工作原理是:由電子槍發射出來的電子束,在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡,通過聚光鏡將之會聚成一束尖細、明亮而又均勻的光斑,照射在樣品室內的樣品上;透過樣品后的電子束攜帶有樣品內部的結構信息,樣品內致密處透過的電子量少,稀疏處透過的電子量多;經過物鏡的會聚調焦和初級放大后,電子束進入下級的中間透鏡和第1、第2投影鏡進行綜合放大成像,最終被放大了的電子影像投射在觀察室內的熒光屏板上;熒光屏將電子影像轉化為可見光影像以供使用者觀察。本節將分別對各系統中的主要結構和原理予以介紹。

              一、照明系統

              照明系統包括電子槍和聚光鏡2個主要部件,它的功用主要在于向樣品及成像系統提供亮度足夠的光源&#0;&#0;電子束流,對它的要求是輸出的電子束波長單一穩定,亮度均勻一致,調整方便,像散小。

              1.電子槍(electronic gun)

              由陰極(cathode)、陽極(anode)和柵極(grid)組成。日立電子顯微鏡

              (1)陰極  陰極是產生自由電子的源頭,一般有直熱式和旁熱式2種,旁熱式陰極是將加熱體和陰極分離,各自保持獨立。在電鏡中通常由加熱燈絲(filament)兼做陰極。


          在一定的界限內,燈絲發射出來的自由電子量與加熱電流強度成正比,但在超越這個界限后,電流繼續加大,只能降低燈絲的使用壽命,卻不能增大自由電子的發射量,我們把這個臨界點稱做燈絲飽和點,意即自由電子的發射量已達“滿額”,無以復加。正常使用常把燈絲的加熱電流調整設定在接近飽和而不到的位置上,稱做“欠飽和點”。這樣在保證能獲得較大的自由電子發射量的情況下,可以最大限度地延長燈絲的使用壽命。鎢制燈絲的正常使用壽命為40h左右,現代電 鏡中有時使用新型材料六硼化鑭(LaB6)來制作燈絲,其價格較貴,但發光效率高、亮度大(能提高一個數量級),并且使用壽命遠較鎢制燈絲長得多,可以達到1000h ,是一種很好的新型材料。

          (2)陽極  為一中心有孔的金屬圓筒,處在陰極下方,當陽極上加有 數十千伏或上百千伏的正高壓&#0;&#0;加速電壓時,將對陰極受熱發射出來的自由電子產生強烈的引力作用,并使之從雜亂無章的狀態變為有序的定向運動, 同時把自由電子加速到一定的運動速度(與加速電壓有關,前面已經討論過), 形成一股束流射向陽極靶面。凡在軸心運動的電子束流,將穿過陽極中心的圓孔射出電子槍外,成為照射樣品的光源。

              

              (3)柵極位于陰、陽極之間,靠近燈絲頂端,為形似帽狀的金屬物,中心亦有一小孔供電子束通過。柵極上加有0~1000V的負電壓(對陰極而言),這個負電壓稱為柵偏壓VG,它的高低不同,可由使用者根據需要調整,柵極偏壓能使電子束產生向中心軸會聚的作用,同時對燈絲上自由電子的發射量也有一定的調控抑制作用。 

            (4)工作原理  圖4-17表明,在燈絲電源VF作用下,電流IF流過燈絲陰極,使之發熱達2500℃以上時,便可產生自由電子并逸出燈絲表面。加速電壓VA 使陽極表面聚集了密集的正電荷,形成了一個強大的正電場,在這個正電場的作用下自由電子便飛出了電子槍外。調整VF可使燈絲工作在欠飽和點,電鏡使用過程中可根據對亮度的 需要調節柵偏壓VG的大小來控制電子束流量的大小。

              電鏡中加速電壓VA也是可調的,VA增大時,電子束的波長λ縮短,有利于電鏡分辨力的提高。同時穿透能力增強,對樣品的熱損傷小,但此時會由于電子束與樣品碰撞,導致彈性散射電子的散射角隨之增大,成像反差會因此而有所下降,所以,在不追求高分辨率觀察應用時,選擇較低的加速電壓反而可以獲得較大的成像反差,尤其對于自身反差對比較小的生物樣品,選用較低的加速電壓有時是有利的。日立能譜儀


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