透射式電子顯微鏡的結構與原理

  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��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��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