電子顯微1-電磁透鏡

1、電子顯微分析 電磁透鏡 幾何光學(xué)系統(tǒng)中物像關(guān)系（凸透鏡）幾何光學(xué)系統(tǒng)中物像關(guān)系（凸透鏡） 顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) 0 0 樣品樣品 1 1 第一次成像，倒立的實(shí)像第一次成像，倒立的實(shí)像M M1 1 2 2 第二次成像，正立的虛像第二次成像，正立的虛像M M2 2 多個(gè)薄透鏡疊加增加放大倍數(shù) M=M1 x M2 x M3 x 可以通過多個(gè)透鏡疊加來無(wú) 限制地放大樣品物點(diǎn)嗎？ 圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射示意圖（a）和衍射圓斑（b） 衍射圓斑中以第一暗環(huán)為周界的中央亮斑的光強(qiáng)度約占通過透鏡總光 強(qiáng)的百分之八十以上，這個(gè)中央亮斑被稱之為埃里斑。 由于光的衍射，使得由物平面內(nèi)的點(diǎn)O1 、 O2 在象平

2、面形成 一B1 、 B2圓斑（Airy斑）。若O1 、 O2靠的太近，過分重疊， 圖象就模糊不清。 點(diǎn)O1 、 O2 形成兩個(gè)Airy斑； 強(qiáng)度分布 O1 O2 d B2 Md 強(qiáng)度 B1 分辨率分辨率 A B 圖（a）兩個(gè)Airy斑 明顯可分辨出。 圖（b）兩個(gè)Airy斑 剛好可分辨出。 圖（c）兩個(gè)Airy斑 分辨不出。 放大倍數(shù)放大倍數(shù)人眼從顯微鏡目鏡所見的被觀察物之尺寸與原物尺寸的比 值。人眼在明視距離(250 mm)的分辨本領(lǐng)為0.2 mm。因此需將物鏡 能鑒別的距離經(jīng)放大成0.2 mm以上的像方能被人眼分辨。 M有效= 人眼分辨率 光鏡分辨率 = 0.2 mm 200 nm = 1

3、000 倍 u多透鏡組合的總放大倍數(shù)各透鏡放大倍數(shù)的乘積 u分辨率能辨識(shí)的兩點(diǎn)或兩線間的距離，即成為衡量顯 微鏡功能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。 u分辨率越高，能辨識(shí)的兩點(diǎn)或兩線之間的距離就越小。 放大倍數(shù)放大倍數(shù)& &分辨率分辨率 光鏡的有效放大倍數(shù) 像差的影響因素像差的影響因素- -球差球差 像差的影響因素像差的影響因素- -色差色差 像差的影響因素像差的影響因素 彗形球差彗形球差 像散（縱橫像差）像散（縱橫像差） 像差的影響因素像差的影響因素- -畸變畸變 透鏡對(duì)同一物體的不同部位有著不同的放大率，越是透鏡對(duì)同一物體的不同部位有著不同的放大率，越是 邊緣部分變形扭曲越明顯，但不影響像的清晰度邊緣部分

4、變形扭曲越明顯，但不影響像的清晰度 r 分辨率 （r小，分辨能力越高） 照明源的波長(zhǎng) n透鏡上、下方介質(zhì)的折射率 透鏡孔徑半角（） nsin數(shù)值孔徑 用N.A表示 分辨能力（分辨率、分辨分辨能力（分辨率、分辨 本領(lǐng)）：本領(lǐng)）： 一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能 分開兩個(gè)物點(diǎn)的能力，數(shù)值上 是剛能清楚地分開兩個(gè)物點(diǎn)間 的最小距離。 光學(xué)顯微鏡的局限性光學(xué)顯微鏡的局限性 )( 61. 0 sin 61. 0 nm ANn r 孔徑半角示意圖 增大孔徑角：增大透鏡增大孔徑角：增大透鏡 直徑，但球面象差和多直徑，但球面象差和多 色象差增大色象差增大。 采用介質(zhì)有油（松柏油）采用介質(zhì)有油（松柏油） n為為1.5 K 光

5、學(xué) 顯 微 鏡 J 電 子 顯 微 鏡 眼晴： 準(zhǔn)確性、靈敏性、適應(yīng) 性和精密的分辨能力。 人眼觀察物體的粒度極 限為0.2mm！ 局限性 可以看到細(xì)菌、細(xì)胞那樣 小的物體。 最好的光學(xué)顯微鏡的放大 極限是：2000倍 但光學(xué)顯微鏡超過一定放 大率后就失去作用， 可見光作光源，可見光作光源，N.A可提高到可提高到1.51.6 -1.6 -得得 光學(xué)顯微鏡的極限分辨本領(lǐng)大約是所使用照明光線波長(zhǎng)的一半 因此光學(xué)透鏡的分辨本領(lǐng)極限為 200nm 紫外線（紫外線（100-400nm）易被吸收易被吸收： =275nm， 100nm 瑞利公式瑞利公式的意義：的意義： 減小 r值 的途徑有： (1)N.A，

6、 即n和 (2) )( 61. 0 sin 61. 0 nm ANn r 電子束：電子束： =0.03880.00087nm r=0.1nm 電子在電、磁場(chǎng)中易改變運(yùn)動(dòng)方向，且電子波的波長(zhǎng)比可見光短得多，所以電子顯微鏡 在高放大倍數(shù)時(shí)所能達(dá)到的分辨率比光學(xué)顯微鏡高得多。 各種電磁波的波長(zhǎng) 電 磁 波 波長(zhǎng)(埃) 電 磁 波 波長(zhǎng)(埃) 電 波 1013107 紫 外 線 3900130 紅 外 線 5x106104 X射線 1000.5 可見光線 76003900 射 線 10.5 nX射線是制造高分辨顯微鏡的理想光源：具有波動(dòng) 性，波長(zhǎng)短（0，表明磁透鏡總是會(huì)聚透鏡，表明磁透鏡總是會(huì)聚透鏡

7、焦距焦距f與加速電壓與加速電壓U有關(guān)，加速電有關(guān)，加速電 壓不穩(wěn)定將使圖象不清晰。壓不穩(wěn)定將使圖象不清晰。 f 1 / I2：表明當(dāng)：表明當(dāng)激激磁電流稍有變磁電流稍有變 化時(shí)，焦距化時(shí)，焦距f 變化。變化。 p為物距，為物距，q為像距，為像距，f為透鏡的焦距；為透鏡的焦距； A是與透鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)是與透鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)(A0)； U是加速電壓；是加速電壓； NI為透鏡線包的安匝數(shù)；為透鏡線包的安匝數(shù)； R為線包的半徑。為線包的半徑。 111 pqf 22 U fAR N I 極靴磁透鏡極靴磁透鏡 特點(diǎn)：極靴附近磁場(chǎng)很強(qiáng)，對(duì)電子的折射能力大，特點(diǎn)：極靴附近磁場(chǎng)很強(qiáng)，對(duì)電子的折射能力大， 可以使

8、透鏡的可以使透鏡的 f 變得更短。變得更短。 極靴磁透鏡是在包殼磁透鏡中再增加一極靴磁透鏡是在包殼磁透鏡中再增加一 組特殊形狀的極靴。組特殊形狀的極靴。 一組極靴由具有同軸圓孔的上下極靴和一組極靴由具有同軸圓孔的上下極靴和 連接筒組成。連接筒組成。 常用的極靴材料：常用的極靴材料：Fe-Co合金，合金，F(xiàn)e- Co-Ni合金合金 磁透鏡結(jié)構(gòu)剖面圖磁透鏡結(jié)構(gòu)剖面圖 進(jìn)水口 出水口 水冷面 電子束通道 軟鐵極靴 縫隙 口 徑電源 銅線圈 軸向磁場(chǎng)軸向磁場(chǎng)感應(yīng)感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線強(qiáng)度分布曲線對(duì)比對(duì)比 有極靴的磁透鏡的磁場(chǎng)強(qiáng)度比短線圈或包鐵殼磁透鏡更為集中有極靴的磁透鏡的磁場(chǎng)強(qiáng)度比短線圈或包鐵殼磁透鏡更為

9、集中 和增強(qiáng)。和增強(qiáng)。 短線圈磁場(chǎng)中有一部分磁力線在線圈外側(cè)，它對(duì)電子束的聚焦不起作用，因此短線圈磁透鏡的磁場(chǎng)強(qiáng)度小， 焦距長(zhǎng)。 特殊磁透鏡特殊磁透鏡 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 焦距很短，約等于透鏡磁場(chǎng)的半寬度； 球差可比普通磁透鏡小一個(gè)數(shù)量級(jí)， 有利于提高透鏡的分辨本領(lǐng)。 有的電鏡是將試樣放在透鏡上、有的電鏡是將試樣放在透鏡上、 下極靴中間的位置，上極靴附下極靴中間的位置，上極靴附 近磁場(chǎng)起會(huì)聚電子束的作用，近磁場(chǎng)起會(huì)聚電子束的作用， 下極靴附近磁場(chǎng)起物鏡作用，下極靴附近磁場(chǎng)起物鏡作用， 單場(chǎng)磁透鏡。單場(chǎng)磁透鏡。 上下極靴的上下極靴的孔徑不相同孔徑不相同的磁的磁 透鏡稱不對(duì)稱磁透鏡。透鏡稱不對(duì)稱磁透鏡。

10、 如用于如用于透射電鏡的物鏡透射電鏡的物鏡，上，上 極靴孔要大些，使試樣能放極靴孔要大些，使試樣能放 在透鏡的焦點(diǎn)位置附近，并在透鏡的焦點(diǎn)位置附近，并 便于試樣的傾斜和移動(dòng)。便于試樣的傾斜和移動(dòng)。 掃描電鏡中物鏡掃描電鏡中物鏡的下極靴孔的下極靴孔 比上極靴孔大，以便于在其比上極靴孔大，以便于在其 附近安放某些附件。附近安放某些附件。 磁透鏡與光學(xué)透鏡的比較磁透鏡與光學(xué)透鏡的比較 磁透鏡對(duì)電子有旋轉(zhuǎn)作用，所得到的電子光學(xué)像磁透鏡對(duì)電子有旋轉(zhuǎn)作用，所得到的電子光學(xué)像 相對(duì)于物來說旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度相對(duì)于物來說旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度磁轉(zhuǎn)角磁轉(zhuǎn)角 所有從O點(diǎn)出發(fā)的電子類似的軌跡運(yùn)動(dòng)，在v一定時(shí)，當(dāng)軌跡與 軸的角度很小時(shí)，電子會(huì)聚在O點(diǎn)（O）的象。 O 象 物 O b a 象 物 平行光軸電子束經(jīng)透鏡成象的情況；a b 為磁場(chǎng)作用區(qū)域。