第一電子光學(xué)基礎(chǔ)演示文稿

第一電子光學(xué)基礎(chǔ)演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)優(yōu)選第一電子光學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)前第2頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)dl物透鏡像與光學(xué)透鏡的成像原理相似，電磁透鏡的物距（d）、像距（l）和焦距（f）三者之間也滿足以下關(guān)系式：放大倍數(shù)M與三者之間的關(guān)系為：當(dāng)前第3頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)電磁透鏡的焦距f可由下式求得K－常數(shù)；Ur－經(jīng)相對(duì)論校正的電子加速電壓；I

－通過(guò)線圈的電流強(qiáng)度；N

－線圈每厘米長(zhǎng)度上的圈數(shù).

從上式可看出，無(wú)論激磁方向如何，電磁透鏡的焦距總是正的。改變激磁電流，電磁透鏡的焦距和放大倍數(shù)將發(fā)生相應(yīng)變化。因此，電磁透鏡是一種變焦距或變倍率的會(huì)聚透鏡，這是它有別于光學(xué)玻璃凸透鏡的一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)前第4頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)項(xiàng)目電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡射線源電子束可見(jiàn)光波長(zhǎng)0.0589?(20kV)~0.00687?(1MV)7600?(可見(jiàn)光)~2000?(紫外線)介質(zhì)真空大氣透鏡電磁透鏡玻璃透鏡孔徑角~幾度~70o分辨本領(lǐng)點(diǎn)分辨率1-3?，線分辨率0.5-2?2000?(可見(jiàn)光),1000?(紫外線)放大倍數(shù)幾十倍~數(shù)百萬(wàn)倍數(shù)倍~2000倍聚焦方式電磁控制、電子計(jì)算機(jī)控制機(jī)械操作襯度質(zhì)厚、衍射、相位、Z－襯度吸收、反射襯度電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡的比較當(dāng)前第5頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)二電子波的波長(zhǎng)電子波的波長(zhǎng)取決于電子的運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)量:υ

—電子速度，它和加速電壓U之間存在下面的關(guān)系。

h－普朗克常數(shù)，m－電子的質(zhì)量，m0＝（∵）當(dāng)前第6頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)加速電壓/kV100120200300400電子波長(zhǎng)/?0.0370.03350.02510.01970.0164常用TEM的電子波長(zhǎng)與加速電壓的關(guān)系：其中∴當(dāng)前第7頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)三電磁透鏡電子是帶負(fù)電的粒子，在靜電場(chǎng)中會(huì)受到電場(chǎng)力的作用，使運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)靜電場(chǎng)的大小和形狀可實(shí)現(xiàn)電子的聚焦和發(fā)散。由靜電場(chǎng)制成的透鏡稱為靜電透鏡，在電子顯微鏡中，發(fā)射電子的電子槍就是利用靜電透鏡。運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中也會(huì)受磁場(chǎng)力的作用產(chǎn)生偏折，從而達(dá)到會(huì)聚和發(fā)散，由磁場(chǎng)制成的透鏡稱為磁透鏡。用通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)使電子波聚焦成像的裝置叫電磁透鏡。當(dāng)前第8頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)電磁透鏡和靜電透鏡相比有如下的優(yōu)點(diǎn)

電磁透鏡

靜電透鏡1.改變線圈中的電流強(qiáng)度可很方便的控制焦距和放大率；2.無(wú)擊穿，供給電磁透鏡線圈的電壓為60到100伏；3.像差小。1.需改變加速電壓才可改變焦距和放大率；2.靜電透鏡需數(shù)萬(wàn)伏電壓，常會(huì)引起擊穿；3.像差較大。目前，應(yīng)用較多的是磁透鏡，我們只分析磁透鏡是如何工作的。當(dāng)前第9頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)Vvtvr當(dāng)前第10頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)一束平行于主軸的入射電子束通過(guò)電磁透鏡將被聚焦在軸線上一點(diǎn)，即焦點(diǎn)F類比光學(xué)玻璃凸透鏡當(dāng)前第11頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)

有極靴的透鏡極靴使得磁場(chǎng)被聚焦在極靴上下的間隔h內(nèi)，h可以小到幾個(gè)mm。在此小的區(qū)域內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度得到加強(qiáng)。有極靴Bz沒(méi)有極靴無(wú)鐵殼zh當(dāng)前第12頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)四電磁透鏡的像差及對(duì)分辨率的影響

電磁透鏡也存在缺陷，使得實(shí)際分辨距離遠(yuǎn)小于理論分辨距離，對(duì)電鏡分辨本領(lǐng)起作用的像差有幾何像差（球差、像散等）和色差。4.1、像差幾何像差是因?yàn)橥哥R磁場(chǎng)幾何形狀上的缺陷而造成的；色差是由于電子波的波長(zhǎng)或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的。當(dāng)前第13頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)4.1.1球差離開(kāi)透鏡主軸較遠(yuǎn)的電子(遠(yuǎn)軸電子)比主軸附近的電子(近軸電子)被折射程度要大。當(dāng)物點(diǎn)P通過(guò)透鏡成像時(shí)，電子就不會(huì)會(huì)聚到同一焦點(diǎn)上，從而形成了一個(gè)散焦斑.球差是由于電磁透鏡的中心區(qū)域和邊沿區(qū)域?qū)﹄娮拥臅?huì)聚能力不同而造成的。當(dāng)前第14頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)散焦斑的半徑RS可以表示為：散焦斑的半徑在原來(lái)的物平面的折算值可以表示成：上面的公式中，M為放大倍數(shù)；Cs為球差系數(shù)；α為孔徑半角；由上面的式子可以看出，為了減少由于球差的存在而引起的散焦斑，可以通過(guò)減小球差系數(shù)和縮小成像時(shí)的孔徑半角來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于目前普通的電鏡來(lái)說(shuō)，其物鏡的焦距一般在2~4mm，球差系數(shù)最小可以做到0.5mm，一般電鏡的為1.2mm；一般來(lái)說(shuō)，球差系數(shù)隨電磁透鏡的勵(lì)磁電流增大而減小，所以現(xiàn)在的高分辨電鏡的物鏡都是強(qiáng)勵(lì)磁低放大倍數(shù)的透鏡。當(dāng)前第15頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)像差是由透鏡磁場(chǎng)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱而引起的。、像散這種非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱磁場(chǎng)會(huì)使它在不同方向上的聚焦能力出現(xiàn)差別,結(jié)果使成像物點(diǎn)P通過(guò)透鏡后不能在像平面上聚焦成一點(diǎn)。平面B弱聚焦方向物P光軸△fA平面A強(qiáng)聚焦方向2RA2△rA最小散焦斑當(dāng)前第16頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)

透鏡磁場(chǎng)不對(duì)稱，可能是由于極靴被污染，或極靴的機(jī)械不對(duì)稱性，或極靴材料各向磁導(dǎo)率差異引起（由制造精度引起）。像散可通過(guò)引入一個(gè)強(qiáng)度和方向都可以調(diào)節(jié)的矯正電磁消像散器來(lái)矯正。最小散焦斑的平均半徑為：最小散焦斑在原物平面的折算半徑值可表示成：由于象散而引起的焦距差。當(dāng)前第17頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)色差是由于入射電子波長(zhǎng)（或能量）不同造成的。由于色差引起的散焦斑半徑折算到原物平面后的表達(dá)式為：Cc是透鏡的色差系數(shù)，取決于加速電壓的穩(wěn)定性。是電子束能量變化率。4.1.3色差當(dāng)前第18頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)引起電子束能量變化的主要有兩個(gè)原因：一是電子的加速電壓不穩(wěn)定；二是電子束照射到試樣時(shí)，和試樣相互作用，一部分電子發(fā)生非彈性散射，致使電子的能量發(fā)生變化。使用薄試樣和小孔徑光闌將散射角大的非彈性散射電子擋掉，將有助于減小色散。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)樣品很薄時(shí)，由于非彈性散射引起的能量變化很小，可以忽略；此時(shí)一般認(rèn)為色差大小主要取決于加速電壓的穩(wěn)定性。當(dāng)前第19頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)、像差對(duì)分辨率的影響在像差中，像散是可以消除的；而色差對(duì)分辨率的影響相對(duì)球差來(lái)說(shuō)，要小得多。所以像差對(duì)分辨率的影響主要來(lái)自球差。由瑞利公式，顯微鏡的分辨率由下式?jīng)Q定：而由于球差造成的散焦斑半徑的表達(dá)式為：當(dāng)前第20頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)在透射電子顯微鏡中，α的值一般很小（一般不會(huì)超過(guò)5度），所以有sinα≈α；電子波在真空中傳播，所以n=1，故上式又可以寫成：由上面的兩個(gè)式子可以看出來(lái)，為了提高電鏡的分辨率，從衍射的角度來(lái)看，應(yīng)該盡量增大孔徑半角，而從球差對(duì)散焦斑的影響來(lái)看，應(yīng)該盡量減小孔徑半角。為了使電鏡具有最佳分辨率，最好使衍射斑半徑和球差造成的散焦斑半徑相等。當(dāng)前第21頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)所以有以下的等式：從而得到：將最佳孔徑半角值代入：得到電鏡的理論分辨率的表達(dá)式為：其中A是常數(shù)，一般取A=0.65.（不同的書(shū)可能會(huì)不同）當(dāng)前第22頁(yè)\共有24頁(yè)\編于星期五\7點(diǎn)五電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)

電磁透鏡分辨本領(lǐng)大，景深大，焦長(zhǎng)長(zhǎng)。景深（或場(chǎng)深）是指在保持像清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動(dòng)的距離，或者說(shuō)試樣超越物平面所允許的厚度。焦深（或焦長(zhǎng)）是指在保持像清晰的前提下，像平面沿鏡軸可移動(dòng)的距離，或者說(shuō)觀察屏或照相底版沿鏡軸所允許的移動(dòng)距離。電磁透鏡所以有這種特點(diǎn)，是由于所用的孔徑角非常小的緣故。這種特點(diǎn)在電子顯微鏡的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有重大意義。當(dāng)前第23頁(yè)\共有