第七章 電子光學基礎

第七章電子光學基礎第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1前言

上一學期學習了X射線衍射學的基本原理,我們知道,通過X射線衍射分析可以對物質進行：

結構測定——定性相分析

取向分析——定向

定量相分析但是作為材料研究來說在今天已遠遠不夠,還必須了解其宏觀性能或行為與其微觀組織、結構之間的聯(lián)系，所以了解材料的微觀組織、結構在近代材料科學研究中已是不可缺少的一項。

第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2光學顯微鏡的成像原理極其局限性

7.2.1成像原理

光學顯微鏡是利用可見光從一種介質(空氣)到另一種介質(玻璃)的折射率不同對光線成折射，當將玻璃制成球面體時對可見光就產(chǎn)生了會聚或發(fā)散作用，對物體的放大與縮小可由單個透鏡或多個透鏡的組合來完成.根據(jù)幾何光學理論,一個薄透鏡具有下列性質：從物點射出的平行光軸的光線,經(jīng)過透鏡后必定要穿過后焦點；從物點射出通過透鏡中心的光線不發(fā)生折射；從物點射出的通過透鏡前焦點的光線經(jīng)過透鏡后變成平行于主軸的光線；焦距ｆ,物距Ｌ１,像距Ｌ２滿足下列關系：牛頓公式

第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月上面的四個性質，在幾何光學里可用上面一幅圖來表現(xiàn)出來—發(fā)展成幾何作圖法：圖7－1幾何作圖法

第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.2光學顯微鏡的局限性

物體上的一個幾何物點通過透鏡成像時，由于衍射效應，在像平面上得到的并不是一個點，而是一個中心最亮、周圍帶有明暗相間的同心圓環(huán)的圓斑，即所謂Airy斑。

第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

若樣品上有兩個物點S1、S2通過透鏡成像，在像平面上會產(chǎn)生兩個Airy斑S1’、S2’。

如圖，如果這兩個Airy斑相互靠近，當兩個光斑強度峰間的強度谷值比強度峰值低19％時(把強度峰的高度看作100％)，這個強度反差對人眼來說是剛有所感覺。

也就是說，這個反差值是人眼能否感覺出存在S1’、S2’兩個斑點的臨界值。第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

從顯微鏡的功能來說，它的作用是將一個微小的物體放大到為人眼能分辨為止。定義：在數(shù)值上，分辨本領就是一個光學系統(tǒng)剛能將兩個靠近的物點分開時，這兩個物點間的距離。此距離越小，則光學系統(tǒng)亦即顯微鏡的分辨本領越高。阿貝根據(jù)衍射理論導出了光學透鏡分辨本領的公式為：其中：

是攝照源的波長

是透鏡的孔徑半角n是物與鏡之間介質的折射率減小ｒ值,即提高分辨率的途徑有:(1)減小

值,但可見光最短波長約4000

(2)增大nSin

，目前可做到1.6

第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3電子顯微鏡的原理

由阿貝公式可知，光學顯微鏡的分辨率受到了其光源波長的限制，因此，只要能尋找到一種波長更短的光源來代替極大地提高透鏡的分辨率，于是人們首先想到了電子。7.3.1電子的波長

前面曾經(jīng)談到電子的特性，即：(1)易產(chǎn)生，尺寸??；(2)易控制，加速快，等。根據(jù)德布羅意假說，運動著的粒子亦具有波粒二象性，其波長為：電子波長與加速電壓之間的關系為：

：A

，V：伏第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3.2電磁透鏡

可見光的聚焦成像是利用光在兩種不同介質中折射率的不同而產(chǎn)生折射完成的，對于電子來說亦必須有同樣的透鏡來約束它，才能為我所用。(1)靜電透鏡帶有負電性的電子在電場中運動，受到電場力的作用，在電場力的作用下，其方向將發(fā)生偏轉，它在電場等位面上的特征，就如同光線在玻璃面上的折射一樣，可以使電子束聚焦。常用靜電透鏡的剖面見圖7－2。因此，如果將靜電場的等位面做成軸對稱的球面凸透鏡狀，那么電子束亦將具備可見光一樣的現(xiàn)象，即會聚或發(fā)散，這就是靜電透鏡的原理。第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)磁透鏡

我們知道，當一個運動的電子在磁場中運動時，受到一個洛侖茲力的作用，即：在電子垂直射入均勻磁場時：

運動電子圖7－3運動電子在均勻磁場中的運動

第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月電子射入一個無限長的螺線管時電子作螺旋運動，在軸上始終有一個向心的洛侖磁力作用于電子上，使其作圓周運動。設想一下，如果將無限長螺線管進行軸向壓縮成很薄，很薄,那么它的等磁面就會類同于凸透鏡狀，對電子束就能起到會聚作用。旋轉對稱的磁場對電子束有會聚成像作用，因此，利用這個原理就可以制作一個產(chǎn)生這種旋轉對稱磁場的線圈裝置，這就是磁透鏡。見圖7－4。在實際的電鏡中，磁透鏡都是加上極靴的，見圖7－5。所謂的極靴實際上是在短線圈外加上一個對磁場屏蔽的軟磁體，只是在線圈的中部留一環(huán)狀間隙，這樣，磁力線都集中在透鏡中心環(huán)狀間隙附近，形成如同薄凸透鏡一樣的等磁面。第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)磁透鏡與光學顯微鏡的比較相同點，遵循牛頓公式，即物距，像距，焦距滿足下列關系不同點，對光學透鏡：f不變對磁透鏡：f隨勵磁電流而改變(4)磁透鏡的缺陷與光學透鏡一樣,磁透鏡亦有其固有的缺陷,如：球差、色差、象散等等。因此，磁透鏡的實際分辨率遠較某理論分辨率低，目前最好的磁透鏡的點分辨率可達1.4A

原則上可以看到原子的排列.第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3.3電磁透鏡的像差與分辨本領

像差分成兩類，即幾何像差和色差。幾何像差：因為透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成的。幾何像差主要指球差和像散色差：電子波的波長或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的。下面我們將分別討論球差、像散和色差形成的原因并指出減小這些像差的途徑.

第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)球差球差即球面像差。定義：由于電磁透鏡的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域對電子的折射能力不符合預定的規(guī)律而造成的。如圖7－6所示。圖7－6球差形成示意圖解決方案：縮小孔徑角，因為球差和孔徑半角成三次方的關系。第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)像散定義：像散是由透鏡磁場的非旋轉對稱而引起的像差。解決方案：對于電磁透鏡在制造過程中已存在固有的像散，則可以通過引入一個強度和方位都可以調節(jié)的矯正磁場來進行補償，即：消像散器圖7－7像散形成示意圖

第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月(三)色差定義：色差是由于入射電子波長(或能量)的非單一性所造成的像差。解決方案：穩(wěn)定電壓減薄樣品－減少非彈性碰撞的電子圖7－8色差形成示意圖第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月(四)分辨本領

由前面對光學顯微鏡的討論可知，一個光學系統(tǒng)的分辨本領為：此分辨本領公式同樣適用于電子光學系統(tǒng)。像差對分辨本領的影響：球差：像散：色差：顯然：衍射效應與像差對分辨本領的影響是相反的它們的共同點均是受孔徑角的影響第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3.3電磁透鏡的景深和焦長（一）景深定義：透鏡物平面允許的軸向偏差定義為透鏡的景深。一般來說：孔徑角：10-2—10-3景深：200－2000A0第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）焦長定義：透鏡像平面允許的軸向偏差定義為透鏡的焦長。對于由多級電磁透鏡組成的電子顯微鏡來說，其終像放大倍數(shù)等于各級透鏡放大倍數(shù)之積。因此終像的焦長很長，一般說來超過10-20cm。第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)1、書第116頁：1、2、3、4、5題第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月本章的重點1、光學顯微鏡的局限性2、磁透鏡與玻璃透鏡的異同點3、磁透鏡有幾種像差？減小像差具體方法?第