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透射电子显微镜的结构、原理和衍衬成像观察实验陈说之答禄夫天创作一、二、实验目的1、了解透射电子显微电镜的基本结构；2、熟悉透射电子显微镜的成像原理；3、了解基本把持步伐.二、实验内容1、了解透射电子显微镜的结构；2、了解电子显微镜面板上各个按钮的位置与作用；3、无试样时检测像散, 如存在则进行消像散处置；4、加装试样, 分别进行衍射把持、成像把持, 观察衍射花样和图像；5、进行明场、暗场和中心暗场把持, 分别观察明场像、暗场像和中心暗场像.三、实验设备和器材JEM-2100F型TEM透射电子显微镜四、实验原理（一）、透射电镜的基本结构透射电镜主要由电子光学系统、电源控制系统和真空系统三年夜部份组成, 其中电子光学系统为电镜的核心部份, 它包括照明系统、成像系统和观察记录系统组成.（1）照明系统照明系统主要由电子枪和聚光镜组成.电子枪就是发生稳定的电子束流的装置, 电子枪发射电子形成照明光源, 根据发生电子束的原理的分歧, 可分为热发射型和场发射型两种.图 1 热发射电子枪图2 场发射电子枪聚光镜是将电子枪发射的电子会聚成亮度高、相干性好、束流稳定的电子束照射样品.电镜一般都采纳双聚光镜系统.图3 双聚光镜的原理图（2）成像系统成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成.物镜是成像系统中第一个电磁透镜, 强励磁短焦距（f=1~3mm）, 放年夜倍数Mo一般为100～300倍, 分辨率高的可达0.1nm左右.物镜的质量好坏直接影响到整过系统的成像质量.物镜未能分辨的结构细节, 中间镜和投影镜同样不能分辨, 它们只是将物镜的成像进一步放年夜而已.提高物镜分辨率是提高整个系统成像质量的关键.中间镜是电子束在成像系统中通过的第二个电磁透镜, 位于物镜和投影镜之间, 弱励磁长焦距(放置光栏需空间), 放年夜倍数Mi在0～20倍之间.投影镜是成像系统中最后一个电磁透镜, 强励磁短焦距, 其作用是将中间镜形成的像进一步放年夜, 并投影到荧光屏上.投影镜景深年夜, 即使中间镜的像发生移动, 也不会影响在荧光屏上获得清晰的图像.（3）观察记录系统观察记录系统主要由荧光屏和照相机构组成.荧光屏是在铝板上均匀喷涂荧光粉制得, 主要是在观察分析时使用, 当需要拍照时可将荧光屏翻转90, 让电子束在照相底片上感光数秒钟即可成像.荧光屏与感光底片相距有数厘米, 但由于投影镜的焦长很年夜, 这样的把持其实不影响成像质量, 所拍照片依旧清晰.整个电镜的光学系统均在真空中工作, 但电子枪、镜筒和照相室之间相互自力, 均设有电磁阀.可以独自抽真空.更换灯丝、清洗镜筒、照相把持时, 均可分别进行, 而不影响其他部份的真空状态.为了屏蔽镜体内可能发生的X射线, 观察窗由铅玻璃制成, 加速电压愈高, 配置的铅玻璃就愈厚.另外, 在超高压电子显微镜中, 由于观察窗的铅玻璃增厚, 直接从荧光屏观察微观细节比力困难, 此时可运用安排在照相室中的TV相机来完成, 曝光时间由图像的亮度自动确定.（二）、主要附件（1）样品倾斜装置（样品台）样品台是位于物镜的上下极靴之间承载样品的重要部件, 见图2, 并使样品在极靴孔内平移、倾斜、旋转, 以便找到合适的区域或位向, 进行有效观察和分析.（2）电子束的平移和倾斜装置电镜中是靠电磁偏转器来实现电子束的平移和倾斜的.图3为电磁偏转器的工作原理图, 电磁偏转器由上下两个偏置线圈组成, 通过调节线圈电流的年夜小和方向可改变电子束偏转的水平和方向.1、当上下偏置线圈的偏转角度相等, 但方向相反, 实现了电子束的平移.2、若上偏置线圈使电子束逆时针偏转θ角, 而下偏置线圈使之顺时针偏转βθ+角, 则电子束相对入射方向倾转β角, 此时入射点的位置坚持不变, 这可实现中心暗场把持.（3）消像散器（a）磁极分布（b）有像散时的电子束斑（c）无像散时的电子束斑图4 电磁式消像散器示意图及像散对电子束斑形状的影响像散是由于电磁透镜的磁场非旋转对称招致的, 直接影响透镜的分辨率, 为此, 在透镜的上下极靴之间装置消像散器, 就可基本消除像散.图 4 为电磁式消像散器的原理图及像散对电子束斑形状的影响.从图4b和4c可知未装消像散器时, 电子束斑为椭圆形, 加装消像散器后, 电子束斑为圆形, 基本上消除聚光镜的像散对电子束的影响.（4）光栏光栏是为挡失落发散电子, 保证电子束的相干性和电子束照射所选区域而设计的带孔小片.根据装置在电镜中的位置分歧, 光栏可分为聚光镜光栏、物镜光栏和中间镜光栏三种.聚光镜光栏的作用是限制电子束的照明孔径半角.在双聚光镜系统中通常位于第二聚光镜的后焦面上.聚光镜光栏的孔径一般为20～400mμ.物镜光栏位于物镜的后焦面上, 孔径一般为20～120mμ.其作用是：①减小孔径半角, 提高成像质量；②进行明场和暗场把持.中间镜光栏位于中间镜的物平面或物镜的像平面上, 让电子束通过光栏孔限定的区域, 对所选区域进行衍射分析.故中间镜光栏又称选区光栏.（三）、成像原理L¢－有效相机长度；K¢－有效相机常数.图 5 透射电镜电子衍射原理图由图5及右侧几何关系推导,得：R¢= K¢g但需注意的是式中的L¢其实不直接对应于样品至照相底片间的实际距离, 因为有效相机长度随着物镜、中间镜、投影镜的励磁电流改变而变动, 而样品究竟片间的距离却坚持不变, 但由于透镜的焦长年夜, 这其实不会妨碍电镜成清晰图像.因此, 实际上我们可不加区分K¢与K、L¢与L和R¢与R了, 并用K¢直接取代K.（a）成像把持（b）衍射把持图6 中间镜的成像把持与衍射把持（1）成像把持与衍射把持：调整励磁电流即改变中间镜的焦距, 从而改变中间镜物平面与物镜后焦面之间的相对位置.傍边间镜的物平面与物镜的像平面重合时, 投影屏上将呈现微区组织的形貌像, 这样的把持称为成像把持；傍边间镜的物平面与物镜的后焦面重合时, 投影屏上将呈现所选区域的衍射花样, 这样的把持称为衍射把持.（2）明场把持、暗场把持及中心暗场把持：是通过平移物镜光栏, 分别让透射束或衍射束通过所进行的把持.仅让透射束通过的把持称为明场把持, 所成的像为明场像, 见图7a；反之, 仅让某一衍射束通过的把持称为暗场把持, 所成的像为暗场像, 见图7b.通过调整偏置线圈, 使入射电子束倾斜2θB 角, 如图7c所示, 晶粒B中的(---l k h)晶面组完全满足衍射条件, 发生强烈衍射, 此时的衍射黑点移到了中心位置, 衍射束与透镜的中心轴重合, 孔径半角年夜年夜减小, 所成像比暗场像更加清晰, 成像质量获得明显改善.我们称这种成像把持为中心暗场把持, 所成像为中心暗场像.三种把持均是通过移植物镜光栏来完成的, 因此物镜光栏又称衬度光栏.需要指出的是, 进行暗场或中心暗场成像时, 采纳的是衍射束进行成像的, 其强度要低于透射束, 但其发生的衬度却比明场像高.五、实验步伐明暗场像是透射电镜最基本的技术方法, 以下仅对暗场像把持成像及其要点简述如下：1、明场像下寻找感兴趣的视场；2、拔出选区光栏围住所选的视场；3、按“衍射”按钮转入衍射把持方式, 取出物镜光栏, 此时荧光屏上显示选区内晶体发生的衍射花样；4、倾斜入射电子束方向, 使用于成像的衍射束与电镜光轴平行, 此时衍射黑点位于荧光屏的中心；5、拔出物镜光栏, 套住衍射黑点的中心黑点, 转入成像把持, 取出选区光栏, 此时荧光屏上的图像即为该衍射束形成的暗场像.六、成像观察（一）衍射把持单晶电子衍射花样多晶电子衍射花样（二）成像把持七、实验注意事项（1）严格按规范把持, 防止误把持；（2）保证高真空的要求（6⨯Pa）10.1-33（3）注意选区光栏的合理选择与应用.八、思考题（1）如何消除像散？答： 像散是由于形成透镜的磁场非旋转对称引起的.如极靴的内孔不圆、材质不均、上下分歧毛病中以及极靴孔被污染等原因, 造成了透镜磁场非旋转对称, 呈椭圆形.椭圆磁场的长轴和短轴方向对电子束的折射率纷歧致, 招致了电磁透镜形成远近两个焦点A 和B, 这样光轴上的物点P 经透镜成像后不是一个固定的像点, 而是在远近焦点间形成系列散焦斑.如下图所示：由此可见, 像散取决于磁场的椭圆度和孔径半角.因此我们可以通过配置对称磁场来校正椭圆度, 从而基本消除磁场.（2）比力暗场像与中心暗场像的衬度区别.答： 下面两图分别是暗场像与中心暗场像的原理图：暗场像 中心暗场像以A 晶粒的强度为布景, 则暗场像和中心暗场像的衍射衬度均为：但由于暗场像的衍射束偏离了中心光轴, 其孔径半径相对平行于中心光轴的电子束要年夜, 因而磁透镜的球差要年夜, 图像的清晰度不高, 成像质量低.而对中心暗场像, 则调整偏置线圈, 使入射电子束倾斜2B θ角, 晶粒B 中的(---l k h )晶面组完全满足衍射条件, 发生强烈衍射, 此时的衍射黑点移到了中心位置, 衍射束与透镜的中心轴重合, 孔径半角年夜年夜减小, 所成像比暗场像更加清晰, 成像质量获得明显改善. 创作时间：二零二一年六月三十日∞→≈-=∆Ahkl A B A B A I I I I I I I )(。
电子行业第七章透射电子显微镜1. 引言透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）是一种利用电子束通过物质样品来观察和分析样品内部结构的高分辨率显微镜。
它在电子行业中具有重要的应用价值。
本文将介绍透射电子显微镜的原理、组成部分、工作原理以及在电子行业中的应用。
2. 原理透射电子显微镜的工作原理主要基于电子的波粒二象性，即电子既具有波动性又具有粒子性。
透射电子显微镜通过将电子射入样品，并测量透过样品的电子束的强度和相位的变化，从而获得具有高分辨率的样品图像。
3. 组成部分透射电子显微镜主要由以下几个组成部分构成：3.1. 电子源透射电子显微镜通常使用热阴极电子枪作为电子源。
热阴极电子枪通过加热钨丝，使其发射出带有高能电子的电子束。
3.2. 透镜系统透射电子显微镜的透镜系统主要包括凸透镜和凹透镜。
这些透镜可以通过调节电磁场来聚焦或散射电子束，从而控制电子束的路径和聚焦度。
3.3. 样品台样品台是透射电子显微镜用来固定和支撑样品的平台。
样品通常是非导电材料，需要使用特殊的处理方法，例如金属镀膜，以增强电子的透射性。
3.4. 探测器透射电子显微镜的探测器用于测量透过样品的电子束的强度和相位的变化。
常用的探测器包括闪烁屏、像差补偿系统和光电倍增管。
4. 工作原理透射电子显微镜的工作原理可以分为以下几个步骤：1.电子源产生高能电子束。
2.电子束通过透镜系统进行聚焦和聚差。
3.电子束通过样品，并透过样品的部分电子被散射、吸收或透射。
4.探测器测量透过样品的电子束的强度和相位的变化。
5.根据探测器的测量结果，生成和显示样品的图像。
5. 应用透射电子显微镜在电子行业中有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：5.1. 材料科学透射电子显微镜可以用于研究材料的晶体结构、晶格缺陷、纳米颗粒等。
它可以提供高分辨率的图像和成分分析结果，帮助研究人员了解材料的性质和行为。
5.2. 生物学透射电子显微镜可以用于观察生物样品的超微结构，例如细胞器、细胞核、细胞膜等。
第九章透射电子显微镜一、透射电子显微镜的结构与成像原理透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。
它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。
电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它与光路原理与透射光学显微镜十分相似，如图1（书上图9-1）所示。
它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。
图1 透射显微镜构造原理和光路（a）透射电子显微镜b）透射光学显微镜）（1、照明源2、阳极3、光阑4、聚光镜5、样品6、物镜7、物镜光阑8、选区光阑9、中间镜10、投影镜11、荧光屏或照相底片）（一）照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。
其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。
为满足明场和暗场成像需要、照明束可在2°～3°范围内倾斜。
电子枪是电镜的照明源，必须有很高的亮度，高分辨率要求电子枪的高压要高度稳定，以减小色差的影响。
1、电子枪电子枪是透射电子显微镜的电子源，是发射电子的照明源。
常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极帽和阳极组成，如图2（书上图9-2）所示。
（发射电子的阴极灯丝通常用0.03～0.1mm的钨丝，做成“V”形。
电子枪的第二个电极是栅极，它可以控制电子束形状和发射强度。
故有称为控制极。
第三个极是阳极，它使阴极发射的电子获得较高的动能，形成定向高速的电子流。
阳极又称加速极，一般电镜的加速电压在35～300kV之间。
为了安全，使阳极接地，而阴极处于负的加速电位。
由于热阴极发射电子的电流密度随阴极温度变化而波动，阴极电压不稳定会影响加速电压的稳定度。
为了稳定电子束电流，减小电压的波动，在电镜中采用自偏压电子枪。
）图a为电子枪的自偏压回路，负的高压直接加在栅极上，而阴极和负高压之间因加上一个偏压电阻，使栅极和阴极之间有一个数百伏的电位差。
透射电子显微镜的原理透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察物质微观结构的工具。
相对于光学显微镜，TEM可以提供更高的分辨率和更大的放大倍数，因此在研究纳米尺度物体和物质的晶体结构等方面具有独特的优势。
下面将介绍TEM的原理以及工作过程。
TEM的主要组成部分包括电子源、电子光学系统、样品台以及探测器。
第一部分是电子源。
TEM使用的是热阴极电子源，通过加热材料产生的电子可以使它们跨越电子能障形成电子束。
电子束的形成需要经过一系列的加速器和准直透镜等装置，以确保电子束稳定的强度和方向。
第二部分是电子光学系统。
TEM的电子光学系统由一个或多个透镜组成，包括准直透镜、磁透镜和目标透镜。
准直透镜用于平行化电子束，磁透镜用于对电子束进行聚焦，目标透镜用于调整电子束的焦距。
这些透镜的组合可以将电子束聚焦到非常小的尺寸上，从而实现高分辨率的成像。
第三部分是样品台。
样品台是放置待观察样品的平台，可以通过控制样品的位置、倾斜角度等参数来调节观察角度和焦距。
第四部分是探测器。
探测器是接收和记录电子束穿过样品时所发生的相互作用的装置，常用的探测器包括像差探测器（Diffraction Contrast Detector）和投影光学探测器（Projection Optics Detector）。
像差探测器可以测量样品中的晶体缺陷和晶体结构，而投影光学探测器可以获得样品的原子分布图像。
TEM的工作过程如下：首先，样品被制成非常薄的切片，并被放置在样品台上。
然后，电子束由电子源发出，并通过光学系统的透镜进行聚焦。
接下来，聚焦的电子束穿过样品，并与样品中的原子和分子发生相互作用。
这种相互作用包括电子-电子相互作用、电子-晶格相互作用和电子-原子核相互作用。
然后，电子束到达探测器，根据不同的探测器可以得到不同的信息。
像差探测器可以根据电子束的衍射来获得样品中的晶体结构信息，而投影光学探测器则可以获得样品的原子分布图像。
透射电子显微镜的工作原理
透射电子显微镜是一种利用电子束来观察样品内部结构的仪器。
它的工作原理基于电子的波粒二象性和探测电子与样品的相互作用。
1. 电子源：透射电子显微镜的关键部件是电子源，通常使用热阴极电子枪作为电子源。
热阴极通过加热产生的电子被电场加速形成电子束。
2. 电子加速：电子束通过一系列电场透镜和加速电场，以加速电子的速度。
通常，加速电压可达到数十至数百千伏，使电子的动能足够高，以达到穿透样品的要求。
3. 样品制备：为了观察样品的内部结构，需要将样品制备成非晶质薄片，通常使用切片机或离心切片法将样品切割成纳米至微米厚度的薄片。
然后，将薄片置于透射电子显微镜的样品台上。
4. 电子束透射：加速的电子束通过样品时，会与样品内的原子发生相互作用。
其中，部分电子会被散射，部分会被吸收。
透射电子会穿过样品并保持其原有的信息。
5. 透射电子检测：透射电子进入具有电磁透镜功能的物镜透镜，物镜透镜根据透射电子的波动性将其聚焦。
透射电子经过物镜透镜后进入投影平面，通过透射电子探测器的探测，最终形成透射电子显微图像。
6. 图像处理与观察：通过对透射电子显微图像进行图像增强，噪声滤波等处理，可以进一步恢复样品的细节信息。
最后，通过观察透射电子显微图像，可以获得关于样品内部结构和原子排列的信息。
总之，透射电子显微镜利用电子的波粒二象性以及电子与样品的相互作用，通过探测透射电子形成样品内部结构的显微图像。
这种显微镜技术在材料科学、纳米科学等领域有着重要的应用价值。
TEM电子显微镜工作原理详解TEM电子显微镜是一种高分辨率的分析仪器，能够在纳米尺度下观察材料的微观结构和成分，对于研究材料的性质和特性具有重要意义。
本文将详细介绍TEM电子显微镜的工作原理，包括透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜。
透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）工作原理：透射电子显微镜主要由电子光源、透镜和探测器组成。
首先，电子光源发射高能电子束，这些电子从阴极发射出来，经过加速器获得较高的能量。
然后，电子束通过一系列的电磁透镜进行聚焦，使电子束变得更加细致和密集。
接着，电子束通过物质样本，部分电子被样本吸收或散射，形成透射电子。
这些透射电子被接收器捕获和放大成像，形成TEM图像。
透射电子显微镜的工作原理是基于电子的波粒二象性。
电子是一种粒子同时也是一种波动，其波动性质使得它具备非常短的波长，远远小于可见光的波长。
这使得TEM能够观察到比传统光学显微镜更小的尺度。
另外，透射电子显微镜在工作中还需要考虑电子束的束流强度、对样本的破坏性和控制样本与探测器之间的距离等因素。
TEM电子显微镜通过透射电子成像方式观察样本，因此对样本的制备要求非常高。
样品需要制备成非常薄的切片，通常厚度在几十纳米到几百纳米之间，以保证电子可以穿透。
对于一些无法制备成切片的样品，可以利用离子切割或焦离子技术获得透明的样品。
此外，在观察样本时需要避免污染和氧化等现象。
扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscope，STEM）工作原理：扫描透射电子显微镜是透射电子显微镜的一种变种，它在透射成像的基础上加入了扫描功能。
STEM可以实现高分辨率的成像，同时也可以进行能谱分析和电子衍射。
STEM电子显微镜工作原理类似于透射电子显微镜，但需要注意的是，STEM使用的电子束并不需要通过所有的样本区域。
电子束只需通过样本中的一个小区域，然后扫描整个样本，因此样本制备要求和透射电子显微镜相比较低。
透射电子显微镜部分结构及功能在光学显微镜下无法看清小于0.2µm 的细微结构，这些结构称为亚显微结构(s ubmicroscopic structures )或超微结构( ultramicroscopic structures ；ultrastructur es)。
要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。
1 932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜( transmission electron mi croscope ，TEM )，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。
目前TEM的分辨力可达0.2nm。
电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。
另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。
这种切片需要用超薄切片机( ultramicrotome )制作。
电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成，如果细分的话：主体部分是电子透镜和显像记录系统，由置于真空中的电子枪、聚光镜、物样室、物镜、衍射镜、中间镜、投影镜、荧光屏和照相机。
电子显微镜是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。
高速的电子的波长比可见光的波长短(波粒二象性)，而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的分辨率(约0.1纳米)远高于光学显微镜的分辨率(约200纳米)。
透射式显微镜的结构与原理透射式电子显微镜(TEM)与投射式光学显微镜的原理很相近，它们的光源、透镜虽不相同，但照放大和成像的方式却完全一致。
在实际情况下无论是光镜还是电镜，其内部结构都要比图示复杂得多，图中的聚光镜(con do nser lens )、物镜(object lens )和投影镜(projectio n lens )为光路中的主要透镜，实际制作中它们往往各是一组(多块透镜构成)，在设计电镜时为达到所需的放大率、减少畸变和降低像差，又常在投影镜之上增加一至两级中间镜( in temediate lens )。
透射电子显微镜（TEM）实验报告学院：班级：姓名：学号：2016年6月21日实验报告一、实验目的与任务1.熟悉透射电子显微镜的基本构造2.初步了解透射电镜操作过程。
3.初步掌握样品的制样方法。
4.学会分析典型组织图像。
二、透射电镜的结构与原理透射电镜以波长极短的电子束作为光源，电子束经由聚光镜系统的电磁透镜将其聚焦成一束近似平行的光线穿透样品，再经成像系统的电磁透镜成像和放大，然后电子束投射到主镜简最下方的荧光屏上而形成所观察的图像。
在材料科学研究领域，透射电镜主要可用于材料微区的组织形貌观察、晶体缺陷分析和晶体结构测定。
透射电子显微镜按加速电压分类，通常可分为常规电镜(100kV)、高压电镜(300kV)和超高压电镜(500kV以上)。
提高加速电压，可缩短入射电子的波长。
一方面有利于提高电镜的分辨率；同时又可以提高对试样的穿透能力，这不仅可以放宽对试样减薄的要求，而且厚试样与近二维状态的薄试样相比，更接近三维的实际情况。
就当前各研究领域使用的透射电镜来看，其主要三个性能指标大致如下：加速电压：80～3000kV分辨率：点分辨率为0.2～0.35nm、线分辨率为0.1～0.2nm最高放大倍数：30～100万倍尽管近年来商品电镜的型号繁多，高性能多用途的透射电镜不断出现，但总体说来，透射电镜一般由电子光学系统、真空系统、电源及控制系统三大部分组成。
此外，还包括一些附加的仪器和部件、软件等。
有关的透射电镜的工作原理可参照教材，并结合本实验室的透射电镜，根据具体情况进行介绍和讲解。
以下仅对透射电镜的基本结构作简单介绍。
1.电子光学系统电子光学系统通常又称为镜筒，是电镜的最基本组成部分，是用于提供照明、成像、显像和记录的装置。
整个镜筒自上而下顺序排列着电子枪、双聚光镜、样品室、物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏及照相室等。
通常又把电子光学系统分为照明、成像和观察记录部分。
2.真空系统为保证电镜正常工作，要求电子光学系统应处于真空状态下。
第十章透射电镜的结构与成像原理透射电镜构造原理透射电镜一般是电子光学系统、真空系统和电源与控制系统三大部分组成。
电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它又可以分为照明系统、成像系统和观察记录系统。
下图是电镜电子光学系统的示意图，其中左边是电镜的剖面图，右边是电镜的示意图和光学显微镜的示意图对比。
由图中可以看出，电镜中的电子光学系统主要包括电子枪、聚光镜、试样台、物镜、物镜光阑、选区光阑、中间镜、投影镜和观察记录系统等几部分组成，其成像的光路与光学显微镜基本相同。
电镜的电子光学系统中，一般将电子枪和聚光镜归为照明系统，将物镜、中间镜和投影镜归为成像系统，而观察记录系统则一般是荧光屏和照相机，现在的电镜往往还配有慢扫描CCD相机，主要用来记录高分辨像和一般的电子显微像。
下图是电子光学系统的框架图。
第一节照明系统照明系统由电子枪、聚光镜以及相应的平移、倾转和对中等调节装置组成，其作用是提供一束亮度高、照明孔径半角小、平行度好、束流稳定的照明源。
为了满足明场和暗场成像的需要，照明束可以在5度范围内倾转。
1.1 电子枪电子枪可分为热阴极电子枪和场发射电子枪。
热阴极电子枪的材料主要有钨丝(W)和六硼化镧(LaB6)而场发射电子枪又可以分为热场发射、冷场发射和Schottky场发射，Schottky场发射也归到热场发射。
场发射电子枪的材料必须是高强度材料，一般采用的是单晶钨，但现在有采用六硼化镧(LaB6)的趋势。
下一代场发射电子枪的材料极有可能是碳纳米管。
A、热阴级电子枪热电子枪由灯丝（阴极）、栅极帽、阳极组成。
常用灯丝为钨丝（如H-800)、LaB6(如JEM-3010)。
下图为热阴级电子枪的示意图。
其中左图是电子枪自偏压回路的示意图，右边是电子枪中等电压面的示意图。
下图是热阴级电子枪的实图，其中左边是钨灯丝电子枪，右边是六硼化镧电子枪。
钨灯丝电子枪的特点是价格便宜，对真空系统的要求不高，一般用比较老式的电镜中；而六硼化镧灯丝的性能要优于钨灯丝，在现在的电镜中，热阴级电子枪一般采用六硼化镧灯丝。
透射电子显微镜法透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种强大的工具，用于观察和研究各种材料的微观结构和组织。
本文将详细介绍透射电子显微镜法及其在科学研究和工业领域中的应用。
一、透射电子显微镜的原理与构成透射电子显微镜使用电子束而非光线，其原理基于电子的波粒二象性。
电子束通过针尖或者热丝发射出来，并通过电磁透镜系统进行聚焦。
经过样品之后的电子束被投射到荧光屏上，形成样品的投影图像。
透射电子显微镜主要由电子光源、透镜系统、样品台和检测系统等组成。
二、透射电子显微镜法的优势与应用透射电子显微镜法相对于光学显微镜和扫描电子显微镜具有以下优势：1. 高分辨率：透射电子显微镜可以实现亚纳米级的分辨率，使得研究者可以观察到更细微的结构和细节。
2. 高穿透性：透射电子显微镜可以穿透厚度达数百纳米的样品，揭示样品的内部结构和组成。
3. 高细节对比度：透射电子显微镜采用了染色技术，能够增加样品中相对的原子对比度，使得更多细节能够被观察到。
4. 全息电子显微镜：全息透射电子显微镜可以获得样品的三维信息，提供更全面的结构分析。
透射电子显微镜法广泛应用于材料科学、化学和生物学等领域。
以下是它的几个主要应用：1. 纳米材料研究：透射电子显微镜可以观察和分析纳米材料的形貌、晶体结构和缺陷等特征，对材料的性能研究具有重要意义。
2. 生物样品研究：透射电子显微镜可用于生物样品的观察和分析，例如观察细胞的内部结构和细节，研究生物分子的组装和功能等。
3. 界面和界面研究：透射电子显微镜可以揭示材料界面和界面的形貌、晶体结构以及化学成分等，对材料性能和反应机制的理解至关重要。
4. 材料缺陷和晶体缺陷研究：透射电子显微镜可以观察和分析材料和晶体的缺陷，例如位错、孪晶、晶格畸变等，从而提供改善材料性能的指导。
总结：透射电子显微镜法是一种重要的研究工具，它具有高分辨率、高穿透性、高细节对比度等优势。
透射电子显微镜分析基础透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope, TEM)是一种高分辨率显微镜，用于观察和研究材料的超微结构。
它通过透射电子束穿透材料并在接收器上形成像，使得材料的原子尺度细节能够被精确观察。
下面是关于透射电子显微镜分析的基础知识。
1.TEM的工作原理透射电子显微镜基于电子在物质中的相互作用来实现成像。
电子束从电子枪中产生并且通过一系列透镜系统聚焦形成细致的聚焦点，然后穿过待观察的样品。
透过样品的电子束会发生散射、吸收和透射，其中透射的电子会被接收器捕获并形成图像。
2.TEM的分辨率3.透射电子显微镜的成像方式TEM有两种主要的成像方式：亮场和暗场成像。
亮场成像是通过选择透射的电子束来形成图像，适用于展示样品内部的形貌和微结构。
而暗场成像是通过选择散射的电子束来形成图像，适用于观察特殊缺陷或异质性结构。
4.透射电子显微镜的样品制备为了在TEM中观察样品，样品必须具备一定的条件。
首先，样品必须是非透明的，通常是以薄片的形式。
其次，样品必须具备足够的稳定性，以避免在电子束照射过程中发生损坏。
最后，样品表面需要进行特定的处理，以避免电荷积累或散射。
5.TEM的应用透射电子显微镜在多个领域有着广泛的应用，包括材料科学、纳米科技、生命科学等。
它可以用于观察和分析晶体的结构、薄膜的成分、纳米颗粒的形状等。
此外，TEM还可以用于研究生物分子的结构和功能，例如蛋白质和DNA的高分辨率成像。
6.TEM的限制和挑战虽然透射电子显微镜提供了高分辨率的成像能力，但它仍然面临一些限制和挑战。
首先，样品制备对于薄片的制备和特殊标记的选择需要高度技术和经验的支持。
其次，电子束照射会导致样品的辐照损伤，因此图像的解释需要谨慎处理。
此外，TEM的设备本身非常昂贵，维护和操作也需要专业的技能。
总之，透射电子显微镜是一种重要的材料科学工具，它可以提供材料的超高分辨率成像，从而更好地理解材料的微观结构和性质。
透射电子显微镜的结构与成像原理
透射电子显微镜的结构与成像原理
透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。
There are four main components to a transmission electron microscope:
(1) an electron opTIcal column
(2) a vacuum system
(3) the necessary electronics (lens supplies for focusing and deflecTIng the beam and the high voltage generator for the electron source)
(4) software
电子光学系统（镜筒）（an electron opTIcal column）是其核心，它的光路图与透射光学显微镜相似，如图所示，包括：照明系统，成像系统，观察记录系统。
图2-1 投射显微电镜构造原理和光路
照明系统
组成：由电子枪、聚光镜（1、2级）和相应的平移对中、倾斜调节装置组。
透射电子显微镜的结构、原理和衍衬成像观察实验报告
一、实验目的
1、了解透射电子显微电镜的基本结构；
2、熟悉透射电子显微镜的成像原理；
3、了解基本操作步骤。
二、实验内容
1、了解透射电子显微镜的结构；
2、了解电子显微镜面板上各个按钮的位置与作用；
3、无试样时检测像散，如存在则进行消像散处理；
4、加装试样，分别进行衍射操作、成像操作，观察衍射花样和图像；
5、进行明场、暗场和中心暗场操作，分别观察明场像、暗场像和中心暗场像。
三、实验设备和器材
JEM-2100F型TEM透射电子
显微镜
四、实验原理
（一）、透射电镜的基本结构
透射电镜主要由电子光学系统、电源控制系统和真空系统三大部分组成，其中电子光学系统为电镜的核心部分，它包括照明系统、成像系统和观察记录系统组成。
（1）照明系统
照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。
电子枪就是产生稳定的电子束流的装置，电子枪发射电子形成照明光源，根据产生电子束的原理的不同，可分为热发射型和场发射型两种。
图1 热发射电子枪图2 场发射电子枪
聚光镜是将电子枪发射的电子会聚成亮度高、相干性好、束流稳定的电子束照射样品。
电镜一般都采用双聚光镜系统。
图3 双聚光镜的原理图
（2）成像系统
成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。
物镜是成像系统中第一个电磁透镜，强励磁短焦距（f=1~3mm），放大倍数Mo一般为100～300倍，分辨率高的可达0.1nm左右。
物镜的质量好坏直接影响到整过系统的成像质量。
物镜未能分辨的结构细节，中间镜和投影镜同样不能分辨，它们只是将物镜的成像进一步放大而已。
提高物镜分辨率是提高整个系统成像质量的关键。
中间镜是电子束在成像系统中通过的第二个电磁透镜，位于物镜和投影镜之间，弱励磁长焦距(放置光栏需空间)，放大倍数Mi在0～20倍之间。
投影镜是成像系统中最后一个电磁透镜，强励磁短焦距，其作用是将中间镜形成的像进一步放大，并投影到荧光屏上。
投影镜景深大，即使中间镜的像发生移动，也不会影响在荧光屏上得到清晰的图像。
（3）观察记录系统
观察记录系统主要由荧光屏和照相机构组成。
荧光屏是在铝板上均匀喷涂荧光粉制得，主要是在观察分析时使用，当需要拍照时可将荧光屏翻转90，让电子束在照相底片上感光数秒钟即可成像。
荧光屏与感光底片相距有数厘米，但由于投影镜的焦长很大，这样的操作并不影响成像质量，所拍照片依旧清晰。
整个电镜的光学系统均在真空中工作，但电子枪、镜筒和照相室之间相互独立，均设有电磁阀。
可以单独抽真空。
更换灯丝、清洗镜筒、照相操作时，均可分别进行，而不影响其他部分的真空状态。
为了屏蔽镜体内可能产生的X射线，观察窗由铅玻璃制成，加速电压愈高，配置的铅玻璃就愈厚。
此外，在超高压电子显微镜中，由于观察窗的铅玻璃增厚，直接从荧光屏观察微观细节比较困难，此时可运用安置在照相室中的TV相机来完成，曝光时间由图像的亮度自动确定。
（二）、主要附件
（1）样品倾斜装置（样品台）
样品台是位于物镜的上下极靴之间
承载样品的重要部件，见图2，并使样
品在极靴孔内平移、倾斜、旋转，以便
找到合适的区域或位向，进行有效观察
和分析。
（2）电子束的平移和倾斜装置
电镜中是靠电磁偏转器来实现电子束的平移和倾斜的。
图3为电磁偏转器的工作原理图，电磁偏转器由上下两个偏
置线圈组成，通过调节线圈电流的大小
和方向可改变电子束偏转的程度和方
向。
1、当上下偏置线圈的偏转角度相等，
但方向相反，实现了电子束的平移。
2、若上偏置线圈使电子束逆时针偏转θ角，而下偏置线圈使之顺时针偏转θ+角，则电子束相对于入射方向倾转β角，此时入射点的位置保持不变，这β
可实现中心暗场操作。
（3）消像散器
（a）磁极分布（b）有像散时的电子束斑（c）无像散时的电子束斑图4 电磁式消像散器示意图及像散对电子束斑形状的影响像散是由于电磁透镜的磁场非旋转对称导致的，直接影响透镜的分辨率，为此，在透镜的上下极靴之间安装消像散器，就可基本消除像散。
图4 为电磁式消像散器的原理图及像散对电子束斑形状的影响。
从图4b和4c可知未装消像散器时，电子束斑为椭圆形，加装消像散器后，电子束斑为圆形，基本上消除了聚光镜的像散对电子束的影响。
（4）光栏
光栏是为挡掉发散电子，保证电子束的相干性和电子束照射所选区域而设计的带孔小片。
根据安装在电镜中的位置不同，光栏可分为聚光镜光栏、物镜光栏和中间镜光栏三种。
聚光镜光栏的作用是限制电子束的照明孔径半角。
在双聚光镜系统中通常位于第二聚光镜的后焦面上。
聚光镜光栏的孔径一般为20～400mμ。
物镜光栏位于物镜的后焦面上，孔径一般为20～120mμ。
其作用是：①减小孔径半角，提高成像质量；②进行明场和暗场操作。
中间镜光栏位于中间镜的物平面或物镜的像平面上，让电子束通过光栏孔限定的区域，对所选区域进行衍射分析。
故中间镜光栏又称选区光栏。
（三）、成像原理
L'－有效相机长度；
K'－有效相机常数。
图5 透射电镜电子衍射原理图
由图5及右侧几何关系推导，得：R'= K'g
但需注意的是式中的L'并不直接对应于样品至照相底片间的实际距离，因为有效相机长度随着物镜、中间镜、投影镜的励磁电流改变而变化，而样品到底片间的距离却保持不变，但由于透镜的焦长大，这并不会妨碍电镜成清晰图像。
因此，实际上我们可不加区分K'与K、L'与L和R'与R了，并用K'直接取代K。
（a）成像操作（b）衍射操作
图6 中间镜的成像操作与衍射操作
（1）成像操作与衍射操作：
调整励磁电流即改变中间镜的焦距，从而改变中间镜物平面与物镜后焦面之间的相对位置。
当中间镜的物平面与物镜的像平面重合时，投影屏上将出现微区组织的形貌像，这样的操作称为成像操作；当中间镜的物平面与物镜的后焦面重合时，投影屏上将出现所选区域的衍射花样，这样的操作称为衍射操作。
（2）明场操作、暗场操作及中心暗场操作：
是通过平移物镜光栏，分别让透射束或衍射束通过所进行的操作。
仅让透射束通过的操作称为明场操作，所成的像为明场像，见图7a；反之，仅让某一衍射束通过的操作称为暗场操作，所成的像为暗场像，见图7b。
通过调整偏置线圈，使入射电子束倾斜2
θ角，如图7c所示，晶粒B中的(---l k h)晶面组完全满
B
足衍射条件，产生强烈衍射，此时的衍射斑点移到了中心位置，衍射束与透镜的中心轴重合，孔径半角大大减小，所成像比暗场像更加清晰，成像质量得到明显改善。
我们称这种成像操作为中心暗场操作，所成像为中心暗场像。
三种操作均是通过移动物镜光栏来完成的，因此物镜光栏又称衬度光栏。
需要指出的是，进行暗场或中心暗场成像时，采用的是衍射束进行成像的，其强度要低于透射束，但其产生的衬度却比明场像高。
五、实验步骤
明暗场像是透射电镜最基本的技术方法，以下仅对暗场像操作成像及其要点简述如下：
1、明场像下寻找感兴趣的视场；
2、插入选区光栏围住所选的视场；
3、按“衍射”按钮转入衍射操作方式，取出物镜光栏，此时荧光屏上显示选区内晶体产生的衍射花样；
4、倾斜入射电子束方向，使用于成像的衍射束与电镜光轴平行，此时衍射斑点位于荧光屏的中心；
5、插入物镜光栏，套住衍射斑点的中心斑点，转入成像操作，取出选区光栏，此时荧光屏上的图像即为该衍射束形成的暗场像。
六、成像观察
（一）衍射操作
单晶电子衍射花样多晶电子衍射花样
（二）成像操作
七、实验注意事项
（1）严格按规范操作，避免误操作；
（2）保证高真空的要求（6
⨯Pa）
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10
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（3）注意选区光栏的合理选择与应用。
八、思考题
（1）如何消除像散？
答：像散是由于形成透镜的磁场非旋转对称引起的。
如极靴的内孔不圆、材质不均、上下不对中以及极靴孔被污染等原因，造成了透镜磁场非旋转对称，呈椭圆形。
椭圆磁场的长轴和短轴方向对电子束的折射率不一致，导致了电磁透镜形成远近两个焦点A和B，这样光轴上的物点P经透镜成像后不是一个固定的像点，而是在远近焦点间形成系列散焦斑。
如下图所示：
由此可见，像散取决于磁场的椭圆度和孔径半角。
因此我们可以通过配置对称磁场来校正椭圆度，从而基本消除磁场。
（2）比较暗场像与中心暗场像的衬度区别。
答：下面两图分别是暗场像与中心暗场像的原理图：
暗场像中心暗场像
以A 晶粒的强度为背景，则暗场像和中心暗场像的衍射衬度均为：
但由于暗场像的衍射束偏离了中心光轴，其孔径半径相对于平行于中心光轴的电子束要大，因而磁透镜的球差要大，图像的清晰度不高，成像质量低。
而对于中心暗场像，则调整偏置线圈，使入射电子束倾斜2B θ角，晶粒B 中的(-
--l k h )晶面组完全满足衍射条件，产生强烈衍射，此时的衍射斑点移到了中心位置，衍射束与透镜的中心轴重合，孔径半角大大减小，所成像比暗场像更加清晰，成像质量得到明显改善。
∞→≈-=∆A
hkl A B A B A I I I I I I I )(。
