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第二部分电子显微分析一、电子光学1、电子波特征，与可见光有何异同?2、电磁透镜的像差（球差；色差；像散；如何产生，如何消除和减少）球差即球面像差，是磁透镜中心区和边沿区对电子的折射能力不同引起的，其中离开透镜主轴较远的电子比主轴附近的电子折射程度过大。
用小孔径成像时可使球差明显减小。
像散是由于电磁透镜的轴向磁场非旋转对称引起。
透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。
象散可由附加磁场的电磁消象散器来校正。
色差是由入射电子的波长或能量的非单一性造成的。
稳定加速电压和透镜电流可减小色差。
3、电磁透镜的分辨率、景深和焦长（与可见光），影响因素电磁透镜的分辨率主要由衍射效应和像差来决定。
（1）已知衍射效应对分辨率的影响（2）像差对分辨的影响。
像差决定的分辨率主要是由球差决定的。
景深：当像平面固定时(像距不变),能维持物像清晰的范围内,允许物平面(样品)沿透镜主轴移动的最大距离。
焦长：固定样品的条件下（物距不变），象平面沿透镜主轴移动时仍能保持物像清晰的距离范围，用D L表示。
二、透射电子显微镜1、透射及扫描电镜成像系统组成及成像过程（关系）扫描电镜成像原理：在扫描电镜中，电子枪发射出来的电子束，一般经过三个电磁透镜聚焦后，形成直径为0.02~20μm的电子束。
末级透镜（也称物镜，但它不起放大作用，仍是一个会聚透镜）上部的扫描线圈能使电子束在试样表面上作光栅状扫描。
通常所用的扫描电镜图象有二次电子象和背散射电子象。
2、光阑（位置、作用）光栏控制透镜成像的分辨率、焦深和景深以及图像的衬度、电子能量损失谱的采集角度、电子衍射图的角分辨率等等。
防止照明系统中其它的辐照以保护样品等3、电子衍射与x衍射有何异同电子衍射与X射线衍射相比的优点：1.电子衍射能在同一试样上将形貌观察与结构分析结合起来。
2.电子波长短，单晶的电子衍射花样婉如晶体的倒易点阵的一个二维截面在底片上放大投影，从底片上的电子衍射花样可以直观地辨认出一些晶体的结构和有关取向关系，使晶体结构的研究比X射线简单。
电子显微镜光学显微镜成像原理异同点电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。
电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示。
20世纪70年代，透射式电子显微镜的分辨率约为0.3纳米(人眼的分辨本领约为0.1毫米)。
现在电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，而光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。
1931年，德国的克诺尔和鲁斯卡，用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器，并获得了放大十几倍的图象，证实了电子显微镜放大成像的可能性。
1932年，经过鲁斯卡的改进，电子显微镜的分辨能力达到了50纳米，约为当时光学显微镜分辨本领的十倍，于是电子显微镜开始受到人们的重视。
到了二十世纪40年代，美国的希尔用消像散器补偿电子透镜的旋转不对称性，使电子显微镜的分辨本领有了新的突破，逐步达到了现代水平。
在中国，1958年研制成功透射式电子显微镜，其分辨本领为3纳米，1979年又制成分辨本领为0.3纳米的大型电子显微镜。
电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。
其他的问题，如电子枪亮度和电子透镜质量的提高等问题也有待继续研究。
分辨能力是电子显微镜的重要指标，它与透过样品的电子束入射锥角和波长有关。
可见光的波长约为300～700纳米，而电子束的波长与加速电压有关。
当加速电压为50～100千伏时，电子束波长约为0.0053～0.0037纳米。
由于电子束的波长远远小于可见光的波长，所以即使电子束的锥角仅为光学显微镜的1％，电子显微镜的分辨本领仍远远优于光学显微镜。
电子显微镜由镜筒、真空系统和电源柜三部分组成。
镜筒主要有电子枪、电子透镜、样品架、荧光屏和照相机构等部件，这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体；真空系统由机械真空泵、扩散泵和真空阀门等构成，并通过抽气管道与镜筒相联接；电源柜由高压发生器、励磁电流稳流器和各种调节控制单元组成。
46个电镜知识点01光学显微镜以可见光为介质，电子显微镜以电子束为介质，由于电子束波长远较可见光小，故电子显微镜分辨率远比光学显微镜高。
光学显微镜放大倍率最高只有约1500倍，扫描式显微镜可放大到10000倍以上。
02根据de Broglie波动理论，电子的波长仅与加速电压有关：λe＝h / mv＝h / (2qmV)1/2＝12.2 / (V)1/2 (Å)在10 KV 的加速电压之下，电子的波长仅为0.12Å，远低于可见光的4000 - 7000Å，所以电子显微镜分辨率自然比光学显微镜优越许多，但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在50-100Å之间，电子与原子核的弹性散射(Elastic Scattering) 与非弹性散射(Inelastic Scattering) 的反应体积又会比原有的电子束直径增大，因此一般穿透式电子显微镜的分辨率比扫描式电子显微镜高。
03扫描式显微镜有一重要特色是具有超大的景深(depth of field)，约为光学显微镜的300倍，使得扫描式显微镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的样品。
04扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子枪(Electron Gun) 发射电子束，经过一组磁透镜聚焦(Condenser Lens) 聚焦后，用遮蔽孔径(Condenser Aperture) 选择电子束的尺寸(Beam Size)后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜(Objective Lens) 聚焦，打在样品上，在样品的上侧装有讯号接收器，用以择取二次电子(Secondary Electron) 或背向散射电子(Backscattered Electron) 成像。
05电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布(Energy Spread) 要小，目前常用的种类计有三种，钨(W)灯丝、六硼化镧(LaB6)灯丝、场发射(Field Emission)，不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。
扫描电子显微镜之--电子透镜(静电透镜和电磁透镜）电子光学系统是电镜的核心部分，电子透镜又是电子光学系统的核心部分。
其中物镜又是电子透镜中最关键的部分。
电子透镜有一定的分辨率和像差。
像差在很大程度上可以修正。
电子显微镜中，用静电透镜作电子枪的一部分，汇聚阴极发射电子束，形成第一交叉板，即电子源；在透射电镜（TEM）用磁透镜作为电子源的聚光镜起到放大和缩小电子源，从而改变电子束照射样品的面积和强度，用电磁透镜（物镜，中间镜，投影镜），对透射电子信号进行放大；在扫描电子显微镜中，电子透镜起到调节电子源尺寸的作用，形成具有一定参数（d直径，i电流强度，a 孔径角）最终电子束斑（电子探针），用来激发样品表面与该束斑相对应的像素信号，该像素的信号发射区体积的大小，是决定信息的空间分辨率的主要因素。
静电透镜和磁透镜统称电子透镜，它们的结构原理由H.Busch,1926年奠定的几何电子光学理论。
静电透镜1. 电子在静电场中的运动电子在静电场中受到电场力的作用将产生加速度。
初速度为0的自由电子从零电位到达V电位时，电子的运动速度v为：即加速电压的大小决定了电子运动的速度。
当电子的初速度不为零、运动方向与电场力方向不一致时，电场力不仅改变电子运动的能量，而且也改变电子的运动方向。
电子在静电场中运动方式与光的折射现象十分相似，并且当电子从低电位区V1进入高电位区时，折射角,也即电子的运动轨迹趋向于法线。
反之电子的轨迹将离开法线。
2.静电透镜，结构与玻璃的凸透镜可以使光线聚焦成像相似，一定形状的等电位曲面簇也可以使电子束聚焦成像。
产生这种旋转对称等三电位曲面簇的电极装置即为静电透镜。
它有二极式和三极式之分。
图为一三极式静电透镜。
电荷在磁场中运动时会受到洛仑兹力的作用，其表达式为：所以电子在均匀磁场中运动中的受力情况及运动轨迹可分为：旋转对称的磁场对电子束有聚焦作用，能使电子束聚焦成像。
产生这种旋转对称非均匀磁场的线圈装置就是磁透镜目前电子显微镜中使用的是极靴磁透镜，它是在短线圈、包壳磁透镜的基础上发展而成的。
电子显微镜与光学显微镜的主要区别电子显微镜（包括透射电镜、扫描电镜）和光学显微镜的性能和特点比较如下：一、成像原理和反差来源电子显微镜的光源使用电子束，TEM是透射成像，可以观察样品内部的形态和结构，是二位图像。
而SEM是二次电子像，主要观察样品形貌的立体图像（即三维图像）。
光学显微镜是用可见光作为光源，样品是吸收成像，一般是彩色或黑白是二维图像。
在TEM中，入射电子束和样品相互作用，使透射电子带有样品信息，经磁透镜成像，放大后，在终屏上形成样品放大了的透射像。
图像的反差，有样品元素的散射能力所决定，即一般有样品是质量厚度所决定。
在SEM中，入射电子探针和样品作用，产生的信号电子（主要是二次电子），经光、电系统收集、放大处理，在显像管上成像，没有成像磁透镜。
图像反差取决于样品二次电子的产率。
TEM和SEM都可以用不同的探测器收集不同的信号电子，反映样品不同性质，对样品进行多种分析和研究，除研究形态结构外，配备波普仪、能谱仪等附件还可以进行微区成分分析。
二、分辨本领和放大倍数电子显微镜是利用短波长和电磁透镜来提高分辨率和控制改变放大倍数的连续性。
TEM 分辨本领是由像差决定的。
目前TEM的最高分辨率为0.1nm（超高压透射电镜）。
放大倍数最低几百倍，最高达150万倍（纳米分析电子显微镜），放大倍数由成像透镜提供。
SEM在超高真空条件下的分辨率的水平分辨率为0.14nm，垂直分辨率已达0.01nm的水平。
分辨本领主要取决与分子探针的入射电子束光斑的大小。
放大倍数最低10倍，最高大150万倍。
放大倍数由显微管偏转线圈电流和电镜扫描线圈电流之比决定。
两种电镜的放大倍数可以任意改变，连续可调。
光学显微镜的极限分辨率为200nm。
放大倍数1～2000倍。
三、视野、景深和焦深视野或视场指所能看到的被检样品的范围，与分辨本领和放大倍数有关。
景深是指电子束在试样上扫描时可获得清晰图像的深度范围。
对某一物点，不仅在焦面上可清晰成像，而且在焦面前后一定范围内，也可清晰成像，这个焦面前后的深度叫做焦深。
