透射电镜结构和功能
第十章透射电镜的结构与成像原理
第十章透射电镜的结构与成像原理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。
透射电镜(TEM)讲义
05
TEM操作与注意事项
操作步骤与技巧
01
02
03
04
准备样品
选择适当的样品，进行适当的 处理和固定，以确保观察效果 最佳。
调整仪器参数
根据观察需求，调整透射电镜 的加速电压、放大倍数等参数 ，以达到最佳观察效果。
操作步骤
按照仪器操作手册的步骤进行 操作，包括安装样品、调整焦 距、观察记录等。
技巧
定量分析方法
颗粒统计
对图像中颗粒的数量、大 小和分布进行统计，计算 颗粒的平均尺寸和粒度分 布。
电子衍射分析
利用电子衍射技术分析晶 体结构和相组成，确定晶 格常数和晶面间距。
能谱分析
通过能谱仪测定图像中各 点的元素组成和相对含量， 进行定性和定量分析。
04
TEM图像解析实例
晶体结构分析
利用高分辨的TEM图像，可以观察到晶体内部的原 子排列和晶体结构，如面心立方、体心立方或六方 密排结构等。
掌握操作技巧，如正确使用操 作杆、合理利用观察窗口等， 以提高观察效果和效率。
仪器维护与保养
定期清洁
定期对透射电镜进行清 洁，保持仪器内部和外
部的清洁度。
检查部件
更换消耗品
定期检查透射电镜的部 件，如电子枪、镜筒等，
确保其正常工作。
根据需要，及时更换透射 电镜的消耗品，如真空泵
油、电子枪灯丝等。
保养计划
在操作透射电镜时，应严格遵守操作规程， 确保仪器和人身安全。
THANK YOU
感谢聆听
80%
观察模式
根据观察目的选择不同的观察模 式，如明场、暗场、相位对比和 微分干涉等。
图像解析与解读
01
02
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透射电镜的工作原理
透射电镜的工作原理
透射电镜是一种高级显微镜，它利用电子束而不是光束来观察样品的微观结构。
透射电镜的工作原理主要包括电子源、电子透镜系统、样品台和检测系统。
首先，电子源产生高能电子束。
通常采用热阴极发射电子的方式，通过加热使
阴极发射出电子，然后经过一系列的加速器和聚焦器，将电子束聚焦到极小的直径，以便能够穿透样品并形成清晰的像。
其次，电子透镜系统起到聚焦和成像的作用。
透射电镜中的电子透镜系统通常
包括几个电磁透镜，通过调节透镜的电压和电流，可以控制电子束的聚焦和偏转，从而实现对样品的高分辨率成像。
然后，样品台是样品放置的地方。
在透射电镜中，样品通常需要制备成极薄的
切片，以便电子束可以穿透并形成像。
样品台通常可以在多个方向上进行微小的移动，以便对样品进行全方位的观察和分析。
最后，检测系统用于接收电子束穿过样品后的信号，并将其转换成图像。
检测
系统通常采用荧光屏或者数字传感器，将电子束的信号转换成可见的图像，并通过电子显微镜的显示器或者计算机进行观察和分析。
总的来说，透射电镜的工作原理是利用高能电子束穿透样品，通过电子透镜系
统的聚焦和成像，将样品的微观结构放大成可见的图像，从而实现对样品的高分辨率观察和分析。
透射电镜在生物学、材料科学、纳米技术等领域有着广泛的应用，对于研究微观结构和表征样品具有重要意义。
透射电镜结构和部件功能
调教系统
• 消像散器 消像散器由围绕光轴对称环状均匀分布的8个小 电磁线圈构成，用以消除（或减小）电磁透镜因 材料、加工、污染等因素造成的像散。其中每4个 互相垂直的线圈为1组，在任一直径方向上的2个 线圈产生的磁场方向相反，用2组控制电路来分别 调节这2组线圈中的直流电流的大小和方向，即能 产生1个强度和方向可变的合成磁场，以补偿透镜 中所原有的不均匀磁场缺陷（图中椭圆形实线）， 以达到消除或降低轴上像散的效果。
• 聚光镜
聚光镜处在电子枪的下方，一般由2～3 级组成，从上至下依次称为第1、第2聚 光镜（以C1 和C2表示）。电镜中设置聚 光镜的用途是将电子枪发射出来的电子 束流会聚成亮度均匀且照射范围可调的 光斑，投射在下面的样品上。
成像系统
• 物镜 处于样品室下面，紧贴样品台，是电镜中 的第1个成像元件，在物镜上产生哪怕是极 微小的误差，都会经过多级高倍率放大而 明显地暴露出来，所以这是电镜的一个最 重要部件，决定了一台电镜的分辨本领。 作用是进行初步成像放大，改变物镜的工 作电流，可以起到调节焦距的作用。电镜 操作面板上粗、细调焦旋扭，即为改变物 镜工作电流之用。
• 束取向调整器及合轴
最理想的电镜工作状态，应该是使电子枪、各级透 镜与荧光屏中心的轴线绝对重合。但这是很难达到的， 它们的空间几何位置多多少少会存在着一些偏差，为 此电镜采取的对应弥补调整方法为机械合轴加电气合 轴的操作。机械合轴是整个合轴操作的先行步骤，通 过逐级调节电子枪及各透镜的定位螺丝，来形成共同 的中心轴线。这种调节方法很难达到十分精细的程度， 只能较为粗略地调整，然后再辅之以电气合轴补偿。 电气合轴是使用束取向调整器的作用来完成的，它能 使照明系统产生的电子束做平行移动和倾斜移动，以 对准成像系统的中心轴线。束取向调整器分枪（电子 枪）平移、倾斜和束（电子束）平移、倾斜线圈两部 分。前者用以调整电子枪发射出电子束的水平位置和 倾斜角度；后者用以对聚光镜通道中电子束的调整。 均为在照明光路中加装的小型电磁线圈，改变线圈产 生的磁场强度和方向，可以推动电子束做细微的移位 动作。
透射电镜tem的主要组成部分
透射电镜tem的主要组成部分TEM主要包括三个组成部分，分别是电子光学、电源与控制、真空系统三个组成部。
TEM的总体工作原理是:电子束由电子枪发射出来，在真空通道中穿越聚光镜，通过聚光镜将电子束会聚成一束光斑，照射在样品上，电子束透过样品后便携带有样品内部的结构信息，由于电子束的穿透力很弱，因此样品内致密处透过的电子量少，而稀疏处透过的电子量多，电子束透过样品后就进入到成像系统，首先经过物镜，被初级放大，而后进入到中间镜，综合放大，最后投影镜将放大的电子像投射到观察记录系统中的荧光屏上，并转换成可以观察的可见光像，由照相系统存成图片的形式。
下面将简单介绍下各个组成部分的结构以及原理。
一、照明系统照明系统有两个主要部件:1、电子枪:发射高能电子束，提供光源。
电子枪由阴极、阳极及位于阴极和阳极间的栅极组成，阴极是产生自由电子的源头，一旦阴极受热，就会产生自由电子，下面的阳极与阴极形成电场，阳极能够吸引阴极发射出的自由电子，并改变其运动状态，使之从杂乱无章改变到有序定向，而阴极下的栅极，在受到偏压作用后，会对电子束产生汇聚作用，即向中心轴聚集，这样就使运动在轴心的电子束能够穿过阳极中心，射出电子枪，进而形成了照射样品所需的光源。
同时，栅极还具有调节改变自由电子发射量的作用。
电子枪的工作原理如下:接通电源后，就会产生一定的电流，电流首先通过阴极，致使灯丝发热程度超过25000C，这时阴极产生的自由电子就会从灯丝表面逸出。
接通电源同时会产生加速电压，阳极表面产生的正电荷形成了正电场，阴极表面的自由电子在受到电场的作用后就会逸出，从电子枪射出形成电源。
通过改变灯丝电源能够使灯丝运行时处于欠饱和状态，如果想要改变亮度，就要改变电子束流量，而电子束流量的改变可以通过改变栅极变压来获得。
电镜工作时分辨率也是可以调节的，要想增大分辨率，也就是增强电子的穿透力，这时只要增加加速电压即可获得穿透力的增强，因为电压的加速会缩小波长，波长越小穿透力越强，虽然这样做可以增大分辨率，但也同样带来了相应的弊端，即成像反差的降低。
TEM的结构原理及其操作使用
透 射 电 镜 的 结 构 、 原 理 、 及 操 作
JEM-2100F场发射透射电子显微镜（FETEM）
Field Emission Transmission Electron Microscope
一、透射电镜的结构与工作原理
成像方式
(n通常为3~6）
衍射方式
二、透射电镜的用途
透射电镜是研究固态物质显微形貌、晶体结构和测量微 小物体的尺寸和形状的仪器，广泛应用于高分子材料、纳 米材料、金属材料、陶瓷、冶金、生物、医学、地质、半 导体、仿生学等各个领域以及工农业生产中。通过透射电 镜可以方便的观察到物质的微观结构、晶体的生长规律， 检测各种材料的老化及其疲劳损害程度，分析各种材料中 各种成分的分布规律及其各种元素间的比例关系。
明场像
离轴暗场像
中心暗场像
影响衍射强度的主要因素是晶体取向和结构振幅，主要是晶体对电子的衍射。 由于晶体样品的复杂性和不完整性，样品衍射衬度也有多种表现形式，例如：
1）衍射明场像中两个晶粒一明一暗，说明前者不处于布拉格衍射条件位置， 而后者处于布拉格衍射条件位置；
2）由于电子波长短，衍射角小，晶体中位错、层错、空位等的缺陷的存在， 致使局部晶格发生畸变，改变了这些部位的衍射条件，正常的周期性遭到了破 坏，使其与周围有不同的成像电子束强度而显示衬度； 3）基体中微区域元素的富集，使正常的晶面间距发生变化，也会改变局部 区域的衍射条件，提供新的衬度； 4）两种不同的物相，组成不同，对电子散射本领不同，结构振幅不同，引 起衬度差别； 5）电子衍射强度由于样品厚度的变化在像中会产生等厚条纹（同一条纹上 的样品厚度相同）；而由于晶体的弯曲在像中会产生等倾条纹（同一条纹上晶 体偏离矢量的数值相等）。 通常衍射衬度明、暗场成像分析常与衍射方式中的选区电子衍射相结合来确 定物相的显微形态、点阵类型和参数。
实验二细胞的超微结构—透射电镜下的细胞器
实验二细胞的超微结构—透射电镜下的细胞器实验目的：通过使用透射电子显微镜观察和研究细胞的超微结构，了解细胞器的形态和组织，以及其在细胞功能中的作用。
实验原理：透射电子显微镜是一种利用电子束通过样品的原理进行显微观察的仪器。
相比传统光学显微镜，透射电子显微镜具有更高的分辨率和放大倍数。
实验步骤：1.准备样品：使用透射电子显微镜需要制备薄片样品。
将细胞或组织固定、切片和上染色剂等。
2.调整放大倍数：根据需要观察的细胞器，调整透射电子显微镜的放大倍数。
3.开始观察：将样品放入透射电子显微镜中，调整焦距和对比度，开始观察细胞超微结构。
4.记录结果：使用电子显微镜拍摄或记录所见到的细胞器的图像和形态。
根据观察结果，对细胞器的结构和功能进行分析和讨论。
实验结果：观察细胞的超微结构可以看到许多细胞器，如细胞核、线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体等。
细胞核是细胞的控制中心，一般位于细胞的中央。
在透射电镜下观察，可以看到核膜（由内核膜和外核膜组成）、核孔、核仁等结构。
核膜通过核孔与细胞质相连，核仁是RNA合成的地方。
线粒体是细胞的能量中心，通过细胞呼吸产生ATP。
在透射电镜下观察，线粒体呈棒状或梭形，内部含有许多内膜，并形成一系列被称为嵴（cristae）的褶层。
嵴上含有许多氧化酶，参与细胞呼吸。
内质网是细胞的重要细胞器之一，两个片层之间的空腔称为内质网腔。
内质网膜上覆盖着许多小颗粒，称为核糖体。
内质网分为粗面内质网和平滑内质网，前者存在核糖体，用于蛋白质合成，后者没有核糖体，参与脂质代谢和钙离子存储。
高尔基体是细胞的分泌细胞器，具有分泌蛋白质、糖蛋白质和磷脂等功能。
高尔基体由多个平面被膜囊构成，形成一系列被称为囊泡的结构。
在透射电镜下可以看到高尔基体具有一层由囊泡组成的堆叠结构。
溶酶体是细胞的消化系统，其内部含有多种水解酶。
溶酶体呈球状或椭圆形，在透射电镜下可以看到其内部含有酶泡。
溶酶体参与细胞内的废物降解和吞噬体的形成。
透射电镜的结构和功能
☆ 电子波长很短，如 加速电压100kV时为 0.00370nm，分辨本领 可达0.002nm。 但实际达不到，原 因是磁透镜也有像差。
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▲ 球差： 透镜中心与边缘对电子的会聚能力不同造成。 在物面上的影响半径为 rS=CSα3 CS为球差系数 α 为孔径半角
像平面Ⅱ 像平面Ⅰ
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透射电子显微学的发展(回顾)
1931年 E.Ruska and M. Knoll 世界上第一台电镜 1986年 E.Ruska 获诺贝尔物理学奖 1982年 A.Klug 获诺贝尔化学奖 1937年 C.J.Davisson and G.P.Thomson 获诺贝尔物理学奖 50～60年代 英国 剑桥大学 物理系 Cavendish Lab. P.B.Hirsch and A.Howie et al (TEM) 衍衬理论: 运动学、 动力学 透射电镜代表作：薄晶体电子显微学 刘安生译 Electron Microscopy in Thin Crystal
观察屏下为照相装置， 两者相距十几厘米， 但成像清晰。
辅助观察屏和5倍双 筒放大镜
对动态研究可 用电视装置。
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投影镜： 放大镜，保证足够高的 放大倍数。 强激磁，短焦距透镜。 放大：100倍左右
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三级透镜
的放大成 像和电子 衍射的光 路图
形貌像
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电子衍射
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显像部分 观察屏
用荧光粉制成，可对 电子感光。
照相装置
照相用电子感光片，要 求分辨本领高，约为 100条线／mm，为进 一步放大。 X射线和光谱分析用胶 片也可。 数码相机
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电子波长为： hm / v ν为电子的速度，与加速
电压 E 的关系
1mv2 Ee 2
v(2E/em)1/2
1.5/0E1/2
电子波长与加速电压的关系
E/kV
60
80
100
200
பைடு நூலகம்
λ/nm 0.00487 0.00418 0.00370 0.00251
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透镜的分辨本领 点光源经过光学仪器的小圆 孔后，由于衍射的影响，所成的 象不是一个点而是一个明暗相间 的圆形光斑。
S
O
L
S’
当两个物点距离足够小时， 就有能否分辨的问题。
S1
S
O
L
S1
S
f1 O
A
f2
S’ S1’ S’ S1’
S
O
点物S和S1在透镜的焦平面上呈
S’
现两个艾里斑，屏上总光强为两衍射
L
X射线能谱分析（EDAX 或 EDS）
电子能量损失谱分析（EELS）
微衍射与微微衍射(μD 、μ－μD)
会聚束电子衍射（CBED）
扫描透射电子显微术（STEM）
表面反射衍射电子显微术（RHEED）
美国 亚利桑那州立大学 J.M.Cowley Diffraction Physics
代表作：
J.J.Hren Introduction to Analytical Electron Microscopy
P.B.Hirsch and A.Howie et al (TEM) 衍衬理论: 运动学、 动力学 透射电镜代表作：薄晶体电子显微学 刘安生译 Electron Microscopy in Thin Crystal
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70～80年代 分析电子显微学兴起
高分辨电子显微术（HREM）
六 、 结透 构射 与电 功子 能显 微 的
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1
透射电子显微镜 （Transmission Electron Microscope TEM）
以电子为光源，电 磁场为透镜，电子束穿 过试样成像的电子光学 仪器。
分辨本领: 0.2 - 0.3 nm 加速电压 : 100 – 500 kV 放大倍数: 50－1.2×106
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6.3 电子显微镜的结构
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由三大系统组成
★ 电子光学系统 电子显微镜的核心,成像
放大等主要功能靠此完成。
★ 真空系统 保证电子只于试样发生
作用，真空度为1.33×10-2～ 10-5Pa
★ 供电系统 以高稳定度的电压供给
电子枪，高稳定度的电流供 给磁透镜。
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B(z) 有极靴 没有极靴 无铁壳
磁感应强度分布图
10
z
☆ 电子像与实物不仅有 180°的倒转，还有磁场 引起的旋转角。
焦距 f∝E/(IN)2 与电流平方成反比
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☆ 磁透镜与光学 透镜作用相仿，光 学术语均可借用。
如焦点、焦距、 球差、景深等。
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6.2 电子透镜
利用轴对称非均匀电场或磁场力使电子会聚或发散的装置。核
心部件，决定电镜的性能。
静电透镜 早期使用 磁透镜 改变 f 和 M 很方便；
电子在磁场中受力为 F=e (v×B)
不担心击穿；
像差小。 常用磁透镜为短螺旋管线圈
V
F1 Br
BZ V1
F2
F1 使电子作圆周运动 F2 使电子向轴运动
光斑的非相干迭加。
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瑞利判据：点物S1的艾里斑中心恰好与另一个点物S2的艾里斑边缘 （第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。
S1 可分辨
S2
100%
S1
75%
S2
恰可分辨
S1
不可分辨
S2
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能分辨开的物面上 两点间的最小距离d， 称为显微镜的分辨本 领。
d0.61 nsin
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透射电子显微学的发展(回顾)
1931年 E.Ruska and M. Knoll 世界上第一台电镜 1986年 E.Ruska 获诺贝尔物理学奖 1982年 A.Klug 获诺贝尔化学奖 1937年 C.J.Davisson and G.P.Thomson 获诺贝尔物理学奖 50～60年代 英国 剑桥大学 物理系 Cavendish Lab.
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▲ 像散： 透镜磁场不完全对称造成。 物面上的影响半径为 rA=M△fαα
△fα 像散引起的焦距差
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▲ 色差： 电子能量不同造成
在物面上的影响半径为 rC=CCα△E/E
△E/E 电子能量变化率
CC 色差系数
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磁透镜另一大特点
△ 景深：
保持象清晰度时，试样在物平 面沿轴向可移动的距离。
Df 2t△ arno2△ ro2d
一般α =10-2～10-3 rad，如 d=1nm，则Df=200～2000nm。
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△ 焦深:
保持象清晰度时，像平面沿轴 向可移动的距离。
Di 2△ r02d2M DfM 2
如d =1nm，孔径半角α =10-2 rad， 则 Di = 8 mm。
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电子光学系统
电子枪 聚光镜 偏转线圈
照 明 部 分
成像放大部分
样品室 物镜 中间镜 投影镜
观察室 观察屏 照相装置 电视
显 像 部 分
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照明部分
阴极
电子枪
J.C.H.Spence Experimental High-Resolution Electron Microscopy
90～今 透射电子显微学进展 叶恒强 王元明 主编
电子全息术、生物大分子材料 、纳米材料、物镜球差校正
高分辨、高分辨透扫（Z衬度） 等等
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6.1 电子的波长
☆ 电子波长很短，如 加速电压100kV时为 0.00370nm，分辨本领 可达0.002nm。
但实际达不到，原 因是磁透镜也有像差。
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▲ 球差：
透镜中心与边缘对电子的会聚能力不同造成。 在物面上的影响半径为 rS=CSα3 CS为球差系数 α 为孔径半角
像平面Ⅱ 像平面Ⅰ
物镜
最小散焦圆斑
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d/2
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光镜用可见光照明，其波长范 围为500nm ，分辨本领不能小于 200nm。
衍射 提高分辨本领 → 波长
☆ X射线 波长10～0.05nm，不能聚焦成像。
☆ 紫外线 波长390～13nm，短波易被吸收， 可用为200～250nm。 石英玻璃透镜，分辨本领 100nm。
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☆ 电子