电子显微镜及其附属设备的结构基本原理第一部分1
电子 显微镜 原理
电子显微镜原理
电子显微镜是一种利用电子束进行观察和分析样品的仪器。
它的工作原理基于电子的波粒二象性以及它们与物质相互作用的特性。
电子显微镜使用的电子束是由电子枪产生的。
电子枪通过加热阴极，使其释放出电子，并加速这些电子使其具有足够的能量。
然后，电子束通过一系列的电子透镜来聚焦和定位。
最常用的电子透镜是环形磁铁，它利用磁场来聚焦电子束。
在磁铁处，电子束会逐渐变窄，并形成一个细小的束斑。
当电子束射到样品上时，它们会与样品中的原子和分子相互作用。
这种相互作用包括散射、吸收和透射。
通过探测不同的电子与样品相互作用的方式，可以获取关于样品中不同部分的信息。
在电子显微镜中，有两种主要的检测模式：散射模式和透射模式。
在散射模式中，电子束与样品中的原子和分子发生散射，从而产生称为散射电子的次级电子。
这些散射电子被收集并用于生成图像。
透射模式中，电子束通过样品的较薄区域，一部分电子会被样品中的原子和分子散射，另一部分则通过样品。
被透射的电子会通过一系列检测器进行收集和放大，从而形成图像。
通过控制电子束的聚焦和定位，可以实现对不同部分的样品进行观察和分析。
电子显微镜可提供高分辨率的图像，因为电子的波长比可见光的波长小得多。
因此，它可以观察到更小的结
构和更详细的样品特征。
总之，电子显微镜的原理基于利用电子束与样品相互作用并收集和放大透射或散射电子的方式来观察和分析样品。
这样的原理使得电子显微镜在科学研究和工业应用中具有广泛的应用前景。
课件--第二章 电子显微镜
第二章 电子显微镜(Electron Microcope)第一节 电子显微镜的基本构造和原理一、概述：电子具有波动性。
电子束在电场或磁场的作用下，可发生会聚、发散、反射、折射和偏转。
* 电镜：用电子束代替光束照射样品，而获得高分辨率的成像。
二、电子显微镜(电镜)的物理学基础(一)光学显微镜(光镜)的局限性：光镜可观察许多肉眼看不见的微小物体，但也有其局限性。
例如病毒就看不到。
* 原因：不是放大倍数的问题，而是分辨率不够。
1、分辨率：指显微镜或人眼在明视距离刚好能分辨的两质点的最小距离。
人眼的分辨率约为0.1毫米（人眼最小可分辨角约为1’）。
* 光镜分辨率不高原因：是光线衍射的影响。
质点成像时，不是形成理想的像点，而是形成一个像斑(Airy 斑)。
当两个像斑太靠近时就会分辨不清。
2、阿贝公式： 根据瑞利判据，推得分辨率(即最小可分辨距离)： 其中： Z ——最小分辨距离λ ——波长n ——透镜周围的折射率u ——透镜对物点张角的一半，nsinu 称为数值孔径，用 N.A. 表示3、提高分辨率的方法：①提高N.A.数。
如油浸物镜，N.A.数可从小于1提高至1.5～1.6，但很有限。
②用波长更短的光线。
而可见光波长有限，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。
4、电子的波长：比可见光波长更短的有：1）紫外线 —— 会被物体强烈的吸收；2）X 射线 —— 无法使其会聚；3）电子波 ——根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。
电子波长 λ=h/mv 电子运动速度与其加速电压U(伏特)有关.h —— Plank 常数m —— 电子质量v ——电子速度由公式计算知电子束 ：约0.1～10A0。
而可见光 ：4000～8000A0。
所以，使用电子束可大大提高分辨率。
(二) 电子透镜：..61.0sin 61.0A N u n Z λλ==电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力，使其会聚或发散，从而达到成象的目的。
材料现代研究方法：透射电子显微镜工作原理及构造
图9-7 透射电镜成像系统的两种基本操作 (a)将衍射谱投影到荧光屏 (b)将显微像投影到荧光屏
三、选区电子衍射
图8 在物镜像平面上插入选区光栏实现选区衍射的示意图
选区衍射操作步骤
②柱体近似，即在计算样品下表面衍射波强度时，假设将样品分割 为贯穿上下表面的一个个小柱体(直径约2nm)，而且相邻柱体中的 电子波互不干扰。
的厚度以控制在约100~200nm为宜。 （2）所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材料的某些
特征。因此，样品制备时不可影响这些特征，如已产生影响则必须知 道影响的方式和程度。
一、间接样品(复型)的制备
对复型材料的主要要求： ①复型材料本身必须是“无结构”或非晶态的； ②有足够的强度和刚度，良好的导电、导热和耐电子束轰击性能。 ③复型材料的分子尺寸应尽量小，以利于提高复型的分辨率，更深入
质厚衬度原理
由于质厚衬度来源于入射电子与试样物质发生 相互作用而引起的吸收与散射。由于试样很薄， 吸收很少。衬度主要取决于散射电子（吸收主要 取于厚度，也可归于厚度），当散射角大于物镜 的孔径角α时,它不能参与成像而相应地变暗.这种 电子越多,其像越暗.或者说,散射本领大,透射电子 少的部分所形成的像要暗些,反之则亮些。
成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动，而可见光是以折线形 式穿过玻璃透镜。因此，电磁透镜成像时有一附加的旋转角度，称为 磁转角。物与像的相对位向对实像为180，对虚像为。
（3）电磁透镜的分辨本领
r0
A3
/
4C
1/ s
4
（3）
式中：A——常数；——照明电子束波长；Cs——透镜球差系数。 r0的典型值约为0.25~0.3nm，高分辨条件下，r0可达约0.15nm。
透射电子显微镜原理及结构课件
观察与记录系统
荧光屏
将投影镜输出的像投影在荧光屏 上，便于观察。
摄像机
将荧光屏上的图像拍摄下来，记录 并传输至计算机进行后续处理。
图像处理软件
对摄像机拍摄的图像进行数字化处 理，如调整亮度、对比度、色彩平 衡等，以便更好地观察和分析样品 结构。
04
透射电子显微镜的操作 与维护
透射电镜的操作步骤
衍射是指波遇到障碍物或孔洞时，会沿着障碍物边缘弯曲传播的现象。 在透射电子显微镜中，电子波的衍射使得电子能够散射并形成明暗相间 的斑点或条纹。
电子的干涉与衍射
当电子通过透镜系统时，会受到电场和磁场的作用，从而改 变它们的波函数。透镜系统的设计使得电子在到达样品时具 有相同的相位，从而形成干涉现象。干涉使得电子在样品上 散射并重新聚焦，形成明暗相间的图像。
放置样品
将需要观察的样品放置在电镜 的样品台上，确保样品稳定不 动。
调节亮度与对比度
根据观察的需要，适当调节电 镜的亮度与对比度旋钮，使图 像更加清晰。
打开电源
首先打开透射电镜的电源开关， 确保电源正常。
调整焦距
通过调节焦距旋钮，使电镜的 物镜逐渐接近样品，直到清晰 看到样品的图像。
观察与记录
观察并记录样品的图像，可以 通过电镜的摄像系统或记录仪 进行记录。
衍射是指电子在遇到样品时，会沿着样品的晶格结构散射。 散射的角度取决于样品的晶格常数和电子的波长。通过测量 衍射斑点的位置和强度，可以获得样品的晶体结构和相信息 。
透射电镜成像原理
透射电镜的成像原理是将电子束通过 样品，然后使用透镜系统将散射的电 子聚焦并成像在荧光屏幕上。由于电 子的波长比可见光的波长要短得多， 因此透射电镜能够获得比光学显微镜 更高的分辨率。
电子显微镜原理教学课件
样品吸收电子，导致不同区域 呈现不同亮度。
透射
部分电子穿过样品，形成透射 图像。
扫描电镜成像
逐点扫描样品表面，形成高分 辨率图像。
电子显微镜的分辨率
01
02
03
理论分辨率
受电子波长和物镜的NA 值影响。
实际分辨率
受到多种因素影响，如样 品厚度、结晶度和电子束 能量等。
提高分辨率的方法
采用更高能量的电子束、 提高物镜的NA值和使用 更短的波长。
电子显微镜原理教学课 件
目 录
• 电子显微镜简介 • 电子显微镜工作原理 • 电子显微镜样品制备技术 • 电子显微镜图像分析 • 电子显微镜操作与维护 • 电子显微镜未来发展趋势
01
电子显微镜简介
电子显微镜的发展历程
1926年
德国物理学家Max Knoll和Ernst Ruska发 明了第一台电子显微镜
放置样品
将需要观察的样品放置在载物 台上，并调整样品的位置和角 度。
观察
观察并记录样品的形态、结构 等特征。
电子显微镜的常见故障及排除方法
图像模糊
可能是由于焦距调节不当或样品表面 不平整导致，需要重新调整焦距或处 理样品表面。
图像扭曲或变形
可能是由于电子束倾斜或样品放置不 正确引起，需要检查电子束的路径和 样品放置情况。
无法聚焦
可能是由于样品太厚或焦距调节不当 导致，需要减小样品厚度或重新调整 焦距。
光源异常
可能是由于灯泡损坏或电源故障导致 ，需要更换灯泡或检查电源连接。
电子显微镜的日常维护与保养
清洁镜头
定期用干燥的镜头纸或镜头布擦拭镜头表面 ，保持镜头清洁。
定期校准
根据需要，定期对电子显微镜进行校准，以 确保观察结果的准确性。
透射电子显微镜的工作原理及标本制课件-文档资料
固定方法—戊二醛-锇酸双固定
双固定法：指用戊二醛对样品前固定，漂洗后使用锇酸对样品 进行后固定，这种使用两种化学试剂分别前后对样品进行固定 的方法称为双固定法。 先用2.5%戊二醛固定2h以上。 缓冲液多次清洗（pH7.4 0.2mol/L磷酸缓冲液洗三次，15min/ 次）。
1%锇酸固定2h。
3脱水
透射电镜的结构 透射电镜主要由电子光学系统、 真空系统和供电系统三部分组成。其 中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。
TEM
电子光学系统（镜筒） 供电系统 真空系统
照明部分
成像放大部分
显像部分
电子枪：TEM电子源
物镜、中间镜、投影 镜
理想固定剂
1）渗透力强，穿透速度快，能迅速达到组织块的各部 位，立即杀死细胞，以尽量减小死后变化 2）稳定细胞成分和结构，以保证后续的各种处理中物 质不溶解、不丢失 3）对细胞超微结构没有损伤，保证电镜图像的真实性 4）能保存一定的酶活性,以供细胞化学的测定 5）最好提供一定的反差 ,并有防腐作用
切片操作步骤： 装块→装刀→对刀→加水→切片→捞片
切片厚度的判断
颜色 暗灰色 铅灰色 银灰或银白 米黄、金黄 紫色(蓝) 厚度(Å) <400Å 400~500 500~700 700~1000 1000以上 切片 厚度 太薄 较薄 适中 较厚 不能用 分辨 率 高 高 好 低 反差 小 小 好 好
常用固定剂
1）锇酸（OsO4)
优点： ⑴ 几乎和细胞内所有成分发生化学结合 ⑵ 对氮具有较强亲和力，对含有蛋白质的细胞结构固定作用良 好 ⑶ 可保存脂肪,形成脂肪-锇复合物 ⑷ Z=76，增加膜的反差 ⑸ 对磷脂蛋白、核蛋白保护很好 锇酸缺点： ⑴ 不能固定糖元、碳水化合物、核酸，对微管固 定效果差 ⑵ 酶的钝化剂，不能用于细胞化学研究 ⑶ 分子量大,渗透能力差，要求组织块小 ⑷ 固定时间不宜过长 ⑸ 可与乙醇、醛类氧化还原反应生成沉积
扫描电子显微镜基本原理和应用
扫描电子显微镜的基本原理和结构下图为扫描电子显微镜的原理结构示意图。
由三极电子枪发出的电子束经栅极静电聚焦后成为直径为50mm的电光源。
在2-30KV的加速电压下，经过2-3个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成孔径角较小，束斑为5-10m m的电子束，并在试样表面聚焦。
末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束在试样表面扫描。
高能电子束与样品物质相互作用产生二次电子，背反射电子，X射线等信号。
这些信号分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。
由于经过扫描线圈上的电流与显象管相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样表面任意点发射的信号与显象管荧光屏上相应的亮点一一对应。
也就是说，电子束打到试样上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。
换言之，扫描电镜是采用逐点成像的图像分解法进行的。
光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最後一行右下方的像元扫描完毕就算完成一帧图像。
这种扫描方式叫做光栅扫描。
扫描电镜由电子光学系统，信号收集及显示系统，真空系统及电源系统组成。
1 电子光学系统电子光学系统由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。
其作用是用来获得扫描电子束，作为产生物理信号的激发源。
为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。
<1>电子枪：其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。
目前大多数扫描电镜采用热阴极电子枪。
其优点是灯丝价格较便宜，对真空度要求不高，缺点是钨丝热电子发射效率低，发射源直径较大，即使经过二级或三级聚光镜，在样品表面上的电子束斑直径也在5-7nm，因此仪器分辨率受到限制。
现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，使二次电子像的分辨率达到2nm。
但这种电子枪要求很高的真空度。
扫描电子显微镜的原理和结构示意图<2>电磁透镜其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50m m的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。
透射电子显微镜原理及结构
3.2 透射电镜主要性能指标
(1)分辨率 是透射电镜的最主要的性能指标，它反应了电镜显示亚
显微组织、结构细节的能力。用两种指标表示： ❖点分辨率：表示电镜所能分辨的两个点之间的最小距离。 ❖线分辨率：表示电镜所能分辨的两条线之间的最小距离。
在实际制作塑料-碳二级复型时，往往把第一、 二次的塑料复型弃去不要，以清洁表面。而萃取复 型则有意识的通过选择适当的侵蚀剂侵蚀试块表面， 形成浮雕，用复型膜把需要观察的相（一般是指第 二相）萃取下来。
3.3 透射电镜样品制备方法
3..3.1 间接样品的制备
3、复型像及复型衬度的改善
有些材料不能直接制成薄膜样品，往往采用复型技术 把材料表面复制下来，制成复型膜，在电镜上观察。这 种用复型膜形成的电子图象可称为复型像。
July 2021
2、Our destiny offers not only the cup of d of opportunity. (Richard Nixon, American President )命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二〇二一年六月十七日2021年6月17日星期四
d L R K R
直到50年代，才随着电子显微镜的发展，把成像和 衍射有机地联系起来后，为物相分析和晶体结构分析研 究开拓了新的途径。
许多材料和粘土矿物中的晶粒只有几十微米大小，有 时甚至小到几百纳米，不能用X射线进行单个晶体的衍 射，但却可以用电子显微镜在放大几万倍的情况下，用 选区电子衍射和微束电子衍射来确定其物相或研究这些 微晶的晶体结构。
将待观察的试样按预定取向切割成薄片，再经机 械减薄抛光等过程预减薄至30～40um的薄膜。把薄 膜钻取或切取成尺寸为2.5～3mm的小片。装入离子 轰击减薄装置进行离子轰击减薄和离子抛光。
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• 真空系统的组成：机械泵、扩散泵、离子泵、 真空管道、循环水系统等
IP
电子枪
镜筒
RP
照相室 DP
数据采集系统
• 数据采集系统包括：CCD数据采集系统、 PHOTO采集系统；
高压及其电源系统
• 高压箱、高压电缆、高压瓷瓶、电子束发 射枪、电源等。
电子控制系统
• 电源控制系统、电子束调整系统、电子光 路调整系统、电子成像控制系统、真空控 制系统、模式选择系统等。
2.透射电子显微镜的基本工作原理
电子光学系统产生一 束高能电子束。经 过透镜、物镜、消 像散等系统的调整， 形成一束近似平行 光的电子束，作用 于试样。电子束与 试样将发生各种各 样的作用。主要形 成透过电子、弹性 散射电子、非弹性 散射电子
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