第二篇8-电子光学基础
第13章材料分析方法
6
第一节 电子束与样品相互作用产生的信号
三、透射电子 若入射电子能量很高,且样品很薄，则会有一部分电子
穿过样品，这部分入射电子称透射电子 透射电子中除了能量和入射电子相当的弹性散射电子外，还 有不同能量损失的非弹性散射电子，其中有些电子的能量损 失具有特征值，称为特征能量损失电子 特征能量损失电子的能量与样品中元素的原子序数有对应关 系，其强度随对应元素的含量增大而增大 利用电子能量损失谱仪接收特征能量损失电子信号，可进行 微区成分的定性和定量分析
内层电子击出时，原子处于能量较高的激发态，外层电子将 向内层跃迁填补内层空位，发射特征X射线释放多余的能量 产生于样品表层约1m的深度范围 其能量或波长与样品中元素的原子序数有对应关系 其强度随对应元素含量增多而增大 特征X射线主要用于材料微区成分定性和定量分析
10
第一节 电子束与样品相互作用产生的信号
目前，扫描电子显微镜二次电子像的分辨率已优于 3nm， 高性能的场发射枪扫描电子显微镜的分辨率已达到 1nm 左 右，相应的放大倍数可高达30万倍
与光学显微镜相比， 扫描电子显微镜不仅图像分辨率高， 而且景深大，因此在断口分析方面显示出十分明显的优势
扫描电子显微镜开始发展于20世纪 60年代，随其性能不断 提高和功能逐渐完善， 目前在一台扫描电镜上可同时实现 组织形貌、微区成分和晶体结构的同位分析， 现已成为材 料科学等研究领域不可缺少的分析工具
六、俄歇电子 处于能量较高的激发态原子,外层电子将向内层跃迁填
补内层空位时，不以发射特征X射线的形式释放多余的能量， 而是向外发射外层的另一个电子，称为俄歇电子 产生于样品表层约1nm的深度范围 其能量与样品中元素的原子序数存在对应关系， 能量较低， 一般在 50~1500eV 范围内 其强度随对应元素含量增多而增大 俄歇电子主要用于材料极表层的成分定性和定量分析
第9章电子光学基础2
如何提高显微镜的分辨率？ 如何提高显微镜的分辨率？
降低照明光源的波长。 降低照明光源的波长。 顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13 13顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13390nm之间，比可见光短多了。 390nm之间，比可见光短多了。 之间 大多数物质都强烈地吸收紫外光， 大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作 为照明光源。 为照明光源。 更短的波长是X射线。 更短的波长是X射线。 迄今为止还没有找到能使X射线改变方向、 迄今为止还没有找到能使X射线改变方向、发生折射和 聚焦成象的物质 也就是说还没有X射线的透镜存在。 的物质， 聚焦成象的物质，也就是说还没有X射线的透镜存在。 除了电磁波谱外，在物质波中， 除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波 而且存在使之发生折射聚焦的物质。 折射聚焦的物质 长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波 可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。 可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。
1 ∆rS = C sα 3 4
∆rA = ∆f Aα
二、像散
像散是由透镜磁场的非旋转 对称引起的像差。 对称引起的像差。 极靴内孔不圆、 极靴内孔不圆、 上下极靴的轴线错位、 上下极靴的轴线错位、 制作极靴的磁性材料的材质 不均 以及极靴孔周围的局部污染 等都会引起透镜的磁场产生 椭圆度。 椭圆度。 将RA折算到物平面上得到一个 半径为Δr 的漫散圆斑， 半径为ΔrA的漫散圆斑， 表示像散的大小为： 用ΔrA表示像散的大小为：
灯丝
2、聚光镜
聚光镜用来会聚电子枪 射出的电子束， 射出的电子束，以最小 的损失照明样品， 的损失照明样品， 调节照明强度、 调节照明强度、孔径角 和束斑大小。 和束斑大小。 第一聚光镜是强激磁透 束斑缩小率为10 10～ 镜，束斑缩小率为10～ 50倍左右 倍左右， 50倍左右，将电子枪第 一交叉点束斑缩小为1 一交叉点束斑缩小为1～ 5μm； 5μm； 而第二聚光镜是弱激磁 透镜， 透镜，适焦时放大倍数 倍左右。 为2倍左右。 结果在样品平面上可获 10μm的照明电子 得2～10μm的照明电子 束斑。 束斑。
第一章 电子光学基础
③
若 v << c 时，电子的速度很低时，电子的质量与静 止质量相近。m=9.1×10-31Kg；h=6.63×10-34J· S；e＝ 1.602×10-19库仑
h 1.225 (nm) 2emU U
当加速电压很高时，电子的运动速度很大(接近光速)， 电子的质量要进行相对论修正。
m m0 v 1 ( )2 c
30
50 100 200 1000
0.00698
0.00548 0.00388 0.00275 0.00123
0.00698
0.00536 0.00370 0.00251 0.00087
0
0.00012 0.00018 0.00024 0.00036
已知光学衍射确定的分辨率为：
0.61 1 r0 n sin 2
④
相应的电子的能量为： ④、⑤式代入③得：
h eU 2em0 U(1 ) 2 2m 0c
eU mc 2 m 0c 2
1.225 U(1 U 10 )
6
⑤
(nm)
⑥
相对论修正系数
不同电子加速电压的电子波长
加速电压(KV) λ不修正 (nm) λ修正 (nm) Δλ
20
RA rA M
rA f A
ΔƒA——像散焦距差
透镜制造精度差以及极靴、光阑的污染都能导致像散。
可以通过引入一强度和方位都均可调节的矫正磁场进行
补偿。在电镜中，这个产生矫正磁场的装置是消像散器。
电磁式消像散器
1.4.3 色差
色差是由入射电子波长或能量非单一性造成的。 能量大的电子在距透镜光心比较远的地方聚焦， 能量低的电子在距光心近的地方聚焦。像平面在远焦 点和近焦点间移动时存在一最小散焦斑RC。
光敏感材料02第八章第二讲
二、 外光电效应器件
（二）、光电倍增管及其基本特性
当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零 点几 μA ，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大， 下图为其内部结构示意图。
1. 结构和工作原理
用于ANTEK9000硫氮分 析仪上的硫检测器中， 是检测荧光信号的关键 部件 。
规律三
当光照射某一金属时,无论光强如何,照射时间多长, 只要入射光的频率ν小于这一物质的红限ν0 (ν<ν0 ) , 就不会产生光电效应。 光电子的最大初动能随入射光的频率 呈线性地 增加,与入射光强度无关。
光敏功能材料及传感器
规律四
二、 外光电效应器件
(一)光电管及其基本特性
1. 结构与工作、 外光电效应器件
光敏功能材料及传感器
二、 外光电效应器件
2、主要参数
（1）倍增系数M 如果n个倍增电极的δ都相同，则 阳极电流 I 为
M in
I i in
i —光电阴极的光电流
等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。
I 光电倍增管的电流放大倍数β为: in i
M 与所加电压有关，M 在105 ～ 108之间，稳定性为1 ％左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。如果有波动， 倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳 极和阴极之间的电压为1000 ～ 2500V，两个相邻的倍增电 极的电位差为50 ～ 100V。对所加电压越稳越好，这样可以 减小统计涨落，从而减小测量误差。
（2）光电发射第二定律（也叫爱因斯坦定律）
发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增 大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能量关系符合爱 因斯坦方程：
电子光学的一般知识
核心
机械泵、扩散泵、吸附泵、 真空测量、显示仪表
辅助
高压电源、透镜电源、真空电源、 辅助电源、安全系统、总调压变 压器
辅助
3.透射电镜的结构
3.1 电子光学部分 3.2真空部分 3.3 电源与控制系统 3.4 电磁透镜的工作原理
3.1 电子光学部分
A 照明系统 电子枪 聚光镜 B.成像系统 物镜 (Objective lens) 中间镜 (Intermediate lens) 投影镜 (Projector lens) C. 观察和记录系统
h h
6.63 10 34
P 2meU 2 9.11031 1.61019 200000
2.74 1012 m 2.7410-2 A
电子的德波波长很短，用电子显微镜可放大200万倍。
德布罗意波的实验验证--
电子衍射实验1
1927年 C.J. Davisson & G.P. Germer 戴维森与 革末用电子束 垂直投射到镍单晶，做电子轰击 锌板的实验，随着镍的取向变化， 电子束的强度也在变化，这种现 象很像一束波绕过障碍物时发生 的衍射那样。其强度分布可用德 布罗意关系和衍射理论给以解释。
物镜光栏在后焦面附近
样品 物镜 物镜光阑 中间镜 目镜
荧光屏
3.1.2 成像系统--物镜光栏
挡掉大角度散射的非弹性电子，减少色差和球差，提高衬度
3.1.2 成像系统--物镜光栏
选择后焦面上的晶体 样品衍射束成像，获 得明、暗场像。
明、暗场像
Bright field (BF) image Dark field (DF) image
IP，放入专用的照相处理机上。马上印出相片，像的质量比普通 胶片好。
材料分析方法 第9章
观察采用在暗室条件下人眼较敏感的、 发绿光的荧光物质涂 制的荧光板 采用对电子束曝光敏感、 颗粒度很小的电子感光底片记录， 底片曝光时间采用自动、手动设置或计时等三种方式 近期的透射电镜多数均配备了 CCD 成像系统，可以将图像输 入到计算机的显示器上用于观察； 图像可采用多种文件格式 进行存储和输出。图像观察和记录非常方便
8
第一节 透射电子显微镜的结构与成像原理
二、成像系统 透射电镜外观参见图9-5；透射电镜镜筒结构和真空系统参见 图9-6。高性能透射电镜多采用5级(或5级以上)放大成像
图9-5 CM300透射电镜外观图
图9-6 JEM-2010F透射电镜
a) 镜筒剖面图 b) 真空系统
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第一节 透射电子显微镜的结构与成像原理
(二) 物镜光阑 用于减小物镜的球差，选择成像电子束以获得 明场或暗场像，此外可提高图像衬度，故也称衬度光阑。 物镜光阑安装在物镜的背焦面上，孔径为20~120m
场发射枪性能优异，具有
束斑尺寸小、亮度高、能
量分散度小等特点
4
第一节 透射电子显微镜的结构与成像原理
一、照明系统
(一) 聚光镜
高性能透射电镜采用双聚光镜系统，见图9-3。第一聚光镜是 强励磁透镜，作用是缩小或调节束斑尺寸， 将电子枪交叉斑
减小10 ~ 50倍；第二聚光镜是弱 励磁透镜，用以调节照明强度
6
第一节 透射电子显微镜的结构与成像原理
二、成像系统
(二) 中间镜
中间镜是弱励磁、长焦距的变倍率透镜
样品 物镜 物镜背焦面
作用之一是利用其可变倍率控制 电镜的总放大倍数
物镜像平面 中间镜
电子显微镜第一章电子光学基础与电子透镜
L2
D1
P1 屏
象平
2MX
面
场深示意图
2d最小M
焦深示意图 42
场深关系式
Df
2X
tan
2X
2d最小
焦深关系式
D1
2d最小M
tan 1
L1
tan
L2
tan 1
tan 1
L1 L2
tan
M
D1
2d最小M 2
Df M 2
43
h 2em0U （1-3）
11
把 h=6.6210-34 J.s, e=1.6010-19 C, m0=9.1110-31
kg数值代入，式（1-3）可以简化为：
150
λ
或者
U
12.25
U
(1-4)
推导上述式子的前提条件是：υ<<c，所以 它仅仅适用于加速电压比较低的情况下。
12
在电子显微镜中，一般电子的加速电压为几 十千伏，因此电子波长的计算，必须引入相 对论校正。考虑电子运动的相对论效应，运 动电子的质量为：
100
0.0370
200
0.0251
500
0.0142
1000
0.00687
15
电子在静电场中的运动
vt1
v1 θ vt2
U1
γ
U2
v2
电场中等电位面与光学系统中两介质界面起 着相同的作用。
16
电子在磁场中的运动
17
第二节 电子透镜
S
I
电子在轴对称磁场中的运动轨迹
光电子技术基础第二章 光学基础知识与光场传播规律
第2章 光学基础知识与光场传播规律本章旨在回顾信息光电子技术基础课程学习中所需的一些光学基本知识，系统概括总结有关光的基本属性与波动光学的有关内容。
2.1光学基础知识2.1.1 光的基本属性17世纪中期，有关光属性的两种学说——胡克和惠更斯的波动学说以及牛顿的粒子学说——都得到了发展，接下来的l00多年中，许多学者的进一步观测支持了波动学说，尤其是1864年麦克斯韦(Maxwell)建立了普遍电磁波方程，并通过方程式证明了横向电磁波的存在，还推导出了光波在真空中的传播速度为s m c /10998.21800⨯≈=εμ （2-1）式中，μ0为真空中的磁导率，ε0为真空中的介电常量。
这一学说给出了在极宽频率范围内产生电磁波的前景。
20年后，赫兹第一次在实验上证实了光波就是电磁波，肯定了麦克斯韦的理论。
表2-1给出了电磁波谱及其主要产生方式。
表2-1 电磁波谱及其主要产生方式可见，光波与电波虽然同是电磁波，但其产生的本质原因不同，因而波长(频率)相差很大，且频率越高，粒子性与波动性相比越加明显；另外，电波的波导由金属导体构成，而光波的波导是由电介质构成的。
波动学说成功地将光归结为一种横电磁波，但是直到与真正电波电源一样相位一致的激光出现以前，光只是杂乱无章的、相位不整齐的噪声光，一般人根据经验很难相信光是一种横电磁波的说法。
激光的出现，促进了人们对光本质的直观认识。
但波动学说虽能解释光的干涉、衍射、偏振等现象，而用在能量交换场合，如光的吸收与发射、光电效应等，就完全失效了。
粒子学说将光看做一群能量零散的、运动着的粒子，爱因斯坦提出用光频率ν与普朗克常量h 的乘积所得的能量值h ν作为最小单位，认为光是以h ν的整数倍发射与吸收的，这种最小单位称为光子。
粒子学说可以合理地解释光的吸收、光的发射与光电效应等现象。
综上所述，迄今为止，说到光的本质，粒子性与波动性各有其存在合理性，因而通常称光具有波粒二象性。
8-2，3光电器件基本特性和光电器件
§8—2 光电器件基本特性1、光谱灵敏度()S λ——光电器件对单色辐射通量的反应，是波长λ的函数。
()()/()S du d λλφλ= 在m λ处的()m S λ为最大值时，对应的m λ为峰值波长。
()d φλ，单色辐射通量——单位时间内发射的辐射能。
2、积分灵敏度 S ——光电器件对连续辐射通量的反应程度。
/S u φ=3、频率特性：灵敏度随λ射光强调制频率f 变化。
4、光照（光电）特性：光电流（或电压）与入射光通量之间的关系。
5、伏安特性：入射光频谱及光通量一定时，光电流和电压之间的关系。
§8—3 光电器件一、光电管与光电倍增管1、光电管光照射到涂有光敏材料的阴极，使电子逸出，被阳极吸引，形成光电流。
光电管(phototube)的种类很多，其基本结构如图所示。
在真空玻璃泡内有两个电极：阴极K 和阳极A 。
阴极是在半圆形的金属片上涂上感光材料，不同的感光材料对光波长敏感程度不同，即光谱特性不同。
常用的感光材料有银、钙、锑等。
在阴极前面的阳极是由环状的单根金属丝构成。
光电管工作电路如图所示。
在阴极和阳极之间供给直流电压E ，阳极接电源正极，阴极接电源负极。
在没有受到光照时电路无电流。
如果阴极受到光照，将发射电子，电子在阳极正电动势吸引下形成电子流，并在输出负载RL 中形成电压降，这个输出电压反映光强度的变化。
光电管在很宽的光强度范围内稳定性好，但是灵敏度较低。
为获得更高的灵敏度，可采用光电倍增管。
2、光电倍增管(1)光电倍增管(photomultiplier ，PMT)的结构和原理为了提高探测灵敏度，光电倍增管在高真空管中装入一个光电阴极和多个倍增电极，使用时在各个倍增电极均加上电压，而且电压依次升高，形成电子流的不断倍增，可使极其微弱的入射光转换成放大电子流，因此具备更灵敏的光检测能力。
在无热生电子状态，光电倍增管甚至可检测到单个光电子。
光电倍增管的结构原理如图所示。
图中K 为阴极，A 为阳极。