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技術(shù)文章

電子顯微鏡的組成及其歷史扮念、種類

閱讀:1279          發(fā)布時(shí)間:2013-12-11

一、電子顯微鏡的組成柜与;
電子顯微鏡由鏡筒功跑、真空裝置和電源柜三部分組成。
鏡筒主要有電子源谤变、電子透鏡荞谬、樣品架、熒光屏和探測器等部件适系,這些部件通常是自上而下地裝配成一個(gè)柱體字拗。
電子透鏡用來聚焦電子,是電子顯微鏡鏡筒中zui重要的部件高骑。一般使用的是磁透鏡蝠盘,有  電子顯微鏡下的纖維
時(shí)也有使用靜電透鏡的脾仁。它用一個(gè)對稱于鏡筒軸線的空間電場或磁場使電子軌跡向軸線彎曲形成聚焦,其作用與光學(xué)顯微鏡中的光學(xué)透鏡(凸透鏡)使光束聚焦的作用是一樣的苔免,所以稱為電子透鏡秕栓。光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)是固定的,而電子透鏡的焦點(diǎn)可以被調(diào)節(jié)更启,因此電子顯微鏡不象光學(xué)顯微鏡那樣有可以移動(dòng)的透鏡系統(tǒng)⌒先耄現(xiàn)代電子顯微鏡大多采用電磁透鏡,由很穩(wěn)定的直流勵(lì)磁電流通過帶極靴的線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場使電子聚焦趴荸。電子源是一個(gè)釋放自由電子的陰極儒溉,柵極,一個(gè)環(huán)狀加速電子的陽極構(gòu)成的赊舶。陰極和陽極之間的電壓差必須非常高睁搭,一般在數(shù)千伏到3百萬伏之間。它能發(fā)射并形成速度均勻的電子束笼平,所以加速電壓的穩(wěn)定度要求不低于萬分之一园骆。
樣品可以穩(wěn)定地放在樣品架上。此外往往還有可以用來改變樣品(如移動(dòng)寓调、轉(zhuǎn)動(dòng)锌唾、加熱、降溫  電子顯微鏡
夺英、拉長等)的裝置晌涕。
探測器用來收集電子的信號(hào)或次級信號(hào)。
真空裝置用以保障顯微鏡內(nèi)的真空狀態(tài)痛悯,這樣電子在其路徑上不會(huì)被吸收或偏向余黎,由機(jī)械真空泵、擴(kuò)散泵和真空閥門等構(gòu)成凄在,并通過抽氣管道與鏡筒相聯(lián)接才擒。
電源柜由高壓發(fā)生器、勵(lì)磁電流穩(wěn)流器和各種調(diào)節(jié)控制單元組成舞懦。[

2善瞧、電子顯微鏡的種類:
電子顯微鏡按結(jié)構(gòu)和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡毕蕉、反射式電子顯微鏡和發(fā)射式電子顯微鏡等蓬肢。
透射式電子顯微鏡常用于觀察那些用普通顯微鏡所不能分辨的細(xì)微物質(zhì)結(jié)構(gòu);掃描式電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌乙笛,也能與X射線衍射儀或電子能譜儀相結(jié)合魂中,構(gòu)成電子微探針,用于物質(zhì)成分分析刽室;發(fā)射式電子顯微鏡用于自發(fā)射電子表面的研究香题。[1]
透射電子顯微鏡
因電子束穿透樣品后承跟,再用電子透鏡成像放大而得名。它的光路與光學(xué)顯微鏡相仿绊寻,可以直接獲得一個(gè)樣本的投影花墩。通過改變物鏡的透鏡系統(tǒng)人們可以直接放大物鏡的焦點(diǎn)的像。由此人們可以獲得電子衍射像澄步。使用這個(gè)像可以分析樣本的晶體結(jié)構(gòu)冰蘑。在這種電子顯微鏡中,圖像細(xì)節(jié)的對比度是由樣品的原子對電子束的散射形成的村缸。由于電子需要穿過樣本祠肥,因此樣本必須非常薄。組成樣本的原子的原子  電子顯微鏡觀測圖
量梯皿、加速電子的電壓和所希望獲得的分辨率決定樣本的厚度仇箱。樣本的厚度可以從數(shù)納米到數(shù)微米不等。原子量越高东羹、電壓越低剂桥,樣本就必須越薄。樣品較薄或密度較低的部分属提,電子束散射較少权逗,這樣就有較多的電子通過物鏡光欄,參與成像冤议,在圖像中顯得較亮僵馒。反之,樣品中較厚或較密的部分粪畔,在圖像中則顯得較暗绸秸。如果樣品太厚或過密,則像的對比度就會(huì)惡化支际,甚至?xí)蛭针娮邮哪芰慷粨p傷或破壞匠似。
透射電鏡的分辨率為0.1~0.2nm,放大倍數(shù)為幾萬~幾十萬倍钉拯。由于電子易散射或被物體吸收漓惕,故穿透力低榕诬,必須制備更薄的超薄切片(通常為50~100nm)决榔。
透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍,電子由鎢絲熱陰極發(fā)射出菜犀、通過*乡鼻,第二兩個(gè)聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品后由物鏡成像于中間鏡上栽斑,再通過中間鏡和投影鏡逐級放大艇挨,成像于熒光屏或照相干版上残炮。中間鏡主要通過對勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié),放大倍數(shù)可從幾十倍連續(xù)地變化到幾十萬倍缩滨;改變中間鏡的焦距势就,即可在同一樣品的微小部位上得到電子顯微像和電子衍射圖像。[2]
掃描電子顯微鏡
掃描電子顯微鏡的電子束不穿過樣品脉漏,僅以電子束盡量聚焦在樣本的一小塊地方苞冯,然后一行一行地掃描樣本。入射的電子導(dǎo)致樣本表面被激發(fā)出次級電子侧巨。顯微鏡  電子顯微鏡圖3
觀察的是這些每個(gè)點(diǎn)散射出來的電子舅锄,放在樣品旁的閃爍晶體接收這些次級電子,通過放大后調(diào)制顯像管的電子束強(qiáng)度司忱,從而改變顯像管熒光屏上的亮度皇忿。圖像為立體形象,反映了標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)坦仍。顯像管的偏轉(zhuǎn)線圈與樣品表面上的電子束保持同步掃描鳍烁,這樣顯像管的熒光屏就顯示出樣品表面的形貌圖像,這與工業(yè)電視機(jī)的工作原理相類似堆嘿。由于這樣的顯微鏡中電子不必透射樣本与笛,因此其電子加速的電壓不必非常高。
掃描式電子顯微鏡的分辨率主要決定于樣品表面上電子束的直徑技乡。放大倍數(shù)是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比得惩,可從幾十倍連續(xù)地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品技碍;圖像有很強(qiáng)的立體感皇苫;能利用電子束與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的次級電子、吸收電子和X射線等信息分析物質(zhì)成分云许。[3-4]
掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用烈拉。當(dāng)一束高能的人射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí),被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子辣候、俄歇電子牛拭、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子大熟、透射電子割扬,以及在可見、紫外偿荷、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射窘游。同時(shí),也可產(chǎn)生電子-空穴對跳纳、晶格振動(dòng)(聲子)忍饰、電子振蕩(等離子體)贪嫂。[4]

3、電子顯微鏡的發(fā)展歷史:

1926年漢斯·*研制了*個(gè)磁力電子透鏡艾蓝。
1931年厄恩斯特·盧斯卡和馬克斯·克諾爾研制了*臺(tái)透視電子顯微鏡力崇。展示這臺(tái)顯微鏡時(shí)使用的還不是透視的樣本,而是一個(gè)金屬格赢织。1986年盧斯卡為此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)餐曹。  世界*臺(tái)電子顯微鏡
1934年鋨酸被提議用來加強(qiáng)圖像的對比度。
1937年*臺(tái)掃描透射電子顯微鏡推出敌厘。一開始研制電子顯微鏡zui主要的目的是顯示在光學(xué)顯微鏡中無法分辨的病原體如病毒等台猴。
1938年他在西門子公司研制了*臺(tái)商業(yè)電子顯微鏡。
1949年可投射的金屬薄片出現(xiàn)后材料學(xué)對電子顯微鏡的興趣大增俱两。
1960年代投射電子顯微鏡的加速電壓越來越高來透視越來越厚  電子顯微鏡
的物質(zhì)饱狂。這個(gè)時(shí)期電子顯微鏡達(dá)到了可以分辨原子的能力。
1980年代人們能夠使用掃描電子顯微鏡觀察濕樣本舶酒。
1990年代中電腦越來越多地用來分析電子顯微鏡的圖像装魁,同時(shí)使用電腦也可以控制越來越復(fù)雜的透鏡系統(tǒng),同時(shí)電子顯微鏡的操作越來越簡單缰橘。[1][5]
 

4逐程、4、電子顯微鏡的缺點(diǎn)
在電子顯微鏡中樣本必須在真空中觀察赞拼,因此無法觀察活樣本飒自。隨著技術(shù)的進(jìn)步,環(huán)境掃描電鏡將逐漸實(shí)現(xiàn)直接對活樣本的觀察璃锻。
在處理樣本時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生樣本本來沒有的結(jié)構(gòu)秘驻,這加劇了此后分析圖像的難度;
由于電子散射能力*玫葡,容易發(fā)生二次衍射等戳明;
由于為三維物體的二維平面投影像,有時(shí)像不*碴穴;
由于透射電子顯微鏡只能觀察非常薄的樣本赋焕,而有可能物質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同;
超薄樣品(100納米以下)仰楚,制樣過程復(fù)雜隆判、困難,制樣有損傷缸血;
電子束可能通過碰撞和加熱破壞樣本蜜氨;
此外電子顯微鏡購買和維護(hù)的價(jià)格都比較高械筛。

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