§1-2电子光学原理简述 从功能利和工作原理上讲，电子显微镜与光学显微镜是相同的。 照明深（灯泡） 电于杵 聚光镜一 试样 试静 物较 物 物技光栏 次家 “次術射谁 视场光拦 中间镜 冲吵 放大象 二次单 二次研射峰 4四 投形统一 月镜 最终象 装终街射请 《e) (b) (e) 图1-1电子显做键和光学显微镜的比较 ()光学显微镜；(b)电子显做镜上成象；〔©)电子显微镜上进行电子衍赋 ◆2 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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其功能都是将细小物体放大至肉眼可以分辨的程度；工作原理也 都遵从射线的阿贝成象原理。下面先将电子显微镜和光学显微镜 作一比较，然后简要介绍电子光学的主要原理。 图1-1是两种显微镜主要组成部分和光路示意图。表1-1扼 要概括了它]的异同。从图1-1和表1-1可以看出，它们的主要 不同点在：光学显微镜采用普通可儿光作光源，电子显微镜则用 电子束作为射线源，从这点出发，构成了它不同于光学显微镜的 一 系列特点。由于电子波长很短，其分辨本领高得多。电子波通过 物质，遵从布拉格定律，严生行射现象，借此可以对晶体物质进行 绪构分析；光学显微镜却只能观祭试样表面。为诚少运动电子能 量锁失，电子显微镜整个系统必须处在真空下工作；光学显微镜则 没有这个耍求。此外，电子显微镜成象的衬度机理也不同于光学 显微铠，电子射线与物质相互作用时提供的信息也要丰富得多，利 用这信息对物质进行研究，使电子显微镜已发展成为一种完整 的分析系统。 为了了解电磁透镜的聚焦成象原理，有必要考察运动电了在 磁场中的受力惰况和运动轨迹。在一个在意磁场中，电子的运动 轨迹是十分复杂的，但经待殊设计的电磁透镜中心被利用的预小 区域，可以视为均匀磁场的情况。电了通过均匀磁场时，一般有以 表【-1电子显微镜与光学显微镜比较 项雪 电子能微欲 光学显微锐 射线原 电子束 可见光 波长 0.05891(20zV)0.0251且(200kV) 7500A(可无光)~2000A (紫外线) 介历 填产 大气 透梵 日透镜（或静电透镜） 玻璃透镜 孔径角 35′ 70° 分辨本领（最佳） 点分并本领3.5且，晶格分染本领~1A 可见光2000A,紫外线 1000星 放大率 几百倍~1000000倍 10倍~2000倍 张焦方式 电磁控制，电子计算机控制 机械操作 衬度 散射圾收，行射和相位衬度 吸收、反射衬度 3 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建www.fineprint.cn
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下三种情况： (1)电子沿磁场方向入射，沿这个方向作匀速直线运动。 (②)电子沿垂直于磁场的方向入射，则电于在一个平面内作 圆周运动，此平面[图1-2(a)中打阴影线的平面]垂直于包含入射 方向和磁力线方向的平面。设电子运动速度为心，磁通密度为B, 电子电街为a,质量为m,则作用在电子上的力是vB,在数值上它 正好等于使电子作半径为容的圆周运动的向心力m/。如果令 电子的比电荷为刀=6/，那么轨迹圆的半径”可以表示为： r=、w eB nB (1-1) 。 磁力线 (a) (b) 图1-2电子E切 由(1-1)式可知，在恒磁场B下，分正比于电子运动速度”，速度大 的电子，轨迹圆半径大，速度小的电子半径也小，如图1-2（⑦）。如 有若干电子以不同速度和方向（但都垂直」磁场方向）同时从同一 点P入射，则各电子运动一周所需的时间x是： T=2rp=2加 B (1-2) 可见恒磁场下是一个常数。这就是说速度不同的电子将同时回 到出发点P,它们的角速度是一个常量。这对解释电磁透镜对运 动电子其有聚焦作用，是一个十分重要的结论。 (3)电子相对于磁场方向戌仁意角度入射，这时电子的运动 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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可以看成沿磁场方向的匀速直线运动剂垂直于磁场方向的周运 动的合成。最终轨迹是螺旋线，如图1-3。电于以速度~和磁 场B成a角入射，则可以分解为沿B方向的分量巴，和垂直于 B方向的分量g。电子一方面以。匀速直线前进，另一方面以y 作圆周运动，这两种运动合成，形成以PP’为轴的螺旋轨迹(PP 在同一磁力线上)。由(1-1)式可知，圆形轨迹的半径？是： B 7B (1-3) (a () 图1-3电子相对于磁场方向倾斜一个角度入射时的运动轨迹 在电镜中，通常利用近轴电子束成象，所以x很小，故心=uC0x ≈。可见同时从P点出发但夹角a不同的两束电子口和[图1- 8()],由于它们的≈巴，·近似相等，因此a和b将同时到达P 点。这就是均匀磁场能使运动电子束聚焦成象的基础。不难看出， PP可以表示为： PP'u年2ru/(B).2下9.· ·(14) 将(14)式与1-1)式进行比较：.可知P正好等于电子以速度w 且垂直于磁力线方向入时，.作圆运动的圆网长。：如果有许多 …5, PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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方向略异的电子束从P点出发，则它们的轨迹可表示如图1一 .3(b)。 极 (b) (c) 图14电磁透镜结格的发过程 由以上讨论可知，均匀磁场对运动电子的聚焦作用，与玻璃透 镜对可见光的聚焦作用相似。那么怎样设计具有这种性能的电磁 透镜呢？当前的电磁透镜是逐步发展完善起来的。最早的也是最 简单的一种设计如图1~4()所示，它实际上只是一个多层绕线空 心线包，显然无法获得均匀的磁场分布。图(b)则是对()的改进， 它将线包封闭在一个内侧开有空隙的软铁壳中，以屏蔽磁力线，减 少磁，而空隙的作用是使磁感尽可能集中。图（©）是近代电子显 微镜普遍采用的比较理想的电磁透镜，它除铁壳内侧同样开有空 隙外，还在空隙处加入一个由 被磁化到接近饱和的高导磁材 磁力线 料制成的极靴，上下极靴间留 有更窄的空隙，使磁力线进一 步会聚，获得近似均匀的磁场， 极靴 从面形成了近似理想的“薄透 图1-5极靴间隙处的磁场分布和 镜”。总之，有了极靴以后，极大 电子的运动轨迹 地改善了磁透镜的聚焦性能， 提高了电子显微镜的分辨本领。极靴材料的选择、设计合理与否 及其加工精度，都直接影响电子显微镜的性能，因此；人们常把极 靴称作电子显微镜的心脏，对它的设计给予高度的重视。极靴间 隙处的磁场分布和电子通过时的运动错况，示意于困1-5。 以上对轴对称均匀磁场聚焦特生的电子光学原理，作了简耍 -6 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建www.fineprint.cn
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