的叙述。也不难对这一过程，进行较为严格的定量描述。设垂直 于电镜轴Z的平面上，电子的坐标为[r(2),&(2)门，、日均可表示 为：的函数。考虑到电镜观察时，利用近轴电子束，很小，因此 和dr/dz的高次项均可忽略，于是有： d dz e一H对 8%E. (1-5a) do =(e/8mEr)12丑 dz (1-5b) 式中：I。是磁场强度的轴向分量；m是电子静止质量；，是表征 电子能量的电压，它与加速电压V的关系是： B,≈V(1+10-V) (16) (15b)式表明，在磁场作用下，运动电子将绕Z轴发生旋转，最终 像矢相对于物矢旋转一个0角。由于0与无关，故从物面上各点 出发的电子，均绕轴作同一角度旋转。了解这一点是十分重要的， 后面将要介绍的衍衬工作中，在对晶体试样作品体学分析时，必须 对这种像的旋转进行校正。不难看出，励磁越强，日越大；电子加 速电压越高，电子运动速度越快，B也越大。 鉴于本书读者主要是使用电镜进行研究的工作者，对透镜聚 焦原理，只作了以上定性讨论，关于电子光学的严格数学处理，可 参见文献[2]。 §13电子显微镜的构造 电子显微镜由如下几个部分组成： 照明系统：包括电子枪和会聚透镜： 成象系统：包括物镜、中间镜和投影锐； 记录系统：包括常规照相、快速摄影和其它显示装置等； 真空系统：保证镜体有足够的真空度； 电器系统：包括高压电源、透镜电源、真空系统电源和其它电 器部件。 PbF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建w.fineprint.cn
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
一、照明系统 照明系统由发射并使电子加速的电子枪和会聚电子束的会聚 透镜组成。 对电子枪的要求是：高亮度、小截面和高稳定性。它包括一个 发卡形灯丝或点状灯丝和三个电极：阴极（即灯丝）、阳极和栅极， 如图16。灯丝一般由直径0.1m左右的钨丝制成，这是由于 钨的溶点高(>3400C)、寿命长、逸出功低、发射效率高。要使金 属中的自由电子脱离阳离子束缚离开表面，必须使金属丝升温，以 便电子获得足够能量。物理学上把使电子完全逸出表面，克服束 缚阻力所作的功，称为逸出功。不同金属材料，有其特定的逸出功 值。金属表面单位面积发射的电了数与逸出功W存在如下关 系： n=ATEe-w/kT (1-7) 阳极 (十) (a) 图1-8电子显微镜的电子枪 T是绝对温度，4和无都是常数。逸出功的单位是电子伏特。逸出 功越低，在给定的灯丝温度下，发射电子数也越多。钨、氧化锶和 氧化钡的混合物，都属于这一类。随着灯丝工作温度的波动，发射 电子也不稳定。就钨丝面言，达到正常工作温度2600K以后，温 度每增加100K,电子数目就将增加一倍，这将导致照明亮度不稳 48· PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
定。所以设计电子枪时，保证稳定的阴极发射是十分重要的。近 代高性能电镜，多采用高稳定度直流电源，供给灯丝加热，有助子 提高照明亮度的稳定性。在正常工作情祝下，灯丝平均寿命应不 低于200小时，不适当地加大灯丝电流，不仅无助于提高灯丝的发 射效率，而且反会降低灯丝寿命。近年来，日本等国的电镜制造工 厂，为了提高灯丝亮度，在高性能电镜上，有采用IaB。灯丝的趋 势。但它要求10-°托以上的真空度，故在常规电镜上普遍采用似 乎尚有一定困难。此外，利用单晶钨丝制造灯丝也尚在试验中。 图16(a)中，S是栅极，亦称韦氏(Wehnelt)圆简；A为阳 极。栅极和阳极都做成中心开孔圆筒状。在阴极和阳极之间加高 压，栅极和阴极之间加一负偏压。阳极为零电位，阴极为负高压， 栅极更负于阴极儿于伏。栅极的作用类似电子管中栅极的作用。 电子枪的特性决定于灯丝材料和形状设计，以及三电极的相对位 置和电位分配。从灯丝发出的电子，经电压加速后，经由偏压电阻 丑：加给栅极一负偏压，对电于轨道起着控制作用。调节栅偏压 还可获得电子束的最小裁面。这个最小截面，称为交叉截面。电 流密度、照明亮度因交叉截面缩小而提高。 在电子枪下面是一个或两个会案透镜。会聚镜的作用：一是 提高电流密度，缩小电子束截面，减少样品照射面积；二是尽可能 减小电子束照射到样品上的入射孔径角，获得近似平行的电子束。 近代高性能电镜都采用双会聚镜系统，如图1-7()所示。第一会 1 聚镜OL:是短焦距强励磁透镜，作用是把直径为40~50比的有 效光源（即交叉裁面）缩小到1~2wm,这就是光源经OL1后得到 1 的象。第二会聚镜O工g为长焦距弱透镜，它将上述得到的1~2 um的光源象会聚到试样上，这时聚焦光斑直径约为10um左右。 I 如仅用一个会聚镜时，则将使聚焦光斑直径达到50w血甚至更 大。由于口L?减小了照明孔径角，照明电子束的平行性得到了极 大的改善。会聚镜电流与照明孔径角之间的关系，如图1-7()所 示。曲线平顶相当于稍过焦一正焦一稍欠焦之间的状态，孔径角在 1 正焦附近的很小范围内保持不变，平顶两侧，孔径角很快下降。透 。9· PbF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建m.fineprint..cn
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
变艾截一 (40~5021n) '(12m) 孔径角 颗明密度 UI-- 欠焦 正焦欠焦透统饱和点 10wm) 透镜电流一 (b) (a) 图1-7双会聚镜照明系统 镜电流达到饱和点和关闭透镜时，孔径角最小。值得指出的是，采 用双会聚镜，虽然能够得到较小的光斑，但光雍亮度和电流密度不 会增强。这是因为在双会聚镜情况下，照明面积虽有了显著减小， 但由电子枪发射的电子束中被OL会聚的部分也相应地减少了， 如图1-7(a)中实线所示。 由以上讨论可知，双会聚镜的主要优点在于： (1)扩大了光斑尺寸的变化范围，由一、两个微米到几十微 米。在不同放大率下，可以通过改变第一会聚镜的电流，选择所需 要的光斑处寸。 (2)由于试祥被照射面积减小，可以减少试样温升，防止试样 被烧坏，这对观察金属薄膜更是十分重要。 (3)观察时可以改变第二会聚镜电流，使光束案焦在试样上， 以得到最大照明孔径角和电流密度，这时图象亮面景深短，易于调 焦。照相时，又可以使第二会聚镜散焦，减小照明孔径角，使其远 小于与最高分辨率相应的最佳孔径角。这对拍摄高质量衍射照片 尤为重要。 二、成象系统 电子显微镜的成象系统由物镜、中间桃（一个或两个）和投影 。10· PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
物点 平面透镜五 强度下降19% 象平面 图1-8 Lord Rayleigh关于分辨本瓴的定义 镜（一个或两个）组成。 (一)基本性能指标 在具体讨论成象系统以前，先介绍描述电镜性能的两个基本 指标。 1.分辨本领 它表示电子显微镜能够分辨试样上两个极为靠近的细节的能 力。关于分辨本领的较为严格的定义，虽能列举若干，但下面仅就 Lord Rayleig凸提出的建议进行介绍。参见图1-8，设有两个极为 靠近的物点A和B,由于衍射和象差的缘故，来自它们的射线，经 过透镜的作用，在象平面上形成两个强度极大的亮斑A'和B',对 1 应地会看到两个模糊圆，它们中间有一个重迭送部分。定义重迭部 分的强度为A'或B'的81%时，认为A和B的象4'和B'是可分 辨的。于是规定此时A和B间的距离为透镜工的分辨本领。通常 我们说某电镜的分辨本领是1.4A,即是说试样上相距仅为1.4A 的两点，电镜成象时仍能将它们分辨。显然，此植愈小，电镜性能 愈高。 下面简要讨论影响电镜分辩本领的主要因素。电镜的分辨本 1 领主要取决于物镜的性能；而物镜的理论分辨本领又受球差和衍 I 射误差控制8。球差与物镜孔径角o三次方成正比，衍射误差与 成反比。当孔径角等于最佳值，即 1 ,11。 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn