2.1电子光学基础.ppt

第二篇第二篇材料电子显微分析材料电子显微分析第八章第八章电子光学基础电子光学基础8.1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜u光学显微镜的分辨率极限光学显微镜的分辨率极限分辨率分辨率：指成像物体（试样）上能分辨出来：指成像物体（试样）上能分辨出来的两个物点间的最小距离。的两个物点间的最小距离。光学显微镜的光学显微镜的分辨率分辨率为：为：由此可知，在可见光波长范围内，由此可知，在可见光波长范围内，光学显微镜光学显微镜分辨率的极限为分辨率的极限为200nm。根据根据分辨率公式分辨率公式可知，要提高显微镜的分辨可知，要提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。率，关键是降低照明光源的波长。比可见光波长比可见光波长更短更短的有：的有：紫外线紫外线波长在波长在0400nm之间，会被物体之间，会被物体 强烈的吸收；强烈的吸收；X射线射线迄今为止还没有能使迄今为止还没有能使X射线改变方射线改变方 向、发生折射和聚焦成像的物质，向、发生折射和聚焦成像的物质，即没有即没有X射线的透镜存在；射线的透镜存在；电子波电子波u电子波的波长特性电子波的波长特性1924年法国物理学家德布罗意提出：运动的年法国物理学家德布罗意提出：运动的微观粒子（如电子、质子等）都有一种波与微观粒子（如电子、质子等）都有一种波与之对应，并认为粒子的特征波长之对应，并认为粒子的特征波长与与动动量量P之之间间的关系的关系应应当与光子的相同，当与光子的相同，联联系系这这种波的种波的关系式是：关系式是：初速度为零的电子初速度为零的电子,受到电场受到电场V的加速，获得的加速，获得的能量为：的能量为：由此得到初速为零的电子受加速电场作用后由此得到初速为零的电子受加速电场作用后 的速度为的速度为V较低时，电子速度远远小于光速，较低时，电子速度远远小于光速，mm0，带，带入常数得：入常数得：电子波长与其加速电压的平方根成反比。电子波长与其加速电压的平方根成反比。V越越高，高，越短。越短。V很高时，相应电子速度极高，很高时，相应电子速度极高，mm0，引入，引入相对论校正：相对论校正：对于高能电子束，计算对于高能电子束，计算必须必须修正。修正。表表1 不同加速电压下的电子波长不同加速电压下的电子波长加速电压加速电压/kV2030501002005001000电子波长电子波长/10-3nm8.596.985.363.702.511.420.87当加速电压为当加速电压为100kV时，电子束的波长约为可见光时，电子束的波长约为可见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明光源，显微镜的分辨率要高得多。其分辨率为：源，显微镜的分辨率要高得多。其分辨率为：r0=1/23.710-3 nm=0.00185 nm电磁透镜电磁透镜：用磁场使电子波聚焦成像的装置。：用磁场使电子波聚焦成像的装置。u电磁透镜电磁透镜电磁透镜的聚焦原理电磁透镜的聚焦原理通电的短线圈就是一个简单的电磁透镜，它通电的短线圈就是一个简单的电磁透镜，它能造成一种轴对称非均匀磁场。穿过线圈的能造成一种轴对称非均匀磁场。穿过线圈的电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近轴运动。电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近轴运动。而一束平行于主轴的入射电子束通过电磁透而一束平行于主轴的入射电子束通过电磁透镜时将被聚焦在主轴的某一点，即焦点。镜时将被聚焦在主轴的某一点，即焦点。图图1 电磁透镜的聚焦原理示意图电磁透镜的聚焦原理示意图提高电磁透镜聚焦能力的措施提高电磁透镜聚焦能力的措施：将软线圈装：将软线圈装载软磁材料（低碳钢或纯铁）制成的具有内载软磁材料（低碳钢或纯铁）制成的具有内环形壳子里。环形壳子里。a）b）c）图图2 有极靴电磁透镜有极靴电磁透镜a)极靴组件分解极靴组件分解 b)有极靴电磁透镜剖面有极靴电磁透镜剖面c)三种情况下电磁透镜轴向磁感应强度分布三种情况下电磁透镜轴向磁感应强度分布电磁透镜物距（电磁透镜物距（L1）、像距（）、像距（L2）、焦距）、焦距（f）、放大倍数（）、放大倍数（M）之间关系之间关系为：为：电磁透镜的电磁透镜的焦距（焦距（f）为：）为：式中（式中（IN）为电磁透镜励磁安匝数。）为电磁透镜励磁安匝数。电磁透镜是一种电磁透镜是一种变焦距变焦距或或变倍数变倍数的会聚透镜，的会聚透镜，这是有别于光学玻璃凸透镜的一个特点。这是有别于光学玻璃凸透镜的一个特点。8.2 电磁透镜的像差与分辨率电磁透镜的像差与分辨率u像差像差像差分为像差分为几何像差几何像差和和色差色差两类。两类。几何像差几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而 造成。要指造成。要指球差球差和和像散像散。色差色差：由于电子波的波长或能量的非单一性而：由于电子波的波长或能量的非单一性而 造成。造成。球差球差由于电磁透镜的由于电磁透镜的中心区域中心区域和和边缘区域边缘区域对电子的对电子的会聚能会聚能力不同力不同而造成的。而造成的。球差引起的散射圆斑最小半径为：球差引起的散射圆斑最小半径为：式中，式中，Cs为球差系数，为球差系数，为孔径半角。由此可知，为孔径半角。由此可知，减减小球差可通过减小小球差可通过减小Cs和缩小和缩小来实现来实现。由由透镜磁场的非旋转对称透镜磁场的非旋转对称而引起。而引起。透镜磁场不对称，透镜磁场不对称，可能是由于极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制可能是由于极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制造极靴的材料材质不均匀及极靴孔周围局部污染等原造极靴的材料材质不均匀及极靴孔周围局部污染等原因引起的。因引起的。像散像散像散引起的散射圆斑最小半径为：像散引起的散射圆斑最小半径为：式中式中fA为像散引起的最大焦距差。为像散引起的最大焦距差。像散可通过像散可通过消像散器消像散器来校正。来校正。由于由于入射电子波长（或能量）的非单一性入射电子波长（或能量）的非单一性造成。造成。色差色差色差色差色差引起的散射圆斑最小半径为：色差引起的散射圆斑最小半径为：式中式中 为色差系数；为色差系数；为电子束能量变化率。为电子束能量变化率。引起电子束能力波动的引起电子束能力波动的原因原因有：一加速电压不稳定；有：一加速电压不稳定；二电子束与试样相互作用，一部分发生非相干散射，二电子束与试样相互作用，一部分发生非相干散射，使能量损失。使能量损失。采用采用薄试样薄试样（非相干散射机会少）和利用（非相干散射机会少）和利用小孔径光阑小孔径光阑（散射角大的被挡）有助减少色差。（散射角大的被挡）有助减少色差。注意：注意：电子透镜中，电子透镜中，球差对分辨率的影响最为重要球差对分辨率的影响最为重要，没有一种简便的方法使其矫正。没有一种简便的方法使其矫正。像散与色差只要在设计、制造、使用时采取适像散与色差只要在设计、制造、使用时采取适当的措施，基本可消除。当的措施，基本可消除。u分辨率分辨率电磁透镜的分辨率由电磁透镜的分辨率由衍射效应衍射效应和和球面像差球面像差决定。决定。衍射效应衍射效应像差像差令令 得最佳得最佳对衍射效应对衍射效应的分辨率和球的分辨率和球差的分辨率的差的分辨率的影响是相反的。影响是相反的。电磁透镜的分辨率为电磁透镜的分辨率为 的典型值约为的典型值约为0.250.3nm，高分辨条件，高分辨条件下可达约下可达约0.15nm；目前最佳电镜分辨率只能；目前最佳电镜分辨率只能达达0.1nm左右。左右。8.3 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的特点是电磁透镜的特点是景深（或场深）大，焦长很长景深（或场深）大，焦长很长。这是由于小孔径角成像的结果。这是由于小孔径角成像的结果。景深景深：即：即透镜物平面允许的轴向偏差。透镜物平面允许的轴向偏差。焦长焦长：即即透镜像平面允许的轴向偏差。透镜像平面允许的轴向偏差。u景深景深景深景深Df与分辨率与分辨率r0、孔径半角、孔径半角之间的关系：之间的关系：这表明，这表明，越小，越小，Df越大越大。一般电磁透镜。一般电磁透镜=10-2-10-3rad，若，若r0=1nm，则，则Df=200-2000nm。在景深范围。在景深范围内，样品的各部位细节都可得到清晰的像。电磁透内，样品的各部位细节都可得到清晰的像。电磁透镜景深越大，对于图像的聚焦操作（尤其是高放大镜景深越大，对于图像的聚焦操作（尤其是高放大倍数下）是非常有利。倍数下）是非常有利。焦长焦长DL与分辨率与分辨率r0、像点所张的孔径半角、像点所张的孔径半角之间的之间的关系：关系：可见，焦长是很大的可见，焦长是很大的。若若r0=1nm，=10-2rad，M=200，则，则DL=8mm。因此，在用倾斜观察屏观察因此，在用倾斜观察屏观察像时，以及当照相底片不位于观察屏同一像平面时，像时，以及当照相底片不位于观察屏同一像平面时，所拍照的像依所拍照的像依然是清晰的。然是清晰的。u焦长焦长