透射電子顯微鏡的結構與成像原理
圖1 透射顯微鏡構造原理和光路
(a)透射電子顯微鏡; (b)透射光學顯微鏡
圖1 為透射電子顯微鏡和光學顯微鏡的光路系統示意圖。兩者的光學成象原理是相同的。透射電鏡和光學顯微鏡之間的差別主要有下列幾個方面：
(1) 透射電鏡的照明光源是電子束，光學顯微鏡的照明光源是可見光;
(2) 透射電鏡是用電磁透鏡來聚焦的，而光學顯微鏡是用玻璃透鏡來聚焦;
(3) 透射電鏡的物鏡和投影鏡(相當于目鏡)之間裝有一個中間鏡，中間鏡的引入不僅可以調節放大倍數，而且可以進行電子衍射操作;
(4) 透射電鏡中電子束形成的象只能在熒光屏上才能顯示出來，而光學顯微鏡中可見光形成的象是在毛玻璃或白色屏幕上顯示出來。
(5) 為使電子能自由運動，不受與氣體分子碰撞的影響，電子顯微鏡鏡筒內必須保持很高的真空。
透射電子顯微鏡由電子光學系統、電源與控制系統及真空系統三部分組成。
電子光學系統通常稱鏡筒，是透射電子顯微鏡的核心。它分為三部分，即照明系統、成像系統和觀察記錄系統。圖2是JEM -2101F 透射電子顯微鏡的外觀和鏡筒剖面示意圖。
(a)
(b)
圖2 JEM -2101F 透射電子顯微鏡外觀和鏡筒剖面示意圖
一、照明系統
照明系統主要由電子槍、聚光鏡、電子束平移和傾斜裝置組成。其作用是提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度好、束流穩定的照明源。為滿足明場和暗場成像要求，照明束可在2～3o范圍內傾斜。
(1)電子槍
電子槍是發射電子的照明光源，它實際上是一個由陰極、柵極和陽極組成的靜電透鏡。如圖3所示，電子槍的陽極接地，陰極加上了負高壓(-50~200kv)，柵極加上比陰極負幾百至幾千伏的偏壓。電子槍為一個自偏壓回路，起限制和穩定束流的作用。
(a)自偏壓回路 (b)電子槍內的等位面
圖3 電子槍
(2)聚光鏡
圖4 雙聚光鏡的原理圖
聚光鏡用來會聚電子槍射出的電子束，減小樣品被照射面積，調節照明強度、孔徑角和光斑大小。現在高性能的電子顯微鏡一般都采用雙聚光鏡系統，如圖8-4所示。第一聚光鏡是強激磁、短焦距的透鏡，可將電子槍光斑縮小10~50倍;而第二聚光鏡是弱激磁、長焦距透鏡，適焦時放大倍數為2倍左右。如果電子槍第一交叉點的光斑直徑為50μm，在樣品平面上可獲得2~10μm的照明電子束斑。雙聚光鏡系統還使得在第二聚光鏡與物鏡之間有足夠的空間來安放樣品臺和其它附件。
二、成像系統
成像系統主要由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。
(1)物鏡
物鏡是最關鍵的透鏡，用來形成樣品的第一次放大象。物鏡是一個強激磁、短焦距(f=1~ 3mm )的物鏡，放大倍數較高，一般為100 ~300倍。
透射電子顯微鏡分辨率的高低主要取決于物鏡的質量。物鏡的分辨率主要取決于極靴的形狀和加工精度。一般來說，極靴的內孔和上下極靴之間的距離越小，物鏡的分辨率越高。目前高質量的物鏡分辨率可達0.1nm。
(2)中間鏡
中間鏡是一個弱激磁、長焦距的變倍透鏡。中間鏡的作用有2個：
(1) 調節放大倍數。電子顯微鏡的總放大倍數是各級透鏡放大倍數的乘積，在電鏡操作過程中，通過改變中間鏡的放大倍數(0~20倍)可以在相當大的范圍內(如2000~200000倍)改變電鏡的總放大倍數。
(2) 選擇透射電子顯微鏡中的成像操作和電子衍射操作。如圖8-5所示，如果中間鏡的物平面和物鏡的象平面重合，則在熒光屏上得到一張清晰的放大象，這就是電子顯微鏡的成像操作;如果中間鏡的物平面和物鏡的后焦面重合，則在熒光屏上得到的是一幅電子衍射花樣，這就是透射電子顯微鏡中的電子衍射操作。成像操作和電子衍射操作的轉換，是在固定中間鏡的象距L2不變的情況下，通過改變中間鏡的激磁電流而改變焦距f來實現的。
高倍放大 (b)電子衍射
圖5 成像系統光路
(3)投影鏡
投影鏡的作用是把經中間鏡放大(或縮小)的象(或電子衍射花樣)進一步放大，并投影到熒光屏上。它是一個短焦距的強激磁透鏡，它的景深和焦長都非常大。
三、觀察和記錄系統
觀察和記錄系統包括熒光屏和照相裝置，在熒光屏下面有一個可以自動換片的照相暗盒。照相時只要將熒光屏垂直豎起，電子束即可使照相底片曝光。由于透射電子顯微鏡的焦長很大，雖然熒光屏和底片之間有數十厘米的間距，當熒光屏上觀察到的圖象聚焦清楚時，仍能保證底片上的圖象清晰。
電子顯微鏡工作時，整個電子通道都必須處于真空中。新式的電子顯微鏡中電子槍、鏡筒和照相室之間都裝有氣閥，各部分都可單獨抽真空，因此在更換燈絲、清洗鏡筒和更換底片時，并不破壞其它部分的真空狀態。
電源和控制系統主要包括三部分：燈絲電源和高壓電源，使電子槍產生穩定的高能照明電子束;各電磁透鏡的穩壓穩流電源，使各電磁透鏡具有高的穩定度;電氣控制電路，用來控制真空系統、電氣合軸、自動聚焦、自動照相等。
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