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透射电子显微镜的结构及成像

913000730018鲁皓辰

一、实验目的

1）了解透射电子显微镜的基本结构； 2）熟悉透射电子显微镜的成像原理； 3）了解基本操作步骤。 二、实验内容

1）了解透射电子显微镜的结构；

2）了解电子显微镜面板上各个按钮的位置与作用； 3）无试样时检测像散，如存在则进行消像散处理；

4）加装试样，分别进行衍射操作、成像操作，观察衍射花样和图像； 5）进行明场、暗场和中心暗场操作，分别观察明场像、暗场像和中心暗场像。 三、实验仪器设备与材料

JEM-2100F型TEM透射电子显微镜 四、实验原理

图1JEM-2100F型透射电子显微镜

一）透射电镜的基本结构

透射电镜主要由电子光学系统、电源控制系统和真空系统三大部分组成，其中电子光学系统为电镜的核心部分，它包括照明系统、成像系统和观察记录系统组成。 1）照明系统

照明系统主要由电子枪和聚光镜组成，电子枪发射电子形成照明光源，聚光

镜是将电子枪发射的电子会聚成亮度高、相干性好、束流稳定的电子束照射样品。 2）成像系统

成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。 3）观察记录系统

观察记录系统主要由荧光屏和照相机构组成。 二）主要附件

1）样品倾斜装置（样品台)

样品台是位于物镜的上下极靴之间承载样品的重要部件，见图2，并使样品在极靴孔内平移、倾斜、旋转，以便找到合适的区域或位向，进行有效观察和分析。

下极靴 物镜光栏 样品台 上极靴

图2 样品台在极靴中的位置（JEM-2010F） 2）电子束的平移和倾斜装置

电镜中是靠电磁偏转器来实现电子束的平移和倾斜的。图3为电磁偏转器的工作原理图，电磁偏转器由上下两个偏置线圈组成，通过调节线圈电流的大小和方向可改变电子束偏转的程度和方向。

S ? ?＋? ? 上偏置线圈

下偏置线圈

? 图3 电磁偏转器的工作原理图

3）消像散器

S

N N S N S N S S N S N S S N

N （a）磁极分布 （b）有像散时的电子束斑 （c）无像散时的电子束斑

图4 电磁式消像散器示意图及像散对电子束斑形状的影响 像散是由于电磁透镜的磁场非旋转对称导致的，直接影响透镜的分辨率，为此，在透镜的上下极靴之间安装消像散器，就可基本消除像散。图4 为电磁式消像散器的原理图及像散对电子束斑形状的影响。从图4b和4c可知未装消像散器时，电子束斑为椭圆形，加装消像散器后，电子束斑为圆形，基本上消除了聚光镜的像散对电子束的影响。 4）光栏

光栏是为挡掉发散电子，保证电子束的相干性和电子束照射所选区域而设计的带孔小片。根据安装在电镜中的位置不同，光栏可分为聚光镜光栏、物镜光栏和中间镜光栏三种。 三）成像原理

A R B R O? f0 A? r B?? C? 磁透镜 试样 O 入射电子束 kO? ?g?k???s C 图5透射电镜电子衍射原理图 L 由图5中得几何关系并推导后得：R?= K?g

式中的L?和K?分别称为有效相机长度和有效相机常数。但需注意的是式中的L?并不直接对应于样品至照相底片间的实际距离，因为有效相机长度随着物镜、中间镜、投影镜的励磁电流改变而变化，而样品到底片间的距离却保持不变，但由于透镜的焦长大，这并不会妨碍电镜成清晰图像。因此，实际上我们可不加区分K与K?、L与L?和R与R?了，并用K直接取代K?。

L2

荧光屏（物像） 中间镜像 投影镜

L1 试样 试样 物镜

物镜后焦面（物镜光栏位） 物镜像平面（中间镜光栏位） 中间镜

L2 中间镜像 投影镜

荧光屏（斑点花样） 中间镜 物镜

物镜后焦面（物镜光栏位） L1 （a）成像操作 （b）衍射操作

图6 中间镜的成像操作与衍射操作

1）成像操作与衍射操作：

调整励磁电流即改变中间镜的焦距，从而改变中间镜物平面与物镜后焦面之间的相对位置。当中间镜的物平面与物镜的像平面重合时，投影屏上将出现微区组织的形貌像，这样的操作称为成像操作；当中间镜的物平面与物镜的后焦面重合时，投影屏上将出现所选区域的衍射花样，这样的操作称为衍射操作。 2）明场操作、暗场操作及中心暗场操作：

通过平移物镜光栏，分别让透射束或衍射束通过所进行的操作。仅让透射束通过的操作称为明场操作，所成的像为明场像，见图7a；反之，仅让某一衍射束通过的操作称为暗场操作，所成的像为暗场像，见图7b。通过调整偏置线圈，使入射电子束倾斜2?B角，如图7c所示，晶粒B中的(hkl)晶面组完全满足衍