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1、电子显微学的发展史,人眼：人眼的分辨能力约为0.10.2mm。光学显微镜：光学显微镜分辨率约为0.2um。电子显微镜：电镜产生的理论基础1.1897年，Thomson发现了电子，并证明它是一种带负电荷的粒子。2.1924年，法国数理学家de Broglie提出了微观粒子的波粒二重性原理，并 推导出电子的波长与加速电压之间的关系为：e(nm)可见：加速电压越高，对应电子束的波长越短。计算表明电子波长比可见光波长短的多,如加速电压为80KV时，电子的波长约为0.00418 nm，相当于可见光中绿光波长的十万分之一。3.1926年，德国应用物理学家H.Busch提出了几何电子光学理论。他指出：加速电
2、子在轴对称电场或磁场中的运动规律完全服从几何光学定律，进而制造出了静电透镜和电磁透镜。,电子显微学的发展史,电子显微镜的发明 19311933年，德国M.Knoll和E.Ruska发明了第一台电子显微镜。（结构简单，只有两级放大透镜和16）1938年，德国，E.Ruska，第1台真正的透射电镜，放大倍数：1200倍（与当时最好的光学显微镜的放大倍数相当）1939 年，德国 Siemens 公司生产了第一台商品透射电镜，其分辨率为 10nm 左右。目前，最新透射电镜分辨率达到0.07nm，放大倍数达到150万倍。（Ruska：被称为电镜之父，并获得1986年诺贝尔物理学奖，电镜的发明被认为是20
3、世纪最重要的科学发明之一）,December 10,1986Nobel Prize in Physics(City-Hall of Stockholm),1986年诺贝尔物理学奖获得者,Ernst Ruska Gerd Binnig Heinrich Rohrer 发明电子显微镜（1931年）发明扫描隧道显微镜（1982年）,第一台透射电子显微镜光路图及其与光学显微镜的比较,这是Ruska在1931-1933年完成的。从这时起，电子显微镜的基本光学原理始终没有改变过。后来的改进主要是提高分辨本领和使用性能等。,电子显微镜的分类,一、电子散射(electron scattering)现象电子散射
4、是高能入射电子与固体样品相互作用所产生的一种物理现象。1.直接透射电子：特点：电子运动方向不变，速度（能量）不变。2.弹性散射电子：特点：电子运动方向改变，但速度（或能量）保持不变。3.非弹性散射电子(inelastic electron)：特点：电子运动方向改变，速度（或能量）也发生改变。,电子显微镜的分类,二、电子与样品的作用方式1.泛光式：电子束以一定的尺寸照射在样品上，使用中电子束固定，样品的一定范围被同时照射并同时被观察记录。2.扫描式：电子束以极细的点在样品表面按照一定的方向和速度移动，如同电视成像一样。样品上待观察区域被电子束逐点逐行照射，其结构也被逐点逐行的成像。,入射电子与样
5、品的两种作用方式,电子显微镜的分类,三、电子显微镜的分类依据：按所采用的信号及电子束与样品的作用方式。1.透射电子显微镜(TEM)：利用泛光式电子束及透射电子（包括直接透射电子，弹性散射电子和非弹性散射电子）成像。2.扫描电子显微镜(SEM)：利用扫描式电子束及二次电子（包括背散射电子）成像。用于观察样品表面的形貌结构。3.扫描透射电子显微镜(STEM)：既透射电镜的功能又具有扫描电镜的功能，通常是在透射电镜的基础上加装扫描附件。4.电子探针(EMP)：利用扫描式电子束及特征X-射线成像。用于样品表层微区化学成分定性或定量分析。5.分析电子显微镜(AEM)：透射电镜或扫描电镜配能谱仪或波谱仪。
6、6.俄歇电子谱仪(Auger ES)：利用扫描式电子束及俄歇电子成像。其中，透射电镜和扫描电镜在生物学领域应用最为广泛。,电子显微镜的分类,四、透射电镜的分类按最高加速电压分类：1.普通透射电镜：加速电压120KV，主要应用于生物学等领域。2.高压透射电镜：200KV加速电压500KV，数量多，在材料领域应用最广泛。3.超高压透射电镜：加速电压1000KV，体积庞大、价格昂贵、数量少。,FEI Morgagni(100KV)FEI Tecnai Twin 12(120KV),JEOL JEM-1011(100KV)JEOL JEM-1400(120KV),HITACHI H-7650(120K
7、V),FEI Tecnai F20(200KV)HITACHI H-9500(300KV),HITACHI H-1500(1300KV),JEOL 3000KV超高压电镜,FEI Qunta200 扫描电子显微镜,电机控制样品移动示意图设定高压值并接通高压；组成：冷却水机、冷却水通道、水压检测保护装置等。物镜位于在样品室下面。1924年，法国数理学家de Broglie提出了微观粒子的波粒二重性原理，并 推导出电子的波长与加速电压之间的关系为：艾丽盘（Airy Disk）或衍射斑超高压透射电镜：加速电压1000KV，体积庞大、价格昂贵、数量少。散焦时，亮度降低，照射面积增大。JEM-1400型
8、透射电子显微镜对于要求真空度高于10-3Pa的电镜，往往需要三级串联系统，第三级通常采用吸附泵或扩散泵。1托=1毫米汞柱133帕优点：直立的垂直镜筒要求最小的支撑。透射电镜的一般操作顺序特点：电子运动方向不变，速度（能量）不变。对灯丝加上一定的工作电压使其发射电子束，经栅极的会聚作用和阳极的加速作用，以一定直径的束斑照射下来，经过聚光镜的进一步会聚作用照射在下面的样品上。物镜是电镜的最关键部分，由它对样品做第一级放大，物镜中任何缺陷都将被成象系统其它透镜进一步放大。可见光波长约380-750nm，电子探针(EMP)：利用扫描式电子束及特征X-射线成像。组成：冷却水机、冷却水通道、水压检测保护装
9、置等。设定高压值并接通高压；,JEM-1200 EX 透射电镜（带扫描附件）,JAX-8100电子探针仪,JEM-1400型透射电子显微镜,透射电子显微镜工作原理,透射电子显微镜是以波长极短的电子束做照明源，以电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。对灯丝加上一定的工作电压使其发射电子束，经栅极的会聚作用和阳极的加速作用，以一定直径的束斑照射下来，经过聚光镜的进一步会聚作用照射在下面的样品上。透过样品的电子束将带有样品结构，经过物镜、中间镜和投影镜的多级放大作用，最后照射在荧光屏上，激发荧光素发光，从而在荧光屏上呈现出放大的样品图像。在荧光屏下方是照相室，可以将样品的放大图
10、像曝光在底片上，经过显影、定影后将图像保存下来。,电子光学系统,电子光学系统即电镜的镜体。由于机械刚度的要求，镜体一般是直立的，即：上端是照明系统，中部是成像系统，下端是像的观察和记录系统，由观察室和照像室组成。优点：直立的垂直镜筒要求最小的支撑。由于透镜本身重量向下压在透镜之间的真空密封圈上，有助于保持真空不漏气。电镜的镜筒自上而下可以分成三个主要部分：1.照明系统：由电子枪加上一个或几个聚光镜组成。2.成像系统和换样品机构：包括：样品室（可以加入样品并按要求使样品在X、Y轴平移，高档样品台还能控制样品在垂直Z轴方向的移动以及在TX、TY两个方向的旋转。成像系统：由物镜、中间镜和投影镜等组成
11、。3.图像观察和记录系统：包括荧光屏、底片照相室、CCD等图像观察和记录装置。,照明系统,一、电子枪 电子枪是电镜的照明源，能产生亮度极高的细电子束。电子枪由灯丝阴极、栅极（或称韦氏圆筒）和加速阳极组成。灯丝是用直径0.1mm的钨丝做成V字形，通电加热至2500-2800K时，在尖端即产生热电子发射，形成照明束。在灯丝下方为阳极，起加速电子的作用。栅极用于控制电子束形状和发射强度。现代电镜一般采用自给栅偏压电子枪，其优点是栅偏压电阻起负反馈作用，从而能稳定电子束流的作用。由于栅极的排斥作用，使电子会聚成束。其中束交叉点处束径约50um，电子密度最高，是电镜的实际电子源。,自给栅偏压电子枪工作示
12、意图,照明系统,若灯丝处于饱和状态时，逐渐减少加热电流使之比饱和点稍小一点，此时屏上出现如下图的图像。此称灯丝像，中心亮斑是灯丝尖的像，周围的晕轮是栅极帽的像，此灯丝像在电镜调整中很有用,如灯丝像是对称的话则灯丝是对中的，否则灯丝是不对中的。,照明系统,二、聚光镜聚光镜的作用是把来自电子枪的电子束进一步汇聚，并照射到样品上。双聚光镜系统：C1是一个强透镜，它的作用是把有效光源的尺寸缩小，最小可达1-2um。第二聚光镜(C2)是一个弱透镜，是为了使照明孔径角足够小和在聚光镜与物镜之间提供一个较大的样品空间，以便能够放进样品台以及其它的附件。第二聚光镜用以控制照明亮度、照明孔径角和照明斑的尺寸，在
13、第二聚光镜之下装有第二聚光镜活动光阑(100，200，300，400um的圆孔)，根据需要可选取不同的光阑孔。,从样品平面看，当C1焦距确定后，C2处于正聚集状态时，照射样品面积最小、最亮；散焦时，亮度降低，照射面积增大。所以，调节C2工作电流改变聚集状态，可以方便地连续控制样品上的被照射面积和亮度，进而改变荧光屏上光斑大小和亮度。在电镜的实际操作中，就是通过改变C2的电流来改变光斑大小和亮度的。,成像系统,成像系统包括样品室、物镜、中间镜和投影镜等样品室 样品室位于第二聚光镜下面。样品载于铜网上，铜网放在样品架(或称样品杆)上，插入样品室。,电子探针(EMP)：利用扫描式电子束及特征X-射线
14、成像。常采用两级泵串联：第一级是机械泵获得10 Pa1 Pa的低真空，作为第二级泵的预真空；特点：电子运动方向改变，速度（或能量）也发生改变。第二级采用油扩散泵使真空到达10-3Pa。JEM-1400透射电镜 真空系统工作界面Busch提出了几何电子光学理论。透射电子显微镜工作原理1mm的钨丝做成V字形，通电加热至2500-2800K时，在尖端即产生热电子发射，形成照明束。成像系统包括样品室、物镜、中间镜和投影镜等透 射 电 镜 结 构电子探针(EMP)：利用扫描式电子束及特征X-射线成像。透 射 电 镜 结 构在电镜的实际操作中，就是通过改变C2的电流来改变光斑大小和亮度的。从这时起，电子显
15、微镜的基本光学原理始终没有改变过。常采用两级泵串联：第一级是机械泵获得10 Pa1 Pa的低真空，作为第二级泵的预真空；Busch提出了几何电子光学理论。其中束交叉点处束径约50um，电子密度最高，是电镜的实际电子源。1926年，德国应用物理学家H.（结构简单，只有两级放大透镜和16）优点：直立的垂直镜筒要求最小的支撑。,利用样品移动旋杆来移动样品的水平位置（X-Y方向）,日立H-600型 透射电镜,电机控制样品移动示意图,成像系统,物镜 物镜位于在样品室下面。其作用是形成样品的第一级放大像和通过调节物镜线圈的激励电流，相应地改变物镜的焦距从而对像进行聚焦。物镜是电镜的最关键部分，由它对样品做
16、第一级放大，物镜中任何缺陷都将被成象系统其它透镜进一步放大。因此，电镜的分辨本领主要取决于物镜的分辨本领，物镜中装有一活动光栏，是由非磁性金属如铂或钼制成，一般有3 4个大小不同的孔供选择。物镜光栏能提高成像的反差。轻微改变物镜电流能起到聚焦图像的作用。中间镜 中间镜的作用是把物镜形成的一次放大像或衍射花样经多级放大后投射到投射镜的物平面上。投影镜 投影镜的作用是把中间镜形成的放大像再经过放大并投射到荧光屏上，从而形成终象。电镜的总放大率为所有成像透镜放大率之积，即：Mall=Mo Mi1 Mi2 MP 电镜总放大倍率变化的实现方法：1.控制某级或几级透镜的是否工作来实现。2.利用中间镜倍率的
17、变化来实现。,图像观察与记录系统,观察室 在投射镜下面是像的观察和记录系统，终像将显示在荧光屏上。大荧光屏（直径160mm）于观察，小荧光屏（直径20mm）用于拍照聚焦。,照相室 在大荧光屏的下面是照相暗盒，用于把终像拍摄记录在底片上。而且由于照相底片的分辨本领大大高于荧光屏，因此，拍摄出来的底片往往含有在荧光屏上直接观察时看不到的细节。多数新购电镜都加配了CCD数字成像系统。,冷却水系统,作用：为电镜的正常工作提供相对恒定的温度环境，提高仪器工作的稳定性。组成：冷却水机、冷却水通道、水压检测保护装置等。由于要给抽真空的油扩散泵冷却，所以必须保证在关闭电镜后，冷却水至少再继续工作十分钟才能关闭
18、，否则由于扩散泵油得不到充分冷却而污染镜筒，降低仪器分辨率。,循环冷却水系统示意图,真空系统,电镜真空系统的组成：1.真空泵（包括机械泵和油扩散泵，为抽真空设备）2.真空管道及自动阀门系统（真空管道包括连接管道和镜筒内空间，真空阀门既有电磁阀门，又有气压阀门，这需要空气压缩机为其提供一定压力的空气。）3.真空检测装置（包括皮喇尼真空规和潘宁规，用于检测真空系统各部分的真空度）常用压强单位：标准大气压、毫米汞柱(mmHg)、托（乇）(Torr)、帕斯卡(Pa)1标准大气压=760毫米汞柱=1.013105帕斯卡 1托=1毫米汞柱133帕电镜镜筒真空的获得：电镜镜简要求真空度一般约为10-3Pa。
19、常采用两级泵串联：第一级是机械泵获得10 Pa1 Pa的低真空，作为第二级泵的预真空；第二级采用油扩散泵使真空到达10-3Pa。对于要求真空度高于10-3Pa的电镜，往往需要三级串联系统，第三级通常采用吸附泵或扩散泵。若采用涡轮分子泵、离子泵等则可以获得更高的真空。,真空机械泵与空气压缩机,油扩散泵外形,JEM-1400透射电镜 真空系统工作界面,抽高真空的必要性：高速运动的电子与气体分子相互碰撞，使电子发生散射，引起“眩光”碰撞使气体电离引起电子束的不稳定或“闪烁”缩短灯丝寿命污染样品真空系统的组成：真空泵（前级机械泵、油扩散泵或离子泵）真空管道与控制阀门真空检测系统（皮喇尼真空规和潘宁真空
20、规）,真空泵（前级机械泵、油扩散泵或离子泵）透过样品的电子束将带有样品结构，经过物镜、中间镜和投影镜的多级放大作用，最后照射在荧光屏上，激发荧光素发光，从而在荧光屏上呈现出放大的样品图像。电机控制样品移动示意图电镜的镜筒自上而下可以分成三个主要部分：(City-Hall of Stockholm)在大荧光屏的下面是照相暗盒，用于把终像拍摄记录在底片上。真空检测系统（皮喇尼真空规和潘宁真空规）Busch提出了几何电子光学理论。其作用是形成样品的第一级放大像和通过调节物镜线圈的激励电流，相应地改变物镜的焦距从而对像进行聚焦。The electron microscope opened the 2n
21、d gate to microcosm.Busch提出了几何电子光学理论。观察结束后，应依次关闭灯丝、透镜电源和高压，取出样品，关闭电镜主机电源。电机控制样品移动示意图轻微改变物镜电流能起到聚焦图像的作用。真空检测装置（包括皮喇尼真空规和潘宁规，用于检测真空系统各部分的真空度）组成：冷却水机、冷却水通道、水压检测保护装置等。电子探针(EMP)：利用扫描式电子束及特征X-射线成像。由于栅极的排斥作用，使电子会聚成束。在电镜的实际操作中，就是通过改变C2的电流来改变光斑大小和亮度的。优点：直立的垂直镜筒要求最小的支撑。,JEM-1400透射电镜镜筒结构,透射电镜的一般操作顺序,开机接通电源，打开冷
22、却水；抽真空：预抽真空（一般不超过5min）加热油扩散泵（一般需2025min）抽高真空约5min后仪器可进入工作状态；设定高压值并接通高压；接通各透镜工作电源；加灯丝束流至所需值；此时，荧光屏上应出现光斑。,透射电镜的一般操作顺序,加入要观察的样品根据需要改变放大倍数，利用第二聚光镜改变光斑大小和亮度，利用物镜聚焦图像，在荧光屏上进行图像观察，必要时可拍照保存。观察结束后，应依次关闭灯丝、透镜电源和高压，取出样品，关闭电镜主机电源。并做好使用记录。约10分钟后关闭冷却水系统。,谢谢欣赏,光的衍射效应与光镜分辨率,艾丽盘（Airy Disk）或衍射斑阿贝（Abbe）公式 可见光波长约380-7
23、50nm，光学显微镜的分辨本领大约为200nm。,返回,复式显微镜工作原理图,玻璃透镜成像规律,成像依据:光的折射规律特点：凸透镜对光线有会聚作用；凹透镜对光线有发散作用凸透镜成像规律：凸透镜成像公式：,December 10,1986Nobel Prize in Physics(City-Hall of Stockholm),电子显微镜的分类,四、透射电镜的分类按最高加速电压分类：1.普通透射电镜：加速电压120KV，主要应用于生物学等领域。2.高压透射电镜：200KV加速电压500KV，数量多，在材料领域应用最广泛。3.超高压透射电镜：加速电压1000KV，体积庞大、价格昂贵、数量少。,F
24、EI Morgagni(100KV)FEI Tecnai Twin 12(120KV),入射电子与样品的两种作用方式电镜的镜筒自上而下可以分成三个主要部分：在投射镜下面是像的观察和记录系统，终像将显示在荧光屏上。在大荧光屏的下面是照相暗盒，用于把终像拍摄记录在底片上。The electron microscope opened the 2nd gate to microcosm.电机控制样品移动示意图特点：凸透镜对光线有会聚作用；电镜镜简要求真空度一般约为10-3Pa。用于观察样品表面的形貌结构。The electron microscope opened the 2nd gate to mi
25、crocosm.照明系统：由电子枪加上一个或几个聚光镜组成。作用：为电镜的正常工作提供相对恒定的温度环境，提高仪器工作的稳定性。1986年诺贝尔物理学奖获得者物镜是电镜的最关键部分，由它对样品做第一级放大，物镜中任何缺陷都将被成象系统其它透镜进一步放大。（结构简单，只有两级放大透镜和16）真空管道及自动阀门系统（真空管道包括连接管道和镜筒内空间，真空阀门既有电磁阀门，又有气压阀门，这需要空气压缩机为其提供一定压力的空气。电机控制样品移动示意图(City-Hall of Stockholm)The light microscope opened the 1st gate to microcosm
26、.,HITACHI H-7650(120KV),电子光学系统,电子光学系统即电镜的镜体。由于机械刚度的要求，镜体一般是直立的，即：上端是照明系统，中部是成像系统，下端是像的观察和记录系统，由观察室和照像室组成。优点：直立的垂直镜筒要求最小的支撑。由于透镜本身重量向下压在透镜之间的真空密封圈上，有助于保持真空不漏气。电镜的镜筒自上而下可以分成三个主要部分：1.照明系统：由电子枪加上一个或几个聚光镜组成。2.成像系统和换样品机构：包括：样品室（可以加入样品并按要求使样品在X、Y轴平移，高档样品台还能控制样品在垂直Z轴方向的移动以及在TX、TY两个方向的旋转。成像系统：由物镜、中间镜和投影镜等组成。
27、3.图像观察和记录系统：包括荧光屏、底片照相室、CCD等图像观察和记录装置。,电机控制样品移动示意图,冷却水系统,作用：为电镜的正常工作提供相对恒定的温度环境，提高仪器工作的稳定性。组成：冷却水机、冷却水通道、水压检测保护装置等。由于要给抽真空的油扩散泵冷却，所以必须保证在关闭电镜后，冷却水至少再继续工作十分钟才能关闭，否则由于扩散泵油得不到充分冷却而污染镜筒，降低仪器分辨率。,透 射 电 镜 结 构成像依据:光的折射规律观察结束后，应依次关闭灯丝、透镜电源和高压，取出样品，关闭电镜主机电源。透射电子显微镜(TEM)：利用泛光式电子束及透射电子（包括直接透射电子，弹性散射电子和非弹性散射电子）
28、成像。1924年，法国数理学家de Broglie提出了微观粒子的波粒二重性原理，并 推导出电子的波长与加速电压之间的关系为：超高压透射电镜：加速电压1000KV，体积庞大、价格昂贵、数量少。此时，荧光屏上应出现光斑。真空检测系统（皮喇尼真空规和潘宁真空规）1924年，法国数理学家de Broglie提出了微观粒子的波粒二重性原理，并 推导出电子的波长与加速电压之间的关系为：其作用是形成样品的第一级放大像和通过调节物镜线圈的激励电流，相应地改变物镜的焦距从而对像进行聚焦。俄歇电子谱仪(Auger ES)：利用扫描式电子束及俄歇电子成像。二、电子与样品的作用方式电机控制样品移动示意图JEM-14
29、00透射电镜 真空系统工作界面第一台透射电子显微镜光路图及其与光学显微镜的比较1mm的钨丝做成V字形，通电加热至2500-2800K时，在尖端即产生热电子发射，形成照明束。真空泵（前级机械泵、油扩散泵或离子泵）照明系统：由电子枪加上一个或几个聚光镜组成。（结构简单，只有两级放大透镜和16）电子光学系统即电镜的镜体。,由于要给抽真空的油扩散泵冷却，所以必须保证在关闭电镜后，冷却水至少再继续工作十分钟才能关闭，否则由于扩散泵油得不到充分冷却而污染镜筒，降低仪器分辨率。由于透镜本身重量向下压在透镜之间的真空密封圈上，有助于保持真空不漏气。电镜的总放大率为所有成像透镜放大率之积，开机接通电源，打开冷却
30、水；成像依据:光的折射规律照明系统：由电子枪加上一个或几个聚光镜组成。其作用是形成样品的第一级放大像和通过调节物镜线圈的激励电流，相应地改变物镜的焦距从而对像进行聚焦。JEM-1400型透射电子显微镜电机控制样品移动示意图其作用是形成样品的第一级放大像和通过调节物镜线圈的激励电流，相应地改变物镜的焦距从而对像进行聚焦。电子光学系统即电镜的镜体。而且由于照相底片的分辨本领大大高于荧光屏，因此，拍摄出来的底片往往含有在荧光屏上直接观察时看不到的细节。二、电子与样品的作用方式成像系统包括样品室、物镜、中间镜和投影镜等成像系统包括样品室、物镜、中间镜和投影镜等特点：凸透镜对光线有会聚作用；约10分钟后关闭冷却水系统。超高压透射电镜：加速电压1000KV，体积庞大、价格昂贵、数量少。二、电子与样品的作用方式The light microscope opened the 1st gate to microcosm.,冷却水系统,作用：为电镜的正常工作提供相对恒定的温度环境，提高仪器工作的稳定性。组成：冷却水机、冷却水通道、水压检测保护装置等。由于要给抽真空的油扩散泵冷却，所以必须保证在关闭电镜后，冷却水至少再继续工作十分钟才能关闭，否则由于扩散泵油得不到充分冷却而污染镜筒，降低仪器分辨率。,
