圖1 透射顯微鏡構(gòu)造原理和光路

　　(a)透射電子顯微鏡; (b)透射光學(xué)顯微鏡

　　圖1 為透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡的光路系統(tǒng)示意圖。兩者的光學(xué)成象原理是相同的。透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的差別主要有下列幾個(gè)方面：

　　(1) 透射電鏡的照明光源是電子束，光學(xué)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(xué)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(dāng)于目鏡)之間裝有一個(gè)中間鏡，中間鏡的引入不僅可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，而且可以進(jìn)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(xué)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(yùn)動(dòng)，不受與氣體分子碰撞的影響，電子顯微鏡鏡筒內(nèi)必須保持很高的真空。

　　透射電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、電源與控制系統(tǒng)及真空系統(tǒng)三部分組成。

　　電子光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)、成像系統(tǒng)和觀察記錄系統(tǒng)。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(tǒng)

　　照明系統(tǒng)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(wěn)定的照明源。為滿足明場(chǎng)和暗場(chǎng)成像要求，照明束可在2～3o范圍內(nèi)傾斜。

　　(1)電子槍

　　電子槍是發(fā)射電子的照明光源，它實(shí)際上是一個(gè)由陰極、柵極和陽(yáng)極組成的靜電透鏡。如圖3所示，電子槍的陽(yáng)極接地，陰極加上了負(fù)高壓(-50~200kv)，柵極加上比陰極負(fù)幾百至幾千伏的偏壓。電子槍為一個(gè)自偏壓回路，起限制和穩(wěn)定束流的作用。

(a)自偏壓回路 (b)電子槍內(nèi)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(huì)聚電子槍射出的電子束，減小樣品被照射面積，調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度、孔徑角和光斑大小?，F(xiàn)在高性能的電子顯微鏡一般都采用雙聚光鏡系統(tǒng)，如圖8-4所示。第一聚光鏡是強(qiáng)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(zhǎng)焦距透鏡，適焦時(shí)放大倍數(shù)為2倍左右。如果電子槍第一交叉點(diǎn)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(tǒng)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(tái)和其它附件。

 

　　二、成像系統(tǒng)

　　成像系統(tǒng)主要由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。

　　(1)物鏡

　　物鏡是最關(guān)鍵的透鏡，用來形成樣品的第一次放大象。物鏡是一個(gè)強(qiáng)激磁、短焦距(f=1~ 3mm )的物鏡，放大倍數(shù)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(zhì)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(nèi)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(zhì)量的物鏡分辨率可達(dá)0.1nm。

　　(2)中間鏡

　　中間鏡是一個(gè)弱激磁、長(zhǎng)焦距的變倍透鏡。中間鏡的作用有2個(gè)：

　　(1) 調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。電子顯微鏡的總放大倍數(shù)是各級(jí)透鏡放大倍數(shù)的乘積，在電鏡操作過程中，通過改變中間鏡的放大倍數(shù)(0~20倍)可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)(如2000~200000倍)改變電鏡的總放大倍數(shù)。

　　(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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)的。

高倍放大 (b)電子衍射

圖5 成像系統(tǒng)光路

　　(3)投影鏡

　　投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放大(或縮小)的象(或電子衍射花樣)進(jìn)一步放大，并投影到熒光屏上。它是一個(gè)短焦距的強(qiáng)激磁透鏡，它的景深和焦長(zhǎng)都非常大。

 

　　三、觀察和記錄系統(tǒng)

　　觀察和記錄系統(tǒng)包括熒光屏和照相裝置，在熒光屏下面有一個(gè)可以自動(dòng)換片的照相暗盒。照相時(shí)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(zhǎng)很大，雖然熒光屏和底片之間有數(shù)十厘米的間距，當(dāng)熒光屏上觀察到的圖象聚焦清楚時(shí)，仍能保證底片上的圖象清晰。

　　電子顯微鏡工作時(shí)，整個(gè)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(dú)抽真空，因此在更換燈絲、清洗鏡筒和更換底片時(shí)，并不破壞其它部分的真空狀態(tài)。

　　電源和控制系統(tǒng)主要包括三部分：燈絲電源和高壓電源，使電子槍產(chǎn)生穩(wěn)定的高能照明電子束;各電磁透鏡的穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，使各電磁透鏡具有高的穩(wěn)定度;電氣控制電路，用來控制真空系統(tǒng)、電氣合軸、自動(dòng)聚焦、自動(dòng)照相等。