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透射电子显微镜的相关知识介绍

点击次数:1858 发布时间:2011-04-22

在光学显微镜下无法看清小于0.2µm的细微结构,这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构,就必须选择波长更短的光源,以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射工业显微镜电子显微镜,电子束的波长要比可见光和紫外光短得多,并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比,也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。

  早由E.Ruska等发明,是zui早的电镜。

  电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样,所不同的是前者用电子束作光源,用电磁场作透镜。另外,由于电子束的穿透力很弱,因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机(ultramicrotome)制作。电子显微镜的放大倍数zui高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成,如果细分的话:主体部分是电子透镜和显像记录系统,由置于真空中的电子枪、聚光镜、物样室、 物镜、衍射镜、中间镜、 投影镜、荧光屏和照相机。

  电子显微镜是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。 高速的电子的波长比可见光的波长短(波粒二象性),而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制,因此电子显微镜的分辨率(约0.1纳米)远高于光学显微镜的分辨率(约200纳米)。

  透射式电子显微镜(TEM)与投射式光学显微镜的原理很相近,图4-12所绘为两者的简化光路图,从图中可以看出,它们的光源、透镜虽不相同,但照放大和成像的方式却完全一致。

  在实际情况下无论是光镜还是电镜,其内部结构都要比图示复杂得多,图中的聚光镜(condonser lens)、物镜(object lens)和投影镜(projection lens)为光路中的主要透镜,实际制作中它们往往各是一组(多块透镜构成),在设计电镜时为达到所需的放大率、减少畸变和降低像差,又常在投影镜之上增加一至两级中间镜(intemediate lens)。透射式电子显微镜的总体结构包括镜体和辅助系统两大部分,镜体部分包含:①照明系统(电子枪G,聚光镜C1、C2),②成像系统(样品室,物镜O,中间镜I1、I2,投影 镜P1、P2),③观察记录系统(观察室、照相室),④调校系统(消像散器、束取向调 整器、光阑)。辅助系统包含:①真空系统(机械泵、扩散泵、真空阀、真空规),②电路系统(电源变换、调整控制),③水冷系统。图4-13(a)为典型透射电镜的电子光学系统 构成及成像原理示意图,其中只包含了电镜镜体内的照明系统和成像系统两部分;图4-13(b)为透射电镜的镜体外形结构对照示意图。

  透射电镜的总体工作原理是:由电子枪发射出来的电子束,在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜,通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑,照射在样品室内的样品上;透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息,样品内致密处透过的电子量少,稀疏处透过的电子量多;经过物镜的会聚调焦和初级放大后,电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像,zui终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上;荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。本节将分别对各系统中的主要结构和原理予以介绍。

  照明系统包括电子枪和聚光镜2个主要部件,它的功用主要在于向样品及成像系统提供亮度足够的光源??电子束流,对它的要求是输出的电子束波长单一稳定,亮度均匀一致,调整方便,像散小。

  由阴极(cathode)、阳极(anode)和栅极(grid)组成,图4-14为它的剖面结构示意图和实物分解图。

  (1)阴极 阴极是产生自由电子的源头,一般有直热式和旁热式2种,旁热式阴极是将加热体和阴极分离,各自保持高温热台偏光显微镜独立。在电镜中通常由加热灯丝(filament)兼做阴极称为直热式阴极,材料多用金属钨丝制成,其特点是成本低,但亮度低,寿命也较短。灯丝的直径约为0.10~0.12mm,当几安培的加热电流流过时,即可开始发射出自由电子,不过灯丝周围必须保持高度真空,否则就象漏气灯泡一样,加热的灯丝会在倾刻间被氧化烧毁。灯丝的形状zui常采用的是发叉式,也有采用箭斧式或点状式的(图4-15),后 2种灯丝发光亮度高,光束尖细集中,适用于高分辨率电镜照片的拍摄,但使用寿命更短。

  阴极灯丝被安装在高绝缘的陶瓷灯座上(图4-16),既能绝缘、耐受几千度的高温,还可以方便更换。灯丝的加热电流值是连续可调的。

  在一定的界限内,灯丝发射出来的自由电子量与加热电流强度成正比,但在超越这个界限后,电流继续加大,只能降低灯丝的使用寿命,却不能增大自由电子的发射量,我们把这个临界点称做灯丝饱和点,意即自由电子的发射量已达“满额”,无以复加。正常使用常把灯丝的加热电流调整设定在接近饱和而不到的位置上,称做“欠饱和点”。这样在保证能获得较大的自由电子发射量的情况下,可以zui大限度地延长灯丝的使用寿命。钨制灯丝的正常使用寿命为40h左右,现代电 镜中有时使用新型材料六硼化镧(LaB6)来制作灯丝,其价格较贵,但发光效率高、亮度大(能提高一个数量级),并且使用寿命远较钨制灯丝长得多,可以达到1000h ,是一种很好的新型材料。

  (2)阳极 为一中心有孔的金属圆筒,处在阴极下方,当阳极上加有 数十千伏或上百千伏的正高压??加速电压时,将对阴极受热发射出来的自由电子产生强烈的引力作用,并使之从杂乱无章的状态变为有序的偏光岩相显微镜定向运动, 同时把自由电子加速到一定的运动速度(与加速电压有关,前面已经讨论过), 形成一股束流射向阳极靶面。凡在轴心运动的电子束流,将穿过阳极中心的圆孔射出电子枪外,成为照射样品的光源。

  (3)栅极位于阴、阳极之间,靠近灯丝顶端,为形似帽状的金属物,中心亦有一小孔供电子束通过。栅极上加有0~1000V的负电压(对阴极而言),这个负电压称为栅偏压VG,它的高低不同,可由使用者根据需要调整,栅极偏压能使电子束产生向中心轴会聚的作用,同时对灯丝上自由电子的发射量也有一定的调控抑制作用。

  (4)工作原理 图4-17表明,在灯丝电源VF作用下,电流IF流过灯丝阴极,使之发热达2500℃以上时,便可产生自由电子并逸出灯丝表面。加速电压VA 使阳极表面聚集了密集的正电荷,形成了一个强大的正电场,在这个正电场的作用下自由电子便飞出了电子枪外。调整VF可使灯丝工作在欠饱和点,电镜使用过程中可根据对亮度的 需要调节栅偏压VG的大小来控制电子束流量的大小。

  电镜中加速电压VA也是可调的,VA增大时,电子束的波长λ缩短,有利于电镜分辨力的提高。同时穿透能力增强,对样品的荧光显微镜热损伤小,但此时会由于电子束与样品碰撞,导致弹性散射电子的散射角随之增大,成像反差会因此而有所下降,所以,在不追求高分辨率观察应用时,选择较低的加速电压反而可以获得较大的成像反差,尤其对于自身反差对比较小的生物样品,选用较低的加速电压有时是有利的。

  

 
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