透射电子显微镜的结构与成像原理
图1 透射显微镜构造原理和光路
(a)透射电子显微镜; (b)透射光学显微镜
图1 为透射电子显微镜和光学显微镜的光路系统示意图。两者的光学成象原理是相同的。透射电镜和光学显微镜之间的差别主要有下列几个方面：
(1) 透射电镜的照明光源是电子束，光学显微镜的照明光源是可见光;
(2) 透射电镜是用电磁透镜来聚焦的，而光学显微镜是用玻璃透镜来聚焦;
(3) 透射电镜的物镜和投影镜(相当于目镜)之间装有一个中间镜，中间镜的引入不仅可以调节放大倍数，而且可以进行电子衍射操作;
(4) 透射电镜中电子束形成的象只能在荧光屏上才能显示出来，而光学显微镜中可见光形成的象是在毛玻璃或白色屏幕上显示出来。
(5) 为使电子能自由运动，不受与气体分子碰撞的影响，电子显微镜镜筒内必须保持很高的真空。
透射电子显微镜由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。
电子光学系统通常称镜筒，是透射电子显微镜的核心。它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。图2是JEM -2101F 透射电子显微镜的外观和镜筒剖面示意图。
(a)
(b)
图2 JEM -2101F 透射电子显微镜外观和镜筒剖面示意图
一、照明系统
照明系统主要由电子枪、聚光镜、电子束平移和倾斜装置组成。其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像要求，照明束可在2～3º范围内倾斜。
(1)电子枪
电子枪是发射电子的照明光源，它实际上是一个由阴极、栅极和阳极组成的静电透镜。如图3所示，电子枪的阳极接地，阴极加上了负高压(-50~200kv)，栅极加上比阴极负几百至几千伏的偏压。电子枪为一个自偏压回路，起限制和稳定束流的作用。
(a)自偏压回路 (b)电子枪内的等位面
图3 电子枪
(2)聚光镜
图4 双聚光镜的原理图
聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，减小样品被照射面积，调节照明强度、孔径角和光斑大小。现在高性能的电子显微镜一般都采用双聚光镜系统，如图8-4所示。第一聚光镜是强激磁、短焦距的透镜，可将电子枪光斑缩小10~50倍;而第二聚光镜是弱激磁、长焦距透镜，适焦时放大倍数为2倍左右。如果电子枪第一交叉点的光斑直径为50μm，在样品平面上可获得2~10μm的照明电子束斑。双聚光镜系统还使得在第二聚光镜与物镜之间有足够的空间来安放样品台和其它附件。
二、成像系统
成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。
(1)物镜
物镜是最关键的透镜，用来形成样品的第一次放大象。物镜是一个强激磁、短焦距(f=1~ 3mm )的物镜，放大倍数较高，一般为100 ~300倍。
透射电子显微镜分辨率的高低主要取决于物镜的质量。物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴的内孔和上下极靴之间的距离越小，物镜的分辨率越高。目前高质量的物镜分辨率可达0.1nm。
(2)中间镜
中间镜是一个弱激磁、长焦距的变倍透镜。中间镜的作用有2个：
(1) 调节放大倍数。电子显微镜的总放大倍数是各级透镜放大倍数的乘积，在电镜操作过程中，通过改变中间镜的放大倍数(0~20倍)可以在相当大的范围内(如2000~200000倍)改变电镜的总放大倍数。
(2) 选择透射电子显微镜中的成像操作和电子衍射操作。如图8-5所示，如果中间镜的物平面和物镜的象平面重合，则在荧光屏上得到一张清晰的放大象，这就是电子显微镜的成像操作;如果中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，则在荧光屏上得到的是一幅电子衍射花样，这就是透射电子显微镜中的电子衍射操作。成像操作和电子衍射操作的转换，是在固定中间镜的象距L2不变的情况下，通过改变中间镜的激磁电流而改变焦距f来实现的。
高倍放大 (b)电子衍射
图5 成像系统光路
(3)投影镜
投影镜的作用是把经中间镜放大(或缩小)的象(或电子衍射花样)进一步放大，并投影到荧光屏上。它是一个短焦距的强激磁透镜，它的景深和焦长都非常大。
三、观察和记录系统
观察和记录系统包括荧光屏和照相装置，在荧光屏下面有一个可以自动换片的照相暗盒。照相时只要将荧光屏垂直竖起，电子束即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有数十厘米的间距，当荧光屏上观察到的图象聚焦清楚时，仍能保证底片上的图象清晰。
电子显微镜工作时，整个电子通道都必须处于真空中。新式的电子显微镜中电子枪、镜筒和照相室之间都装有气阀，各部分都可单独抽真空，因此在更换灯丝、清洗镜筒和更换底片时，并不破坏其它部分的真空状态。
电源和控制系统主要包括三部分：灯丝电源和高压电源，使电子枪产生稳定的高能照明电子束;各电磁透镜的稳压稳流电源，使各电磁透镜具有高的稳定度;电气控制电路，用来控制真空系统、电气合轴、自动聚焦、自动照相等。
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