透射电镜成像原理

扫描电子显微镜与透射电子显微镜成像原理有何不同~

扫描电镜主要是电子束照射到样品后的二次电子成像，透射电镜的明场像是透射电子成像。
电子显微镜简称电镜，英文名Electron Microscope（简称EM）经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。
电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。
镜筒主要有电子源、电子透镜、样品架、荧光屏和探测器等部件，这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体。
电子透镜用来聚焦电子，是电子显微镜镜筒中最重要的部件。一般使用的是磁透镜，有
时也有使用静电透镜的。它用一个对称于镜筒轴线的空间电场或磁场使电子轨迹向轴线弯曲形成聚焦，其作用与光学显微镜中的光学透镜（凸透镜）使光束聚焦的作用是一样的，所以称为电子透镜。光学透镜的焦点是固定的，而电子透镜的焦点可以被调节，因此电子显微镜不象光学显微镜那样有可以移动的透镜系统。现代电子显微镜大多采用电磁透镜，由很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场使电子聚焦。电子源是一个释放自由电子的阴极，栅极，一个环状加速电子的阳极构成的。阴极和阳极之间的电压差必须非常高，一般在数千伏到3百万伏特之间。它能发射并形成速度均匀的电子束，所以加速电压的稳定度要求不低于万分之一。
样品可以稳定地放在样品架上，此外往往还有可以用来改变样品（如移动、转动、加热、降温、拉长等）的装置。
为什么要用荧光屏呢？因为人们的肉眼是看不见电子束的，所以要用荧光屏把电子束变成可见的光源，才能形成眼睛能看得见的像。
探测器用来收集电子的信号或次级信号。
真空装置用以保障显微镜内的真空状态，这样电子在其路径上不会被吸收或偏向，由机械真空泵、扩散泵和真空阀门等构成，并通过抽气管道与镜筒相联接。
透射式电子显微镜因电子束穿透样品后，再用电子透镜成像放大而得名。它的光路与光学显微镜相仿，可以直接获得一个样本的投影。通过改变物镜的透镜系统人们可以直接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍射像。使用这个像可以分析样本的晶体结构。在这种电子显微镜中，图像细节的对比度是由样品的原子对电子束的散射形成的。由于电子需要穿过样本，因此样本必须非常薄。组成样本的原子的原子量、加速电子的电压和所希望获得的分辨率决定样本的厚度。样本的厚度可以从数纳米到数微米不等。原子量越高、电压越低，样本就必须越薄。样品较薄或密度较低的部分，电子束散射较少，这样就有较多的电子通过物镜光阑，参与成像，在图像中显得较亮。反之，样品中较厚或较密的部分，在图像中则显得较暗。如果样品太厚或过密，则像的对比度就会恶化，甚至会因吸收电子束的能量而被损伤或破坏。
透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～几十万倍。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，必须制备更薄的超薄切片（通常为50～100nm）。
透射式电子显微镜镜筒的顶部是电子枪，电子由钨丝热阴极发射出、通过第一，第二两个聚光镜使电子束聚焦。电子束通过样品后由物镜成像于中间镜上，再通过中间镜和投影镜逐级放大，成像于荧光屏或照相干版上。中间镜主要通过对励磁电流的调节，放大倍数可从几十倍连续地变化到几十万倍；改变中间镜的焦距，即可在同一样品的微小部位上得到电子显微像和电子衍射图像。
扫描电子显微镜的电子束不穿过样品，仅以电子束尽量聚焦在样本的一小块地方，然后一行一行地扫描样本。入射的电子导致样本表面被激发出次级电子。显微镜观察的是这些每个点散射出来的电子，放在样品旁的闪烁晶体接收这些次级电子，通过放大后调制显像管的电子束强度，从而改变显像管荧光屏上的亮度。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。显像管的偏转线圈与样品表面上的电子束保持同步扫描，这样显像管的荧光屏就显示出样品表面的形貌图像，这与工业电视机的工作原理相类似。由于这样的显微镜中电子不必透射样本，因此其电子加速的电压不必非常高。
扫描式电子显微镜的分辨率主要决定于样品表面上电子束的直径。放大倍数是显像管上扫描幅度与样品上扫描幅度之比，可从几十倍连续地变化到几十万倍。扫描式电子显微镜不需要很薄的样品；图像有很强的立体感；能利用电子束与物质相互作用而产生的次级电子、吸收电子和X射线等信息分析物质成分。
扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的人射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。

从聚光镜来的电子束打到样品上。与样品发生相互作用。如果样品薄到一定程度，电子就可以透过样品。透过去的电子分成两类。一类是继续按照原来的方向前进，能量几乎没有改变。我们称之为直进电子。另一类是方向偏离原来的方向。我们称之为散射电子。这些电子中有的能量有比较大的改变。我们称之为非弹性散射电子。有的电子能量几乎没有改变。我们称之为弹性散射电子。所有这些电子通过物镜后在物镜的后焦面上会形成一种特殊的图象。我们称之为夫琅禾费衍射花样。如果被电子束照射的区域是非晶，则花样的特点是中央亮斑加从中央到外围越来越暗的光晕。如果被电子束照射的区域是一块单晶，则花样的特点是中中央亮斑加周围其它离散分布、强弱不等的衍射斑。如果被电子束照射的区域包括许多单晶，则花样的特点是中央亮斑加周围半径不等的一圈圈亮环。至于为什么会形成这些花样。可以从入射电子的散射来解释。对非晶样品，从不同原子上散射出的同一方向上的电子波之间没有固定的相位差，且随着散射角的增大，散射的电子数量少，能量损失大，它们通过物镜后，直进的电子形成中央亮斑。散射的电子形成周围的光晕。越往外，光晕越来越弱。对晶体样品，由于原子排列的规律性，不同原子的同一方向的散射波之间存在固定的相位差。某些方向上相位差为2π的整数倍。根据波的理论，在这些方向上的散射波会发生加强干涉。我们称之为衍射。同一方向的衍射波在物镜后焦面上形成一个亮斑。我们称之为衍射斑。直进的电子形成中央的透射斑。整个后焦面的图象称之为电子衍射花样。至于哪些方向上会出现衍射波，这可由布拉格公式决定。详细内容见教材。由于电子衍射花样与晶体的结构之间存在对应关系，如果我们记录下衍射花样，就可以对晶体结构进行分析。这正是透射电子显微镜能够进行晶体结构分析的原因之一。对多晶样品，每个单晶形成自己的衍射花样。由于各个单晶的取向不同，每个单晶上相同指数的衍射波出现在以入射电子方向为中心线的圆锥上，它们通过物镜后形成衍射圈。通过分析这些衍射圈的半径和亮度，也可以对多晶样品进行结构分析。把透射电镜的工作方式切换到衍射模式，则在物镜后焦面上形成的花样在荧光屏上可以观察到，也可以用底片或相机记录下来。

透射电镜构造原理
透射电镜一般是电子光学系统、真空系统和电源与控制系统三大部分组成。电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它又可以分为照明系统、成像系统和观察记录系统。
下图是电镜电子光学系统的示意图，其中左边是电镜的剖面图，右边是电镜的示意图和光学显微镜的示意图对比。由图中可以看出，电镜中的电子光学系统主要包括电子枪、聚光镜、试样台、物镜、物镜光阑、选区光阑、中间镜、投影镜和观察记录系统等几部分组成，其成像的光路与光学显微镜基本相同。

电镜的电子光学系统中，一般将电子枪和聚光镜归为照明系统，将物镜、中间镜和投影镜归为成像系统，而观察记录系统则一般是荧光屏和照相机，现在的电镜往往还配有慢扫描CCD相机，主要用来记录高分辨像和一般的电子显微像。

透射电镜的成像机理

电镜和光镜的光路形式相似，但成像原理不同，在光镜中，由于样品各部分对光的吸收不同形成明暗不同的区域，反映出的图像就是样品对光的吸收情况。但在电镜中显示的样品极小，如吸收达到可观察的程度，将会引起样品的漂移和损害，因此，要力求使吸收减小到最低程度，故电镜样品要求切得很薄，在如此薄的样品中，电子不考虑被吸收。

一、透射电镜的成像原理

透射电镜的电子束射向样品，在通过样品的过程中和样品发生作用，穿出样品已带有样品信息，然后再进行放大处理，在荧光屏上显示出物质结构。

电子束穿出样品时，除了构成了图像背景的主要成分以外，还受到质量厚度影响，产 生不同散射角度的弹性散射电子。样品质量密度高的区域，产生大角度的散射电子(大于 0. 1弧度)被物镜光阑遮挡，仅有小角度的散射电子通过光阑孔，以致这部分电流密度小，在荧光屏上呈现出电子致密的暗区；相反，在质量密度低的区域，大角度散射电子少，透过的电子较多，故可呈现为电子透明的亮区。这样，即可形成一个具有明暗反差对比的、容易辨认的电镜图像。因此，电镜图像的反差是由样品不同部位电子散射力的差异所决定的，也反映了样品不同部位电子密度的差异。

二、透射电镜成像的有关概念

(1) 弹性散射：快速入射电子和样品的原子核碰撞，使电子偏离很大的角度，其轨道有明显的偏斜，称为弹性散射。

(2) 非弹性散射：快速入射电子和样品绕核运动的慢速电子相碰撞，重新分配它们的速度，这种相互作用称为“非弹性散射”。由于样品中的电子远比核的数量重要，因此在透射电镜成像过程中，非弹性散射是影响图像反差的最重要因素。

三、成像形式

当电子束通过后，把样品上质量厚度不同部分的电子密度投影到荧光屏上后，产生了明暗不同的区域，就形成了我们需要的图像。

透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。透射电子显微镜是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上（片状< 100 nm，颗粒< 2 um），电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。图片的明暗不同（黑白灰）与样品的原子序数、电子密度、厚度等相关。成像方式与光学显微镜相似，只是以电子代替光子，电磁透镜代替玻璃透镜，放大后的电子像在荧光屏上显示出来。

透射电子显微镜按加速电压分类，通常可分为常规电镜(100kV)、高压电镜(300kV)和超高压电镜(500kV以上)。提高加速电压，可提高入射电子的能量，一方面有利于提高电镜的分辨率；同时又可以提高对试样的穿透能力。

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涉县13822194803： 透射电镜的成像原理 - ？
犁步柳酚： 从聚光镜来的电子束打到样品上.与样品发生相互作用.如果样品薄到一定程度,电子就可以透过样品.透过去的电子分成两类.一类是继续按照原来的方向前进,能量几乎没有改变.我们称之为直进电子.另一类是方向偏离原来的方向.我们...

涉县13822194803： 透射电子显微镜的成像原理是什么 - ？
犁步柳酚：[答案] 透射电镜,通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源.热阴极发射的电子,在阳极加速电压的作用下,高速地穿过阳极孔,然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上.这种具有一定能量的电子束与样品发生作用,产生...

涉县13822194803： 透射电子显微镜的成像原理是什么 - ？
犁步柳酚： 透射电镜,通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源.热阴极发射的电子,在阳极加速电压的作用下,高速地穿过阳极孔,然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上.这种具有一定能量的电子束与样品发生作用,产生反映样品微区的厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息.透过样品的电子束强度,其取决于这些信息,经过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些信息的透射电子像,经过中间镜和投影镜进一步放大,在荧光屏上得到三级放大的最终电子图像,还可将其记录在电子感光板或胶卷上.

涉县13822194803： 透射电镜原理 - ？
犁步柳酚： 原理一下也受不清,他和光学显微镜有很多相同点 不同的是一个靠的是可见光的反射到眼睛中成像 ,一个是靠的高速电子流,打到样品后在显示屏上成像. 打到样品时满足布拉格方程就会有产生衍射,根据衍射图像的不同,可以判断晶体的结构.同时也可以用于高放大和探伤.

涉县13822194803： 透射电镜的原理 要文字叙述 谢谢啦 - ？
犁步柳酚： 从电子枪阴极发出的直径20(m~30(m的电子束,受到阴阳极之间加速电压的作用,射向镜筒,经过聚光镜及物镜的会聚作用,缩小成直径约几毫微米的电子探针.在物镜上部的扫描线圈的作用下,电子探针在样品表面作光栅状扫描并且激发出多种电子信号.这些电子信号被相应的检测器检测,经过放大、转换,变成电压信号,最后被送到显像管的栅极上并且调制显像管的亮度.显像管中的电子束在荧光屏上也作光栅状扫描,并且这种扫描运动与样品表面的电子束的扫描运动严格同步,这样即获得衬度与所接收信号强度相对应的扫描电子像,这种图象反映了样品表面的形貌特征

涉县13822194803： 透射电子显微镜的结构原理 - ？
犁步柳酚： 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,最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.

涉县13822194803： 透射电镜(TEM)的基本原理是什么? - ？
犁步柳酚： 透射电镜是用高能电子束(加速电压一般在200KV以上)照射样品,透过样品的电子由于样品厚度、元素、缺陷、晶体结构等的不同,会产生不同的花样或图像衬度,由此可以推测样品的相关信息.由于电子束要能透过样品,因此样品厚度要求很薄,一般要小于100纳米.如果要做高分辨,要求更薄.

涉县13822194803： 电子显微镜成像原理 - ？
犁步柳酚： 一、透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况: 1、吸收像:当电子射到质量、密度大的样品时,主要的成相作用是散射作用.样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大,通过的电子较少,像的亮度较暗.早期的透射电子显微镜都是基于这...

涉县13822194803： 透射电镜的工作原理是什么? ？
犁步柳酚： (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,各自保持独立

涉县13822194803： 透射电镜明场像的成像原理是什么? - ？
犁步柳酚： 运用了夸张与借代的修辞手法,表现了军旅生活中豪迈、雄壮的场景,作者对军旅生活的怀念与向往,以及作者心怀报效国家的美好愿望.