关注:

1) 各种电镜的工作原理

2) 获得高质量图像，对电镜的调节步骤及机制

3) FIB的工作原理:    FIB的基本功能是，用高度聚焦的离子束来成像（imaging）和溅射（sputtering）。

4) 明场像(SEM/TEM)、暗场像、LEEM像(实空间的像)、LEED像(倒空间的像) 

5) 电子枪的工作原理

    以往最令非专业技术人员的普通操作者头疼的是，电镜需要定期及不定期地清洗、合轴、消像散等维护和调整等操作，现在可以由计算机系统来提示完成或者自动完成。

Ask the demonstrator:  How do I tilt the specimen?

  This is called the eucentric height, which means 'the height of the specimen at which its image does not moved laterally as a function of specimen tilt'.

  物镜电流决定了物镜的焦长，此时的后焦面才会在物镜光阑上，同时第一像平面才能与选区光阑共面。

   共心高度的几种做法实际上是一致的：
1. Alpha/X倾转时图像位移最小；
2. 图像在物镜默认值下聚焦；
3. Image wobbler【摇晃】在物镜默认值下合二为一（不过是用另一种判断标准的聚焦）

摘录学习：

http://www.rodenburg.org/guide/t800.html

The specimen height and eucentric height

What defines the position of specimen?   Well, pretty obviously, the specimen.  But if we think about it, there's nothing to stop us running the microscope with the specimen moved up or down relative to the objective and condenser lenses. 【样品相对于物镜和聚焦透镜的上下移动】

Suppose we moved the specimen up, as in the next Figure:

We can still focus on the specimen and make the microscope work by slightly de-exciting (defocusing) the objective lens and, if necessary, slightly increasing the excitation of the condenser lens.  

   In the picture we haven't worried deeply about the exact arrangement of the illuminating coming out of the condenser system because its not important in the present discussion.

All that's important is that we can simply de-excite the objective and still form an image on the first image plane, which then gets imaged onto the phosphor screen.  We have drawn four rays in both diagrams, a pair from a point in the specimen on the optic axis, and a pair from another point which off-axis.

Note that the magnification has changed slightly.

On most microscopes, we can also change the physical height of the specimen.  The height adjustment of the specimen is sometimes called the 'eucentric height' adjustment or 'the z- shift' or 'z-adjustment'.  'Eucentric' is a complicated word for an easy idea described shortly.  Z is 'z' because when we move the specimen laterally we call it x-y shift, and so 'z' is as in 'coordinates x,y and z', meaning that z is a vertical movement.

Ask the demonstrator: How do I mechanically adjust the eucentric height or, in other words, the specimen z shift?

You will be shown a mechanical adjustment on the specimen holder, although many modern machines have an electrical servo drive for this adjustment.

Experiment: In image mode, form an in-focus image of the specimen.  Make sure the step size of the objective lens is at a high setting.  Adjust the z-shift.  See what happens to the image.  Refocus the image using the objective lens (ie the focus knob).  By noting which way you have to turn the focus knob, work out whether the specimen has moved up or down.  Repeat the experiment until you have a feeling for how a movement in z corresponds to a change in focus of the objective lens.  Can you notice any change in magnification as you change the objective focus?

Ask the demonstrator:  How do I tilt the specimen?

You may be shown a mechanical knob on the specimen holder, an electrical device, or possibly one or two foot pedals. These all have the effect, either directly, or via a motor, of rotating the specimen holder so that the specimen tilts over, away from the horizontal.

Experiment:  Try tilting the specimen back forth.  Watch the image to see if it moves.  Change the z shift as before and repeat the experiment.  Can you work out what's happening?

You should be able to find an adjustment of the z-shift where tilting the specimen leads to a minimal movement of the image.  This is called the eucentric height, which means 'the height of the specimen at which its image does not moved laterally as a function of specimen tilt'.

What happens is this.  Unless you are using an unusual type of microscope which has a 'top entry stage', then the specimen is supported on a thin rod which comes in horizontally from the outside of the objective lens (a 'side entry stage').  

The rod can rotate around a fixed axis, tilting the specimen.  The z-shift adjustment effectively lifts or lowers the specimen without affecting the rotation axis of the rod. (Exactly how it does this varies according to the design of the specimen holder).

It is common practice to adjust the z-shift so that the middle of the specimen lies on the rotation axis of the specimen loading arm.  This has the convenience of meaning that when the specimen is tilted, the point you are observing remains stationary: i.e. we adjust the specimen to the eucentric height.

All sorts of aspects of the performance of the microscope depend upon the exact height of the specimen.  The height of the specimen defines the excitation of the objective lens, which affects the magnification of the whole machine.  There is a further complication that we will learn about in more detail later: the magnetic field of the objective lens actually spills over the top of the specimen. This means the objective setting also affects the illumination beam, in a way which is determined by the specimen height, and which is very important when we come on to STEM imaging.  The resolution of the microscope is wholly determined by the performance of the objective, and hence also by the specimen height.

For this reason, the manufacturer will often recommend that the microscope should always be run with the specimen at the eucentric height. In fact, you may find you can improve the performance of the microscope for certain applications by operating at a different specimen heights.  Many microscopists determine the very best setting of the objective lens for a particular application (say, high-resolution imaging) and then adjust the specimen height to get the microscope in focus, even if this means the specimen is non-eucentric.

http://bbs.instrument.com.cn/topic/470830

2006/7/2 13:08:00        ronchigram       编辑              

理论上，调整eucentric height or Z height主要有两个作用：

   1.为物镜电流设定参考值(reference)。（样品高度变，focus所需要的物镜电流就需要变；而物镜电流会影响放大倍数，物镜defocus和球差系数spherical aberration coefficient 等等其他电镜参数。所以需要物镜电流相对固定）

    2.方便tilting (to desired zone axis)。eucentric height就像杠杆的支点，如果把样品放在杠杆的支点（eucentric height），tilt 过程中样品就不会移动。
    实际应用中，不同的电镜厂商采用不同的策略。例如JEOL 2010F，一般先固定物镜电流（例如6.87），然后用Z height调整minimum contrast来实现focus （所谓的eucentric height）；对Tecnai F20, 通常先按eucentric focus button，然后在image wobbler（例如Alpha Wobbler）过程中，使用Z height去minimize image movement去确定eucentric height。

2006/7/3 0:34:00                 tem_abc

      Ronchigram的理解基本正确。eucentric height的直译是“共心高度”，也就是说样品的观察点坐在Alpha（Philips用语）或X（JEOL用语)的旋转轴上，倾转时图像的移动最小。不过，观察点同时坐在Beta/Y旋转轴的可能性几乎为零。故样品做Beta/Y倾转时仍会有位移。
      共心高度不仅提供了倾转的方便性，同时也是电镜对中的参考点：物镜电流的默认(default）值，就是使得样品在共心高度下聚焦。

     在一些电镜上，按Auto Focus或Eucentri Focus就使得物镜恢复默认值。电镜的校正也是在这个条件下完成，要想得到很好的重复性，你仍然需要首先确认共心高度。此外，能谱探头也瞄准这个高度，样品或高或低都会相应减小X光计数率。
     知道这些以后，就不难理解得到共心高度的几种做法实际上是一致的：
1. Alpha/X倾转时图像位移最小；
2. 图像在物镜默认值下聚焦；
3. Image wobbler【摇晃】在物镜默认值下合二为一（不过是用另一种判断标准的聚焦）

样品不在共心高度图像也可聚焦，但此时的物镜电流不是默认值，会导致测量的误差。

原文由 ustb 发表:
在物镜电流的default值下，物镜处在一个什么状态？

     物镜的默认值是在电镜对中过程中建立的。在对中过程里，当你被要求在不同的放大倍数下聚焦图像时，这一电流值就变成了默认值，并可在相对应的放大倍数下快速地恢复。既然物镜电流决定了物镜的焦长，此时的后焦面才会在物镜光阑上，同时第一像平面才能与选区光阑共面。这种符合电子光学基本条件的情形，当然是物镜的最佳状态了。

FIB的工作原理

http://blog.sina.com.cn/s/blog_a6622d5a01010t7s.html

     最近一直在学习用FIB制备TEM样品。步骤上基本上了解了，所以今天就了解下FIB的原理吧。我所了解的是从几篇文章上学的。下面就分别具体写写吧。

（a）FIB instrument

   FIB的基本功能是：用高度聚焦的离子束来成像（imaging）和溅射（sputtering）。对于任何离子束来说：有效离子源尺寸越小，聚焦到一个点上的电流越大。

    通常现在所用的离子源为场离子化源，其离子源尺寸可小到5 nm。现在大部分的设备用的离子源是液态金属Ga。离子束一般通过聚光镜和物镜来聚焦，由于电磁透镜的聚焦强度直接与运动颗粒的电荷/质量比值相关，所以需要超级巨大的磁铁才能将离子束聚焦。这是很不实际的，所以离子束的聚焦就直接用静电场聚焦。（Question:为何电子束聚焦不用静电场？）离子束的尺寸和形状决定了基本的像分辨率和微加工的精度。一般来说，离子束直径越小，分辨率和加工精度越高。实际上，FIB成像的终极空间分辨率是由由溅射控制的signal/noise（信噪比）来控制的，一般是10 nm。

       FIB-SEM设备的样品台可以倾转52°，其中Ga离子束和电子束即成52°夹角，而这两种束汇聚的点为eucentric height。需要进行FIB成像或溅射的样品区域要设定成eucentric height。下图为FIB-SEM的示意图。

（b）Ion-solid interactions

   当离子进入到固体中，离子动能与样品原子能量转换。可以有以下的形式：

   （1）离子反射和背散射（ion reflection and backscattering）

   （2）电子发射（electron emission）

   （3）电磁辐射（electromagnetic radiation）

   （4）原子溅射和离子发射（atomic sputtering and ion emission）

   （5）样品损坏（sample damage）

   （6）样品变热（sample heating）

通常，很容易出现Ga离子植入的现象，而且会造成样品表面20 nm的深度范围破坏。其相互作用的示意图如下图。
   后面的内容明天继续写，今天就此搁笔。不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。我打算下一周内完成第三篇文章，所以等下周结束时，把第10天里那个“明天下午补上”给替换掉。坚持，坚持！！！

明场像(SEM/TEM)、暗场像、LEEM像(实空间的像)、LEED像(倒空间的像)    

    透射电子显微镜是一种具有高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器，被广泛应用于材料科学等研究领域。

透射电镜以波长极短的电子束作为光源，电子束经由聚光镜系统的电磁透镜将其聚焦成一束近似平行的光线穿透样品，再经成像系统的电磁透镜成像和放大，

然后电子束投射到主镜简最下方的荧光屏上而形成所观察的图像。在材料科学研究领域，透射电镜主要可用于材料微区的组织形貌观察、晶体缺陷分析和晶体结构测定。

http://baike.baidu.com/link?url=G9RWFofGAEBd_Z7R9yhndBFW9sfoab4XPn5bIJpVSupvWKDdL-pZ32ufD7ffiCTJABC9MrDls80MoTRYnbuo8K

让衍射束成像的操作称为暗场操作，所成的像称为暗场像。

让透射束成像的操作称为明场操作，所成的像称为明场像。

   明暗场成像原理：晶体薄膜样品明暗场像的衬度（即不同区域的亮暗差别），是由于样品相应的不同部位结构或取向的差别导致衍射强度的差异而形成的，因此称其为衍射衬度，以衍射衬度机制为主而形成的图像称为衍衬像。

     如果只允许透射束(透射电子，能量会有损失吗？)通过物镜光栏成像，称其为明场像；如果只允许某支衍射束(弹性散射电子，透过并散射，能量无损失？)通过物镜光栏成像，则称为暗场像。

    有关明暗场成像的光路原理参见图。就衍射衬度而言，样品中不同部位结构或取向的差别，实际上表现在满足或偏离布拉格条件程度上的差别。满足布拉格条件的区域，衍射束强度较高，而透射束强度相对较弱，用透射束成明场像该区域呈暗衬度；反之，偏离布拉格条件的区域，衍射束强度较弱，透射束强度相对较高，该区域在明场像中显示亮衬度。而暗场像中的衬度则与选择哪支衍射束成像有关。如果在一个晶粒内，在双光束衍射条件下，明场像与暗场像的衬度恰好相反。

http://netclass.csu.edu.cn/JPKC2008/China/01jfeng/zxxx/wlja/12_1.html

电子枪的工作原理

http://www.elecfans.com/book/story.php?id=32

    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。
 

图4-12 投射光镜与透射电镜的光路对照图

     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，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

一、照明系统
   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。
   1.电子枪（electronic gun）
   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。灯丝的形状最常采用的是发叉式，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。  

图4-14电子枪的构成

    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，可以最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。
     
图4-15 电镜常见钨制阴极灯丝形状

【灯丝原来很简单哈】

(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。

图4-17 电子枪的工作原理

   (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。
   
图4-18 新型场发射式电子枪工作原理示意图

?  还有一种新型的电子枪——场发射式电子枪（见图4-18），

   由1个阴极和2个阳极构成，第1阳极上施加一稍低（相对第2阳极）的吸附电压，用以将阴极上面的自由电子吸引出来，而第2阳极上面的极高电压，将自由电子加速到很高的速度发射出电子束流。这需要超高电压和超高真空为工作条件，它工作时要求真空度达到10-7Pa，热损耗极小,使用寿命可达2000 h；电子束斑的光点更为尖细，直径可达到10nm以下，较钨丝阴极（大于104nm）缩小了３个数量级；由于发光效率高，它发出光斑的亮度能达到10⁹ A/cm2·s，较钨丝阴极（10⁶ A/cm2·s ）也提高了３个数量级。场发射式电子枪因技术先进、造价昂贵，目前只应用于高档高分辨电镜当中。

   2.聚光镜（condonser lens）
    聚光镜处在电子枪的下方，一般由2～3级组成，从上至下依次称为第1、第2聚光镜(以C1 和C2表示)。关于电磁透镜的结构和工作原理已经在上一节中介绍，电镜中设置聚光镜的用途是将电子枪发射出来的电子束流会聚成亮度均匀且照射范围可调的光斑，投射在下面的样品上。C1和C2的结构相似，但极靴形状和工作电流不同，所以形成的磁场强度和用也不相同。C1为强磁场透镜，C2为弱磁场透镜，各级聚光镜组合在一起使用，可以调节照明束斑的直径大小，从而改变了照明亮度的强弱，在电镜操纵面板上一般都设有对应的调节旋扭。C1、C2的工作原理是通过改变聚光透镜线圈中的电流，来达到改变透镜所形成的磁场强度的变化，磁场强度的变化（亦即折射率发生变化）能使电子束的会聚点上下移动，在样品表面上电子束斑会聚得越小，能量越集中，亮度也越大；反之束斑发散，照射区域变大则亮度就减小。

    通过调整聚光镜电流来改变照明亮度的方法，实际上是一个间接的调整方法，亮度的最大值受到电子束流量的限制。如想更大程度上改变照明亮度，只有通调整前面提到的电子枪中的栅极偏压，才能从根本上改变电子束流的大小。在C2上通常 装配有活动光阑，用以改变光束照明的孔径角，一方面可以限制投射在样品表面的照明区域,使样品上无需观察的部分免受电子束的轰击损伤；另一方面也能减少散射电子等不利信号带来的影响。

二、成像系统
   1.样品室（specimen room ）
   样品室处在聚光镜之下，内有载放样品的样品台。样品台必须能做水平面上X、Y方向的移动，以选择、移动观察视野，相对应地配备了2个操纵杆或者旋转手轮，这是一个精密的调节机构，每一个操纵杆旋转10圈时，样品台才能沿着某个方向移动3mm左右。现代高档电镜可配有由计算机控制的马达驱动的样品台，力求样品在移动时精确，固定时稳定；并能由计算机对样品做出标签式定位标记，以便使用者在需要做回顾性对照时依靠计算机定位查找，这是在手动选区操作中很难实现的。

2.物镜（object lens）
    处于样品室下面，紧贴样品台，是电镜中的第1个成像元件，在物镜上产生哪怕是极微小的误差，都会经过多级高倍率放大而明显地暴露出来，所以这是电镜的一个最重要部件，决定了一台电镜的分辨本领，可看作是电镜的心脏。
   (1)特点  物镜是一块强磁透镜，焦距很短，对材料的质地纯度、加工精度、使用中污染的状况等工作条件都要求极高。致力于提高一台电镜的分辨率指标的核心问题,便是对物镜的性能设计和工艺制作的综合考核。尽可能地使之焦距短、像差小，又希望其空间大，便于样品操作，但这中间存在着不少相互矛盾的环节。
   (2)作用  进行初步成像放大，改变物镜的工作电流，可以起到调节焦距的作用。电镜操作面板上粗、细调焦旋扭，即为改变物镜工作电流之用。
   为满足物镜的前述要求，不仅要将样品台设计在物镜内部，以缩短物镜焦距；还要配置良好的冷却水管，以降低物镜电流的热飘移；此外，还装有提高成像反差的可调活动光阑，及其要达到高分辨率的消像散器。对于高性能的电子显微镜，都通过物镜装有以液氮为媒质的防污染冷阱，给样品降温。

   3.中间镜（intemediate lens）和投影镜（projection lens）
   在物镜下方，依次设有中间镜和第1投影镜、第2投影镜，以共同完成对物镜成像的进一步放大任务。从结构上看，它们都是相类似的电磁透镜，但由于各自的位置和作用不尽相同，故其工作参数、励磁电流和焦距的长短也不相同。电镜总放大率：
?                         M＝MO·MI·MP1?·MP2?
   即为物镜、中间镜和投影镜的各自放大率之积。 当电镜放大率在使用中需要变换时，就必须使它们的焦距长短相应做出变化，通常是改变靠中间镜和第1投影镜线圈的励磁工作电流来达到的。电镜操纵面板上放大率变换钮即为控制中间镜和投影镜的电流之用。
  对中间镜和投影镜这类放大成像透镜的主要要求是：在尽可能缩短镜筒高度的条件下，得到满足高分辨率所需的最高放大率，以及为寻找合适视野所需的最低放大率；可以进行电子衍射像分析，做选区衍射和小角度衍射等特殊观察；同样也希望它们的像差、畸变和轴上像散都尽可能地小。

   三、观察、记录系统
   1.观察室
   透射电镜的最终成像结果，显现在观察室内的荧光屏上，观察室处于投影镜下，空间较大，开有1～3个铅玻璃窗，可供操作者从外部观察分析用。对铅玻璃的要求是既有良好的透光特性，又能阻断X线散射和其他有害射线的逸出，还要能可靠地耐受极高的压力差以隔离真空。
   由于电子束的成像波长太短，不能被人的眼睛直接观察，电镜中采用了涂有荧光物质的荧光屏板把接收到的电子影像转换成可见光的影像。观察者需要在荧光屏上对电子显微影像 进行选区和聚焦等调整与观察分析，这要求荧光屏的发光效率高，光谱和余辉适当，分辨力好。目前多采用能发黄绿色光的硫化锌-镉类荧光粉做为涂布材料，直径约在15～20cm。
   荧光屏的中心部分为一直径约10cm的圆形活动荧光屏板，平放时与外周荧屏吻合，可以进行大面积观察。使用外部操纵手柄可将活动荧屏拉起，斜放在45°角位置，此时可用电镜置配的双目放大镜,在观察室外部通过玻璃窗来精确聚焦或细致分析影像结构；而活动荧光屏完全直立竖起时能让电子影像通过，照射在下面的感光胶片上进行曝光。

   2.照相室
   在观察中电子束长时间轰击生物医学样品标本，必会使样品污染或损伤。所以对有诊断分析价值的区域，若想长久地观察分析和反复使用电镜成像结果，应该尽快把它保留下来，将因为电子束轰击生物医学样品造成的污染或损伤降低到最小。此外，荧光屏上的粉质颗粒的解像力还不够高，尚不能充分反映出电镜成像的分辨本领。将影像记录存储在胶片上��照相,便解决了这些问题。
   照相室处在镜筒的最下部，内有送片盒（用于储存未曝光底片）和接收盒（用于收存已曝光底片）及一套胶片传输机构。电镜生产的厂家、机型不同，片盒的储片数目也不相同，一般在20～50片/盒左右，底片尺寸日本多采用82.5mm×118mm，美国常用82.5mm×101.6mm，而欧州则用90mm×120mm。每张底片都由特制的一个不锈钢底片夹夹持，叠放在片盒内。工作时由输片机构相继有序地推放底片夹到荧光屏下方电子束成像的位置上。曝光控制有手控和自控两种方法，快门启动装置通常并联在活动荧光屏板的扳手柄上。电子束流的大小可由探测器检测，给操作者以曝光指示；或者应用全自动曝光模式由计算机控制，按程序选择曝光亮度和最佳曝光时间完成影像的拍摄记录。
   现代电镜都可以在底片上打印出每张照片拍摄时的工作参数，如：加速电压值、放大率 、微米标尺、简要文字说明、成像日期、底片序列号及操作者注解等备查的记录参数。观察室与照相室之间有真空隔离阀。以便在更换底片时，只打开照相室而不影响整个镜筒的真空。
   3.阴极射线管(CRT)显示器?
   电镜的操作面板上的CRT显示器主要用于电镜总体工作状态的显示、操作键盘的输入内容显示、计算机与操作者之间的人机对话交流提示以及电镜维修调整过程中的程序提示、故障警示等。

四、调校系统
   1.消像散器
   像散（指轴上像散）的产生除了前面介绍的材质、加工精度等原因以外，实际上在使用过程中，会因为各部件的疲劳损耗、真空油脂的扩散沉积、以及生物医学样品中的有机物在电子束照射下的热蒸发污染等众多因素逐渐积累，使得像散也在不断变化。所以像散的消除在电镜制造和应用之中都成了必不可少的重要技术。
   早期电镜中曾采用过机械式消像散器，利用手动机械装置来调整电磁透镜周围的小磁铁 组成的消像散器，来改变透镜磁场分布的缺陷。但由于调整的精确性和使用的方便性均难令人满意，现在这种方式已被淘汰。目前的消像散器由围绕光轴对称环状均匀分布的8个小电磁线圈构成，见图4-21，用以消除(或减小)电磁透镜因材料、加工、污染等因素造成的像散。其中每4个互相垂直的线圈为1组，在任一直径方向上的2个线圈产生的磁场方向相反，用2组控制电路来分别调节这2组线圈中的直流电流的大小和方向，即能产生1个强度和方向可变的合成磁场（图4-21中的虚线椭圆），
 
图4-21 由电磁线圈构成的消像散器  
?以补偿透镜中所原有的不均匀磁场缺陷（图中椭圆形实线），以达到消除或降低轴上像散的效果。
   一般电镜在第2聚光镜中和物镜中各装有2组消像器，称为聚光镜消像散器和物镜消像散器。聚光镜产生的像散可从电子束斑的椭圆度上看出，它会造成成像面上亮度不均匀和限制分辨率的提高。调整聚光镜消像散器（镜体操作面板上装有对应可调旋钮），使椭圆形光斑恢复到最接近圆状即可基本上消除聚光镜中存在的像散。
   物镜像散能在很大程度上影响成像质量，消除起来也比较困难。通常使用放大镜观察样品支持膜上小孔在欠焦时产生的费涅尔圆环的均匀度，或者使用专门的消像散特制标本来调整消除，这需要一定的经验和操作技巧。近年来在一些高档电镜机型之中，开始出现了自动消像散和自动聚焦等新功能，为电镜的使用和操作提供了极大的方便。

   2.束取向调整器及合轴
   最理想的电镜工作状态，应该是使电子枪、各级透镜与荧光屏中心的轴线绝对重合。但这是很难达到的，它们的空间几何位置多多少少会存在着一些偏差，轻者使电子束的运行发生偏离和倾斜，影响分辨力；稍微严重时会使电镜无法成像甚至不能出光（电子束严重偏离中轴,不能射及荧光屏面）。为此电镜采取的对应弥补调整方法为机械合轴加电气合轴的操作。 
   机械合轴是整个合轴操作的先行步骤，通过逐级调节电子枪及各透镜的定位螺丝，来形成共同的中心轴线。这种调节方法很难达到十分精细的程度，只能较为粗略地调整，然后再辅之以电气合轴补偿。
   电气合轴是使用束取向调整器的作用来完成的，它能使照明系统产生的电子束做平行移动和倾斜移动，以对准成像系统的中心轴线。束取向调整器分枪（电子枪）平移、倾斜和束（电子束）平移、倾斜线圈两部分。前者用以调整电子枪发射出电子束的水平位置和倾斜角度；后者用以对聚光镜通道中电子束的调整。均为在照明光路中加装的小型电磁线圈，改变线圈产生的磁场强度和方向,可以推动电子束做细微的移位动作。
   合轴的操作较为复杂，不过在合轴操作完成后，一般不需经常调整。只是束平移调节作为一 个经常调动的旋钮，放在电镜的操作面板上，供操作者在改变某些工作状态（如放大率变换）后，将偏移了的电子束亮斑中心拉回荧光屏的中心，此调节器旋钮也称为“亮度对中”钮。

   3.光阑
   如前所述，为限制电子束的散射，更有效地利用近轴光线，消除球差、提高成像质量和反差 ，电镜光学通道上多处加有光阑，以遮挡旁轴光线及散射光，参见图4-22。
 

图4-22 TEM光学通道中的光阑

 
   光阑有固定光阑和活动光阑2种，固定光阑为管状无磁金属物，嵌入透镜中心，操作者无法调整（如聚光镜固定光阑）。活动光阑是用长条状无磁性金属钼薄片制成，上面纵向等距离排列有几个大小不同的光阑孔，直径从数十到数百个微米不等，以供选择使用。活动光阑钼片被安装在调节手柄的前端，处于光路的中心，手柄端在镜体的外部。活动光阑手柄整体的中部，嵌有“Ｏ”形橡胶圈来隔离镜体内外部的真空。可供调节用的手柄上标有1、2、3、4号定位标记，号数越大，所选的就孔径越小。光阑孔要求很圆而且光滑，并能在 X、Y方向上的平面里做几何位置移动，使光阑孔精确地处于光路轴心。因此，活动光阑的调节手柄，应能让操作者在镜体外部方便地选择光阑孔径，调整、移动活动光阑在光路上的空间几何位置。
   

    电镜上常设3个活动光阑供操作者变换选用：

    ①聚光镜C2光阑，孔径约在20～200μm左右，用于改变照射孔径角，避免大面积照射对样品产生不必要的热损伤。光阑孔的变换会影响光束斑点的大小和照明亮度；

    ②物镜光阑，能显著改变成像反差。孔径约在10～100μm 左右，光阑孔越小，反差就越大，亮度和视场也越小(低倍观察时才能看到视场的变化)。若选择的物镜光阑孔径太小时，虽能提高影像反差，但会因电子线衍射增大而影响分辨能力，且易受到照射污染。如果真空油脂等非导电杂质沉积在上面，就可能在电子束的轰击下充放电，形成的小电场会干扰电子束成像，引起像散，所以物镜光阑孔径的选择也应适当；

     ③中间镜光阑，也称选区衍射光阑，孔径约在50～400μm左右，应用于衍射成像等特殊的观察之中。

八、高分辨率TEM影像的拍摄要点
   1.样品制作：要求切片(或复型)样品的厚薄适宜，染色好。
   2.合轴：保证机械合轴与电气合轴的精良。
   3.消像散：细心消除聚光镜和物镜的像散。
   4.聚焦：需一定经验，精心调正。
   5.曝光：以重点观察部位密度为准，对测光结果略加补偿。
   6.避免电压波动，外界磁场和震动的干扰。
   7.拍摄倍率不宜太高，以刚能看清细节为界。

第5节 电子显微镜的新技术

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一、电镜研制中新技术的应用
   在50～60年代，电镜的发展几乎集中在提高常压电镜的分辨率和改进制样技术方面。70～80年代，除继续提高仪器的分辨率外，在电镜的工作方式上有很多的拓展，出现了超高压电子显微镜、透射扫描式电子显微镜、分析型电子显微镜等，更为广泛地开发了电镜的功能和拓展其应用范围。90年代以后，电子技术和计算机技术的应用使得电镜的自动化程度有了很大的提高，以往非常复杂的电镜合轴、消像散等调整步骤均可以由计算机控制系统去完成，使操作人员使用起来更加便利与快捷，而电镜的影像显示、处理、存储和传输等功能也随之变得愈加强大，内容愈加丰富多彩起来。
   1.电镜的结构方面?
   (1)电子枪  按低、中、高档电镜分别采用钨丝、六硼化镧阴极材料和冷场发射电子枪，某些电镜为适用不同用途还可以换用不同的阴极材料；高档电镜中的场发射电子枪又另配有阳极加热器和巴特勒型防静电透镜，使电镜的枪阴极寿命、电子束的亮度和稳定性得到大大提高。在电子枪需要更换时，以往都要手动升降电子枪，现已出现了气压驱动自动升降方式。      
    (2)样品室  配有可由计算机精密控制Ｘ－Ｙ移动并且带Ｙ－Ｚ倾斜角度旋转测定的样品台；样品台和放大率连动控制；样品位置、倾斜角度等状态在ＣＲＴ上即时 显示，样品位置20点记忆和记忆位置自动回位；防止样品污染和损伤的样品室排气管冷阱、通过“冷指”传导的液态氮冷却装置。
    (3)电磁透镜  不同档次电镜的聚光镜为２～３级不等；为提高物镜精度出现了一体化透镜设计，中间镜和投影镜采用了成对设计、两两互补、相互抵消低倍影像畸变等措施。
   (4)观察室和照相室  荧光屏升降由手动改为马达驱动自动升降，电子束自动检测、全自动曝光计与快门连动，能防止无意二次曝光，可进行多次曝光的底片输送与快门连动机构，能避免输送空片的底片检测机构。
   (5)真空泵  为适应场发射电子枪的需要，高档电镜多采用离子泵和涡轮分子泵，从而在机械泵和油扩散泵的基础上进一步提高真空度，目前电镜内场发射电子枪的最高真空度已达到10-7Pa。
   (6)其他方面   综合分析型电镜的倔起，导致了多种多样的信号探测器和影像数据处理器被引进了电子显微镜内，除常规的透射电子和二次电子以外，散射电子、背散射电子、Ｘ线等均被加以利用，于是对应上述各种信号的探测，如：散射电子、背散射电子探测系统，Ｘ线波谱、能谱分析仪等就成了分析型电镜的可随意选购、方便安装 的配套装置。

   2.操作功能和性能
   一方面电镜的功能在不断增加，另一方面电镜的操作却在越加方便和容易。以往最令非专业技术人员的普通操作者头疼的是，电镜需要定期及不定期地清洗、合轴、消像散等维护和调整等操作，现在可以由计算机系统来提示完成或者自动完成。

二、新型电子显微镜
   1.超高压电镜
   加速电压超过500kV的透射电镜，称为超高压电镜，目前世界上电镜的最高加速电压可达到3000kV。超高压电镜体积庞大，结构也更复杂。

     发展超高压电镜主要是为了研究样品在自然状态下的形貌，期望能观察生物活体和活细胞内超微结构的动态变化，还想通过增加附件，去观察标本在各种不同角度，以及加温、冷却、拉伸、弯曲过程中的形变等。它具有下述优点：

①由于加速电压很高，电子束的能量极大，因而能穿透较厚的样品；

②景深很大，厚样品在不同高度上的细节都能同时清楚地成像在同一平面上，采用立体照相技术可获得三维结构的影像；

③辐射损伤小，有较高的分辨率；

④样品室大，可使用具有多种用途的样品台，从而使人们有可能了解生物活体和活细胞内超微结构的动态变化。

   ２．综合型分析电镜?
   目前电镜正在逐渐发展成为一种大型综合分析仪器，利用电子束照射样品后所产生的各种电子信号，通过不同的探测器来收集不同的信息［图4-32(a)］，从而对样品进行微区综合分析，这种电镜称为综合型分析电镜。如电镜与X线微区分析、微区电子衍射、俄歇(Auger)电子谱仪、能谱仪（EDS）及波谱仪（WDS）等相结合，可在观察样品形貌像的同时，对样品进行微区化学成分及结构的综合分析［图4-32(b)］。  

图4-32 综合型分析电镜

  X线显微分析法是较早发展起来的一门技术，它包括2种方法：一种是分析X 线的波长，称为X线波谱分析法；另一种是分析X线的强度，称为X线能谱分析法。用这种技术既能对体积只有几立方微米内所包含的元素成分进行分析，又能把它们和组织细胞的显微形态结构对应起来，从而完成定位定量分析。其分析精度很高，能分析出亿万分之一克的微量元素，并且元素周期表上大部分元素都能分析出来。分析电镜具有许多优点，现在普遍使用在许多学科研究中，在生物医学研究领域里用来分析各种不同组织细胞中存在的元素,了解特殊元素在体内可能具有的功能，也可作病理及致癌因子的研究。
   从以上介绍可看出，电子显微镜已不仅是一种高倍显微镜，如今已成为定性、定量综合分析的揭示微观世界的仪器。而电子显微学也随着生物医学的发展，已从初期的基础研究学科范畴，广泛地走进临床医学等应用学科领域。

   3.扫描隧道电子显微镜
   最后需要特别介绍一下80年代发展起来的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microsco py)。在本章开始我们已经介绍，电子显微镜之所以能获得较之光学显微镜更高的成像分辨 率，是由于它的电子束波长非常地短，鉴于它的成像方法等原因，至目前电镜的成像分辨率已近极限。尽管近年来电镜的研制经过不断地改进与提高，使其功能和应用范围获得了很大的拓展，但仅就其分辨率一项性能而言，并没有太大的突破。若想更深入地领略极细微空间的自然世界，只有另辟蹊径，寻找其他的成像方式。扫描隧道电子显微镜就此应运而生，它是利用直径为原子尺度的针尖在样品表面扫描，

   图4-33各种显微镜的探微领域?

   针尖与样品表面非常地接近，电子云互相重叠，在这两个物体间施加一适当电压，电子就可因量子隧道效应由针尖(或样品)转移到样品(或针尖)，从而在针尖和样品间形成隧道电流。隧道电流则随针尖与样品间距的变化而发生变化（如：间距增大则电流减小），这是就可以得到表征样品表面原子排列和原子形态的清晰影像。 这是继光学显微镜、电子显微镜以后，人们能直接观察研究物质微观结构的又一种新型显微镜（图4-33为各种显微镜的探微领域示意）。  
图4-33 各种显微镜的探微领域
    它的横向分辨率为0.1～0.2nm，而深度分辨率高达几个皮米(1pm=10-12m)，其放大倍数可达数千万倍，比普通电镜还要高数百倍。并克服了普通电镜中高能电子束对样品的辐射损伤、对样品表面起伏深度分辨率低以及样品必须处于真空中的限制，扫描隧道显微镜既可以在高真空、超高真空中,也可以在大气下甚至液体中无损伤地直接观察物质表面结构。利用扫描隧道显微镜人类第一次清晰地直接观察到了111硅表面7×7结构的原子排列像和含水的DNA大分子结构等。

    研制扫描隧道显微镜的科学家们在它的电子探针下面将单个原子逐个移动，以排列成自己的姓名或者国家名称为荣耀，成为科学界的一大美谈。由于在微电子技术、表面科学和生物科学等领域中有着广阔的应用前景和强大的生命力，目前扫描隧道显微镜仪的自身提高与改进和它实际应用领域的探索，已成为各国科学家深入研究的共同热点。