透射电镜成像原理学术论文

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。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。

透射电镜，全称透射电子显微镜，是用于观察组织细胞超微结构的大型精密电子仪器，已广泛应用于医学、生物学等各个研究领域，成为研究细胞生物学、组织学、病理学、解剖学以及临床病理诊断的重要工具之一。透射电镜的结构透射电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。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三个部分组成。透射电镜的核心是电子光学系统，通常称为镜筒，它分为三个部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。透射电镜的结构.jpg在透射电镜中，照明系统的中的电子枪发射电子束，经过多级聚光镜的聚焦，形成在样品平面上可获得2-10微米的照明电子束斑。聚焦的电子束在透射电镜主体的中部，被高电压加速，然后加速电子束照射到试样上，入射电子与试样之间发生的相互作用。对于非常薄的试样，许多电子不与试样发生相互作用而穿过试样，这种电子称为透射电子。除这种电子外，其余的电子与试样相互作用而发生散射，试样越厚，被散射的可能性越大。物质对电子的散射，可以分为弹性散射和非弹性散射两类。对于弹性散射，被散射电子的方向发生变化，但是散射电子的速度和能量不变。引起布拉格反射的衍射波和背散射电子是一种弹性散射。与这类弹性散射电子不同，电子的速度和能量发生变化的所有电子都属于非弹性散射电子。透射电镜中的明场像和暗场像等都是利用透射电子和弹性散射电子成像的。透射电镜的成像原理透射电镜中像的形成可以理解为一个光学透镜(物镜)的成像。具有一定波长λ的电子束入射到晶面间距为d的晶体时，在满足布拉格条件2dsinθ=λ的特定角度(2θ)处产生衍射波。这个衍射波在物镜的后焦面上会聚成一点，形成衍射点。在透射电镜中，后焦面上形成的规则的花样经其后的电子透镜在荧光屏上显现出来，这就得到了所谓的电子衍射花样(或者叫做电子衍射图形)。在后焦面上的衍射波继续向前运动时，衍射波合成，在像平面上形成放大的像(电子显微像)。通常，将生成衍射花样的后焦面上的空间称为倒易空间(倒易晶格空间)，将试样位置或成像平面称为实空间。从试样到后焦面的电子衍射，即是从实空间到倒易空间的变化，在数学上用傅立叶变换来表示。在透射电镜中，通过调节电子透镜(改变透镜的焦距)，就能够很容易观察到电子显微像(实空间的信息)和电子衍射花样(倒易空间的信息)，利用这两种观察模式就能很好的获取这两类信息。对于电子衍射花样的观察，先观察电子显微像(放大像)，插入光阑(选区光阑)到感兴趣的区域，调节电子透镜，就能得到只有这个区域产生的电子衍射花样。这种观察模式叫选区电子衍射方法。利用选区电子衍射方法能获得细微组织各个区域的电子衍射花样，从而能够得知各个区域的晶体结构和它们的晶体取向关系。插入光阑能够选择的Z小视场范围通常是直径左右。但是对于新近出品的透射电镜，可使入射到试样上的电子束会聚到很小来观察电子衍射花样，这就是所谓的微衍射方法。在这种情况下，能够观察直径为数纳米以下的微小区域的电子衍射花样。

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。