電子顯微鏡的基本結構和成像原理　

　通常所說(shuō)的“電子顯微鏡”，一般是指透射和掃描兩種類(lèi)型的電子顯微鏡。其中，透射電子顯微鏡問(wèn)世早，在生物學(xué)和醫學(xué)上已普遍應用。掃描電子顯微鏡問(wèn)世較晚，近年來(lái)它在醫學(xué)和生物學(xué)上也逐步得到廣泛應用。

1.成像原理　　

磁場(chǎng)或電場(chǎng)對電子束的聚集作用與玻璃透鏡對光線(xiàn)的聚焦作用相似。在理想成像的情況下，電鏡中的物鏡、中間鏡和投影鏡均可利用光學(xué)中薄透鏡的作圖法和成像公式。但是，可見(jiàn)光照射樣品時(shí)，樣品不同程度地吸收、反射、折射和散射光子，產(chǎn)生色差或強度差，從而形成物體的像。而在應用電子束成像時(shí)，卻不能利用吸收現象，這是由于樣品吸收大量電子后，被吸收的電子將產(chǎn)生能量而將樣品燒毀，即使樣品不被燒毀，穿過(guò)樣品的電子也因速度改變不適于成像�！　‰娮庸鈱W(xué)像的形成，主要借助電子束的散射現象。那末，什么叫散射現象呢?這要從物質(zhì)的基本結構和特性說(shuō)起。各種物質(zhì)盡管千差萬(wàn)別，但都是由原子組成的，原子又是由原子核和環(huán)繞軌道運動(dòng)的電子組成的。原子間距是0��1nm或更大些，而原子核和電子的大小僅僅是10��-��6～10��-��7nm的數量級。在原子內部，如果把原子放大，使原子核等于1mm，則原子核與距原子核最近的電子之間的距離就有25m之遠。因此，實(shí)際上物質(zhì)是由原子核及圍繞原子核旋轉的電子組成的，這些電子按各自的運行軌道占據了大量空間。當一束具有一定能量的電子通過(guò)足夠薄的樣品時(shí)，將出現三種情況：第一種情況是入射電子直接穿過(guò)物質(zhì)空間；第二種情況是入射電子和原子核相互作用，由于原子核的質(zhì)量比電子的質(zhì)量大得多，如碳原子核的質(zhì)量是電子質(zhì)量的兩萬(wàn)倍，這時(shí)入射電子將偏斜很大的角度運動(dòng)，但幾乎不損失能量，這種相互作用稱(chēng)為“彈性散射”；第三種情況是入射電子與繞核旋轉的電子相互作用，由于它們的質(zhì)量相同，因此，入射電子不僅改變運動(dòng)方向，而且將不同程度地降低其運動(dòng)速度，這種相互作用稱(chēng)為“非彈性散射”。物質(zhì)的密度大，則原子核大，核周?chē)�的電子多，散射的電子就多；物體厚，則原子多，散射的電子也多。所以電子散射的多少與物質(zhì)的質(zhì)量和厚度的乘積有關(guān)，質(zhì)量和厚度的乘積簡(jiǎn)稱(chēng)“質(zhì)量厚度”�！　∮捎谏⑸渥饔�，一束細的平行電子穿過(guò)樣品后，就散開(kāi)成為圓錐體，如圖12-1。物體各部分的質(zhì)量厚度不同，對電子的散射亦不同。某一部分的質(zhì)量厚度大，散射的電子多，通過(guò)物鏡光闌孔的成像電子就少，在熒光屏上像的相對應部分就暗；某一部分的質(zhì)量厚度小，散射的電子少，熒光屏上像的相對應部分就亮。這樣，便形成了明暗不同的物體像。 [HT5”SS]圖12-1 電子束通過(guò)樣品后在屏上散開(kāi)成為圓錐體[HT5SS]還有一種成像方法，就是利用散射電子成像。這種方法是用光闌阻擋穿過(guò)樣品的直射電子，由離開(kāi)其原始方向的散射電子通過(guò)光闌孔成像。樣品的質(zhì)量厚度大，散射的電子就多，通過(guò)光闌孔到達熒光屏上的成像電子也多，像就亮；相反，樣品的質(zhì)量厚度小，散射的電子就少，通過(guò)光闌孔到達熒光屏上的成像電子也少，像就暗。同一個(gè)樣品，兩種成像方法形成明暗完全相反的像。前一種叫做亮場(chǎng)像，后一種叫做暗場(chǎng)像。亮場(chǎng)像是常用的一種，暗場(chǎng)像只在特殊情況下使用。亮場(chǎng)像是在一些散射角度小的電子的背景上得到的，所以像的反差小。暗場(chǎng)像的背景非常弱，像的反差較大。暗場(chǎng)像的電子束與光軸成一定角度，影響分辨本領(lǐng)，所以亮場(chǎng)像比暗場(chǎng)像的分辨本領(lǐng)大。

2.基本結構透射電子顯微鏡的結構大體上由照明系統、成像系統、真空系統和供電系統組成，如圖12-2。  圖12-2 透射式電子顯微鏡剖面 　　照明系統包括電子槍和聚光鏡。電子槍由陰極、柵極和陽(yáng)極組成。陰極是電子的發(fā)射源。陰極有兩種:一種是熱陰極，又稱(chēng)燈絲，由直徑0��08～0��1mm的鎢絲制成，如圖12-4，通以電流后燈絲即發(fā)射電子，這是通常使用的一種陰極;另一種是冷陰極，利用真空中殘存氣體的電離作用產(chǎn)生電子。柵極是用不銹鋼制成的圓筒，中央開(kāi)一圓孔，柵極處于相對陰極負幾百伏的電位，用以控制電子發(fā)射，因此，調節柵極壓，可改變像的亮度。陰極發(fā)射的電子在陰極下方形成一個(gè)電子束的最小截面，稱(chēng)之為交叉點(diǎn)。陽(yáng)極接地電位，與陰極間有數值很高的加速電壓，使電子束加速。  圖12-3 典型的發(fā)叉式燈絲 　　聚光鏡將來(lái)自電子槍的電子束會(huì )聚在樣品上并控制照明束斑的大小及孔徑角，以便得到最佳的高分辨率像。照明光斑的大小與電子源的實(shí)際尺寸和聚光鏡的放大倍數有關(guān)。單聚光鏡約可使照明光斑直徑為50μm左右，當成像系統的放大倍數達1萬(wàn)倍時(shí)，被照明的樣品面積已遠比觀(guān)察面積大，這將產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：

①放大倍數增加10倍，像的亮度將降低100倍，隨著(zhù)放大倍數的增加，像變得很暗，不利于觀(guān)察；

②大的照明面積將使視野以外的樣品部分也被加熱和污染。所以，現代電鏡一般都裝置雙聚光鏡。