croscope，M）是利用高能束充当照明光源而进行放大成像的大型显微分析设备。1933年，德国科学家卢斯卡（Ruska）和克诺尔（Knoll）研制出了世界上第一台透射电镜（见图1），并在1939年由公司以这台电镜为样机，量产了第一批商品透射电镜，约40台，分辨能力比显微镜提高了20倍。从此，人类对微观世界的科学研究有了更强有力的武器。到今天，透射电镜已经诞生了70多年，由电镜应用而形成的交叉性学科——电子显微学已经日趋完善，电镜的分辨能力也比最初时提高了超过100倍，达到了亚埃级，并且在自然科学研究中起到日益重要的作用。

　　1）由于样品制备技术的限制，对大多数生物样品来说，一般只能达到2nm的分辨率。

　　2）电镜图像的分辨能力不仅取决于电镜本身的分辨率，而且取决于样品结构的反差。

　　3）电镜所用的光源是电子波，波长在非可见光范围内无颜色反应，所形成的图像是黑白图像，要求图像必须具有一定的反差。

　　4）生物体组织和细胞成分主要有CHON等轻元素组成，它们的原子序数较低，电子散射能力弱，相互之间的差别又很小，电镜下的图像反差一般较低。

　　5）由于电子束的穿透能力较弱，样品必须制成超薄切片。

　　6）观察面小，载网直接能够为3mm，超薄切片范围为0.3-0.8mm.

　　7）电子束的强烈照射，易损伤样品，发生变形、升华等，甚至被破裂，可能使观察结构产生假象。

　　8）观察时电镜镜筒必须保持真空，为了保证样品在真空下不损伤，对样品要求应无水分。因此，不能观察活体的生物样本。

　　9）生物制样复杂，在步骤繁多的制样过程中，样品容易产生收缩、膨胀、破碎以及内含物丢失丢失等结构改变。

　　透射电子显微镜各种功能详解

　　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。

　　由阴极（cathode）、阳极（anode）和栅极（grid）组成。

　　（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，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。

　　在一定的界限内，灯丝发射出来的自由电子量与加热强度成正比，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。

　　（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。

　　（4）工作原理。在灯丝电源VF作用下，电流流过灯丝阴极，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。

　　还有一种新型的电子枪场发射式电子枪，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。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。

　　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。

　　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控制的驱动的样品台，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，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。

　　生物医学样品在做透射电镜观察时，基本上都是将原始样品以环氧树脂包埋，然后用非常精密的超薄切片机切成薄片，刀具为特制的玻璃刀或者是钻石刀。切下的生物医学样品的厚度通常只有几十个纳米（nm），这在一般情况下用肉眼是不能直接看到的，必须让切片飘浮在水面上，由操作熟练的技术人员借助特殊的照明光线，并以特殊的角 度才能观察到如此薄的切片。切好的薄片被捞放在铜网上，经过染色和干燥后才能用于观察。透射电镜样品的制作是一个漫长、复杂而又精密的过程，技术性非常强。但是我们前面介绍过，要想获得优良的电镜影像，制做优良的样品标本乃是非常重要的第一步。

　　盛放样品的铜网根据需要可以是多种多样的，直径一般均为3mm ，通常铜网上有多少个栅格，我们就把它称作多少目。之所以选择铜制作样品网，是由于它不会与电子束及电磁场发生作用，同理还可以选择其他导磁率低的金属材料（如镍）制作样品网，样品网属于易耗品，铜网加工容易、成本低，故使用十分普及。

　　透射电镜常见的样品台有2种：①顶入式样品台，要求样品室空间大，一次可放入多个（常见为6个）样品网，样品网盛载杯呈环状排列。使用时可以依靠机械手装置进行依次交换。优点是每观察完多个样品后，才在更换样品时破坏一次样品室的真空，比较方便、省时间;但所需空间太大，致使样品距下面物镜的距离较远，不适于缩短物镜焦距，会影响电镜分辨力的提高。②侧插式样品台，样品台制成杆状，样品网载放在前端，只能盛放1～2个铜网。样品台的体积小，所占空间也小，可以设置在物镜内部的上半端，有利于电镜分辨率的提高。缺点是一次不能同时放入多个样品网，每次更换样品必须破坏一次样品室的真空，略嫌不便。

　　在性能较高的透射式电镜中，大多采用上述侧插式样品台，为的是最大限度地提高电镜的分辨能力。高档次的电镜可以配备多种式样的侧插式样品台，某些样品台通过金属联接能对样品网加热或者致冷，以适应不同的用途。样品是先盛载在铜网上，然后固定在样品台上的，样品台与样品握持杆合为一体，是一个非常精巧的部件。样品杆的中部有一个“O”形橡胶密封圈，胶圈表面涂有真空脂，以隔离样品室与镜体外部的真空（两端的气压差极大，比值可达10～10）。

　　样品室的上下电子束通道各设了一个真空阀，用以在更换样品时切断电子束通道 ，只破坏样品室内的真空，而不影响整个镜筒内的真空，这样在更换样品后样品室重又抽回真空时，可节省许多时间。当样品室的真空度与镜筒内达到平衡时， 再重新开启与镜筒相通的真空阀。

　　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冷阱，给样品降温。

　　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：

　　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

　　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。

　　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）

　　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。

　　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，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。

　　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，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。

　　电镜镜筒内的电子束通道对真空度要求很高，电镜工作必须保持在10-3～10Pa以上的真空度（高性能的电镜对真空度的要求更达10Pa以上），因为镜筒中的残留气体分子如果与高速电子碰撞，就会产生电离放电和散射电子，从而引起电子束不稳定，增加像差，污染样品，并且残留气体将加速高热灯丝的氧化，缩短灯丝寿命。获得高真空是由各种真空泵来共同配合抽取的。

　　1.机械泵（旋转泵）

　　机械泵因在其他场合使用非常广泛而比较常见，它工作时是靠泵体内的旋转叶轮刮片将空气吸入、压缩、排放到外界的。机械泵的抽气速度每分钟仅为160L左右 ，工作能力也只能达到0.1～0.01Pa，远不能满足电镜镜筒对真空度的要求，所以机械泵只做为真空系统的前级泵来使用。

　　扩散泵工作原理是用电炉将特种扩散泵油加热至蒸汽 状态，高温油蒸汽膨涨向上升起，靠油蒸汽吸附电镜镜体内的气体，从喷嘴朝着扩散泵内壁射出，在环绕扩散泵外壁的冷却水的强制降温下，油蒸汽冷却成液体时析出气体排至泵外，由机械泵抽走气体，油蒸汽冷却成液体后靠重力回落到加热电炉上的油槽里循环使用，见图 4-23（c）。扩散泵的抽气速度很快，约为每秒钟570L左右，工作能力也较强，可达10～10Pa 。但它只能在气体分子较稀薄时使用，这是由于氧气成分较多时易 使高温油蒸气燃烧，所以扩散泵通常与机械泵串联使用，在机械泵将镜筒真空度抽到一定程度时，才启动扩散泵。

　　近年来电镜厂商在制作中为实现超高压、超高分辨率，必须满足超高真空度的要求，为此在电镜的真空系统中又推出了离子泵和涡轮分子泵，把它们与前述的机械泵和油扩散泵联用可以达到10Pa的超高真空度水平。

　　3.真空阀、真空规

　　真空阀是用于启闭真空通道各部分的关卡，使各部分能独立放气、抽空而不影响整个系统的真空度。

　　真空规用于镜筒各部位真空度的检测，向真空表和真空控制电路提供信号，根据检测目标的真空度不同，真空规分为“皮拉尼规”（rani gauge ）和“潘宁规”（penning gauge ）2种。前者用于低真空检测，后者用于高真空检测，被安装在镜体的不同部位。

　　电镜中的真空阀多为气动式，动力源自空气压缩机，这是因为如采用电磁动力的真空阀门，易产生干扰电磁场，影响电镜工作。电镜外部专配的空气压缩机能经常、自动地保持在4个大气压以上，以提供足够的气体压力。由空气压缩机输出的高压气体经多根软塑细管送出，先经过在计算机程序控制下动作的“总操纵集合”，然后联接到镜体内各部位安装的气动阀门处。这样，就可以通过固定程序（或人为）来操纵控制镜体外部的集合电磁阀，切断或联通任一路软塑细管，间接地启闭镜体内部的任一气动阀。

　　真空抽气系统是由2部分组成，各为1套机械泵（RP）和扩散泵（DP），分别联接镜体的上半部镜筒部分和下半部照相室部分。抽气过程是：先由机械泵将该部分（如镜筒）真空抽至10Pa 以下，由“皮拉尼”真空规（P）监测真空度达到这个值时，提供一个信号送给中央微处理器，由控制电路自动操纵扩散泵启动工作;当（镜筒）真空度达到1 0Pa时，“潘宁”规（PE）发出可以接通镜体电源电路的信号，而如果镜筒因某种 原因突然漏气，真空度一但低于设定值，“潘宁”规（PE）将立即“通知”控制电路切断工作电源。在电镜工作中，镜筒总会或多或少漏进一些气体（不可能绝对密封），所以真空泵也一直在不停地工作着，使镜体的真空度维持在一个较高的数值，达到平衡状态。在工作过程之中，如需要更换样品，则控制电路自动操纵控制镜体外部的集合电磁阀，向电子枪阀门（GV）和镜筒阀门（CV）提供气压动力，令其关闭，只给镜筒中部放气，待到换毕样品重 新抽取真空达到原来真空度时，再切断气压动力使两阀门开启，联通镜筒的上下真空和光路 通道，余此类推。图中V、LV、CV、GV均为真空阀，P（皮拉尼）、PE（潘宁）为真空规，AS为气动照相快门，CF为照相底片更换器。

　　镜体和辅助系统中的各种电路都需要工作电源，且因性质和用途不同，对电源的电压、电流 和稳压度也有不同的要求。如电子枪的阳极需要数十至数百千伏的高电压，它的稳定度应在 每分钟不漂移10以上（ 每分钟的偏离量低于十万分之一），这专门由高压发生器和 高压稳定电路（埋于油箱内）来提供。在物镜电源中则要求电流的稳定度优于10～1 0。其他透镜电源、操纵控制等电路则要求工作电压从几伏到几百伏，电流从几毫 安到几安培不等，全部由相应的电源电路变换配给，其中包括变换电路、稳压电路、恒流电路等。

　　水冷系统是由许多曲折迂迥、密布在镜筒中的各级电磁透镜、扩散泵、电路中大功率发热元件之中的管道组成。外接水制冷循环装置，为保证水冷充分（10～25℃之间，不可过高或过低）、充足（4～5L/min）、可靠（0.5～2kg/mm），在冷却水管道的出口，装有水压探测器，在水压不足时既能报警，又能通过控制电路切断镜体电源，以保证电镜在正常工作时不因为过热而发生故障。水冷系统的工作要开始于电镜开启之前，结束于电镜关闭

利用电子束照明，经电磁或静电透镜聚焦，以得到物体高放大倍数显微像的设备。电子的加速电压一般为100～200千伏，相应电子波长为0.037～0.025埃，约为可见光波长的十万分之一。所以电子显微镜（以下简称电镜）的分辨本领比光学显微镜高得多。第一台电镜制于1931年，其结构与普通光学显微镜相似，为透射电镜。60年代末发展了扫描电镜，70年代从透射电镜发展出超高压电镜和高分辨电镜，并把透射和扫描电镜技术结合起来，再加上微区成分分析技术，发展成分析电镜。

主体由电子枪、聚光镜、试样室、物镜、中间镜、投影镜、观察室和照相室组成。这些部件都置于真空中。透镜多为电磁式。从电子枪发出的电子束经聚光镜缩小后，照射在薄膜试样上，试样厚度一般小于1000埃，电子束穿过试样后，一方面在物镜的像平面上形成物体的放大像，另一方面在物镜的后焦面上形成电子衍射图。调节中间镜的电流，可任选物体的像或电子衍射图来进行放大，经投影镜再次放大中间镜像平面上的放大像，最终的放大像落在观察室的荧光屏或照相底板上。试样室一般装有倾转台，用以改变试样相对于入射电子束的方位，并可装配加热、冷却和拉伸等各种试样台。在观察室下方可以安装摄像管，再连接到电视屏幕和录相装置上，作各种试验的动态观察。

透射电镜中的成像机制大体上可分为三类，它们相应于吸收衬度像、衍射衬度像和相位衬度像。当电子束穿过薄膜试样时，膜上各处的质量厚度不一，对电子的散射能力各异。质量厚度大的地方对电子的散射角大，反之亦然。这样，物镜后焦面上的光阑就把散射角大的电子吸收掉，使像上出现衬度。如此形成的像称为吸收衬度像，它能反映出试样内部的显微组织。早期的透射电镜只能观察吸收衬度像。对于大块固体材料，只好用有机材料把固体表面的形貌复制下来，做成表面复型。复型的电子显微像能反映出固体表面的形貌。50年代中期发展了能间接地提供晶体缺陷信息的衍射衬度像，简称衍衬像。衍衬像是用晶体的衍射电子束或透射电子束成像，像衬度源于电子衍射波(或透射波)振幅的变化。电子束被薄晶体试样衍射后，试样下表面不同地点的衍射波振幅（及强度）分布对应于晶体各部分不同的衍射能力。当晶体中存在缺陷时，缺陷区域的衍射能力不同于完整区域，使各衍射波（从而使透射波）的振幅（及强度）分布不均匀，反映出晶体缺陷分布的情形。这就是衍衬像成像机制的简单原理。衍衬像的发展还使透射电镜增添了进行电子衍射观察的功能，于是使原来互不相干地发展着的两个学科──电子显微学和电子衍射──汇合起来。当试样薄至 100埃以下时，电子穿过试样后，波振幅变化甚微，可忽略不计。此时像的衬度源于电子波的相位变化，形成的像称相位衬度像。

除电子显微像外， 利用透射电镜还可以观察电子衍射图，如高分辨衍射、选区衍射、微区衍射和会聚束衍射等。

超高压电镜和高分辨电镜

透射电镜的加速电压一般为100或200千伏。试样厚度不能超过数千埃，为了观察厚试样，发展了加速电压达1000千伏的超高压电镜，使观察试样可厚达数微米。超高压电镜的结构与一般透射电镜相似，只是尺寸大得多。

高分辨电镜一般指具有厚尺度分辨本领的透射电镜，用来观察很薄试样的相位衬度像。晶体的相位衬度像可分为点阵像和结构像。点阵像只反映出晶体结构沿电子束入射方向投影的周期；结构像上则还直观可见原子或原子团，是直接观察晶体结构和缺陷的有力手段。提高电镜分辨率的途径有二，一是改善物镜极靴质量，二是提高电子的加速电压。一般的高分辨电镜基于前一途径。二者兼用的电镜称超高压高分辨电镜。

电子枪发射出的电子束斑经聚光镜缩小到几十埃后，用偏转系统使电子束在试样表面上扫描。电子束与试样表面作用后，激发出次级电子，经探测器收集，放大器放大，调制一个同步扫描的显像管亮度，形成图像。凹凸不平的试样表面各处与入射电子束有不同的夹角。夹角愈大，电子束激发出的次级电子愈少，在像上就显得愈暗，反之就显得愈亮。由此产生黑白分明、有立体感的图像。像的放大倍数等于显像管上扫描幅度与试样上电子束扫描幅度之比。扫描电镜的分辨本领略大于电子束斑直径。目前，扫描电镜的分辨本领一般为60～100埃。在扫描电镜中，除次级电子外，还可用其他信号成像。背散射电子（在试样内经多次散射再从试样表面穿出的入射电子）所成的像可用来识别原子序数的差异。标识Ｘ射线所成的像可提供元素分布情况。电子束诱导电流和阴极荧光可用来检验半导体器件。电子沟道图可用来测定晶体的取向。

在扫描电镜的发展前期曾同时发展起电子探测束，它是一种微区成分分析装置。其原理是利用微小的电子束斑激发试样的标识Ｘ射线，经晶体分光后再测定试样的成分。后来，扫描电镜也大都带有微区成分分析的装 置。现在的商品扫描电镜中，有一类是侧重于作微区成分分析用的，这类扫描电镜已逐渐取代了单独进行微区成分分析的电子探测束。扫描电镜中进行X 射线微区成分分析的装置有两类：一类是X 射线波谱分析仪，它与过去的电子探测束相似，特点是借助布喇格定律，利用晶体分光；另一类是X 射线能谱分析仪，它利用锂漂移硅探测器进行能量分光，探测器中产生的电子-空穴对与入射光子能量成正比。波谱仪的波长分辨率高，能探测原子序数 ≥5的所有元素，不足之处是一个谱仪一次只能测定一种标识X 射线。能谱仪则可同时测定试样中发出的全部能量高于数百电子伏的标识X 射线，但能量分辨率差，目前只能分析原子序数≥11的元素。

集中了透射和扫描电镜的功能。它的特点是可以在试样的同一个微小区域内进行电子显微像观察、电子衍射观察以及成分分析。分析电镜的结构是在一般透射电镜的基础上加上扫描附件和X 射线能谱仪。近来又加上了电子能量损失谱仪。电子能量损失谱分为电离损失谱、扩展电离损失谱精细结构和等离子体激元损失谱。电离损失谱可用于成分分析，它基于透射电子激发试样中原子内层电子而引起的能量损失，特点是可以分析碳、氮、氧等轻元素，探测极限低，空间分辨率高，已逐渐发展为分析电镜中的常规方法。电离损失谱有时有几十至几百电子伏的起伏，称扩展电离损失谱精细结构，它和扩展X射线吸收精细结构谱相类似，可以从中得到有关原子近邻位置和数目的信息。等离子激元损失谱则可用来测定价电子的浓度。

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1、实验四 扫描电镜构造及形貌分析1、 目的要求 1.了解扫描电子显微镜的结构与构成以及其所包含的功能。 2.了解扫描电子显微镜的实验条件。 3.掌握二次电子、被散射电子、特征X射线产生的机理。 4.掌握扫描电子显微镜的样品前处理。 5.学会分析扫描电子显微镜的数据结果。2、 扫描电镜显微镜的基本结构和工作原理 1.扫描电子显微镜的基本结构扫描电子显微镜大体由电子枪、电磁透镜、光阑、扫描线圈、各种探头与数据采集和显示系统组成。 电子枪：常规电子枪的灯丝有钨灯丝、六硼化镧灯丝。热电子枪由阴极、栅极和阳极组成。阴极为负电位，发射热电子；栅极为负电位，比阴极电位还负；阳极为正电位，加速热电子。这三级形成

2、复合场，起聚焦作用，在栅极和阳极间形成一个交叉束斑。而且斑点越小越有利于提高仪器的分辨能力。场发射电子枪由阴极为负电位，发射电子；第一阳极为正电位，抽取电子；第二阳极为正电位。 磁透镜：扫描电子显微镜中各电磁透镜是作聚光镜用，即将电子枪产生的电子束束斑缩小。扫描电子显微镜一般都有三个聚光镜，前两个聚光镜是强磁透镜，其将电子束的光斑缩小，第三个透镜是弱磁透镜，具有较长的焦距。其目的使样品和透镜间有一定的距离和空间，从而可以装入各种信号探测器。扫描电子显微镜中照射到样品上的束斑越小，其成像单元尺寸越小，相应的分辨率就越高。电子光学系统中的象差：球差：在透镜磁场中，球差是由于远离光轴运动的电子比近轴

3、区域的电子受到强的偏转的缘故。色差：电压E的变化或者磁场强度的波动都会改变物点出射电子的聚焦点位置。衍射差：电子波动和物镜光阑引起的衍射效应造成的。象散：是由于物镜的磁场不是完全的轴对称引起的。 光阑：光阑主要作用：用于过滤电子束中的远轴电子，减小电子透镜球差影响和改变孔径角度，从而调节图像景深，并且减小电子透镜色差影响。扫描电镜中的光阑包括栅极光阑、阳极光阑和聚光镜光阑、物镜光阑。 扫描线圈：扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的运动，电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作保持严格同步。电子束在样品表面进行扫描有两种方式：光栅扫描和角光栅扫描。进行形貌分析时，当电子束进入

4、上偏转线圈时，方向发生转折，随后由下偏转线圈使它的方向发生二次转折。发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心入射到样品表面。在电子束偏转的同时进行逐步扫描动作，电子束在上下偏转线圈的作用下，逐行扫描。样品上个点受到电子束轰击时发出的信号可由信号探测器接收，并且通过显示系统在显像管荧光屏上按接收的强度描绘出来。如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或者摇摆扫描。入射束被上偏转线圈转折的角度越大，则电子束在入射点上摆动的角度也越大，在进行电子通道花样分析时，采用角光栅扫描模式。 各种探头：扫描电镜中的探头包括二次电子探头、背散

5、射电子探头、特征X射线探测器、被散射电子衍射探测器以及阴极发光探测器等。二次电子是指样品原子内的电子被入射电子激发，逸出表面的电子。二次电子的逸出率是随着其在样品中的路程的增加成指数衰减，二次电子在样品中进行的路程越多，其逸出的几率越小。所以逸出样品表面的二次电子都是在样品表层下数纳米下产生的，适合分析样品表面形貌。背散射电子是指被固体样品的原子核反弹回来的一部分散射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。非弹性背散射电子运动方向和能量均发生很大的变化。一般背散射电子都是电子与样品原子发生多次散射。背散射电子的产率对散射原子的原子序数有明显的依赖关系，背散射电子的产率与电子入射到样品表

6、面的角度有关，角度越大，则背散射电子越多，所以背散射电子不仅能用作形貌分析，而且可以用来显示原子序数的衬度，在一定程度上可以做定性分析。特征X射线：当样品表面的内层原子被入射电子激发或者电离时，能量较高的外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，此时外层电子将会以光子辐射的方式释放能量。利用X射线探测器得到了样品微区中存在的某一特征波长，就可以判断这个微区中存在的相应元素。阴极荧光：入射电子与样品发生散射时，在半导体和绝缘体中的价带和导带上产生空穴电子对。如果电子空穴对没有分开，则会复合产生荧光，这种荧光就是阴极射线引起的，因此被称为阴极发光。半导体中的缺陷常常是非辐射跃迁中心，当电子束扫描到

7、半导体缺陷时，阴极发光信号弱，当电子束离开缺陷后，阴极发光信号强，因此利用阴极发光信号可以探测半导体单晶中的位错等缺陷。2. 扫描电子显微镜的工作原理扫描电镜利用细聚电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产生各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转化成调制信号，最后在荧光屏上显示反应样品表面各种特征的图像。扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大且连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效工具。扫描电镜所需的加速电压一般为130kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择。扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内可以实现连续调整。放大倍数等于荧光屏上

8、显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。扫描电镜的电子光学系统的作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。扫描电镜最常用的是二次信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。3、 实验内容与方法 1.仪器与试剂 本实验使用的是德国的蔡司的ULTRA55型扫描电子显微镜及样品。 2.制样方法 本实验的优点之一是样品制备简单。但在有些情况下需要对样品进行必要的处理:样品表面附有灰尘和油污，可用有机溶剂在超声波清洗清洗仪器中清洗。 样品表面锈蚀或严重氧化，采用化学清洗或电解的方法处理。清洗时可能会失去一些表面形貌细节，操作过程中应

9、该注意。对于不导电的的无机粉末样品，观察前需在表面喷镀一层导电金属或碳，镀膜厚度控制在510nm为宜。3.表面衬度观察二次电子信号来自于样品表面层的510nm信号的强度对样品微区表面相对于入射光束的取向非常敏感。随着样品表面相对于入射光束的倾角增大，二次电子的产额增多。因此，二次电子像适合于显示表面形貌衬度。二次电子像的分辨率高，一般约在36nm。其分辨率的高低主要取决于束斑直径，而实际上真正达到的分辨率与样品本身的性质、制样方法，以及电镜的操作条件如高压、扫描速度、光强度、工作距离、样品的倾斜角度等因素有关。4. ULTRA55型扫描电镜的操作规程 （1）开启主机电源，开启电镜检测程序。 （

10、2）进样，设置扫描的扫描参数，获得合格清晰度的图像或数据。 （3）得到实验结果并保存。 （4）关掉高压降低样品台，释放样品室真空，并打开氮气使样品室达到常压。 （5）打开样品室门，取出样品座，关上样品室门，把样品室内真空度抽回到测试初始状态。 （6）关闭视频，关闭显示器。4、 结果分析Spectrum processing :Peak possibly omitted :

12:00 AM 本次试验为测试头发的扫描电镜谱图及相应的能谱图。由图可知：该头发的表面是层状的毛鳞片，并且有缝隙。在入射倾角为25.9°时测得头发直径大约是110.3um，对其进行能谱分析（EDX），结果如下：由能谱分