透射電子顯微鏡各種功能詳解

　　一、照明系統(tǒng)

　　照明系統(tǒng)包括電子槍和聚光鏡2個主要部件，它的功用主要在于向樣品及成像系統(tǒng)提供亮度足夠的光源��電子束流，對它的要求是輸出的電子束波長單一穩(wěn)定，亮度均勻一致，調(diào)整方便，像散小。

　　1.電子槍（electronic gun）

　　由陰極（cathode）、陽極（anode）和柵極（grid）組成。

　?。?）陰極：陰極是產(chǎn)生自由電子的源頭，一般有直熱式和旁熱式2種，旁熱式陰極是將加熱體和陰極分離，各自保持獨立。在電鏡中通常由加熱燈絲（filament）兼做陰極稱為直熱式陰極，材料多用金屬鎢絲制成，其特點是成本低，但亮度低，壽命也較短。燈絲的直徑約為0.10～0.12mm，當幾安培的加熱電流流過時，即可開始發(fā)射出自由電子，不過燈絲周圍必須保持高度真空，否則就象漏氣燈泡一樣，加熱的燈絲會在傾刻間被氧化燒毀。燈絲的形狀最常采用的是發(fā)叉式，也有采用箭斧式或點狀式的，后2種燈絲發(fā)光亮度高，光束尖細集中，適用于高分辨率電鏡照片的拍攝，但使用壽命更短。

　　陰極燈絲被安裝在高絕緣的陶瓷燈座上（圖4-16），既能絕緣、耐受幾千度的高溫，還可以方便更換。燈絲的加熱電流值是連續(xù)可調(diào)的。

　　在一定的界限內(nèi)，燈絲發(fā)射出來的自由電子量與加熱電流強度成正比，但在超越這個界限后，電流繼續(xù)加大，只能降低燈絲的使用壽命，卻不能增大自由電子的發(fā)射量，我們把這個臨界點稱做燈絲飽和點，意即自由電子的發(fā)射量已達“滿額”，無以復(fù)加。正常使用常把燈絲的加熱電流調(diào)整設(shè)定在接近飽和而不到的位置上，稱做“欠飽和點”。這樣在保證能獲得較大的自由電子發(fā)射量的情況下，可以最大限度地延長燈絲的使用壽命。鎢制燈絲的正常使用壽命為40h左右，現(xiàn)代電 鏡中有時使用新型材料六硼化鑭（LaB6）來制作燈絲，其價格較貴，但發(fā)光效率高、亮度大（能提高一個數(shù)量級），并且使用壽命遠較鎢制燈絲長得多，可以達到1000h ，是一種很好的新型材料。

　?。?）陽極：為一中心有孔的金屬圓筒，處在陰極下方，當陽極上加有 數(shù)十千伏或上百千伏的正高壓��加速電壓時，將對陰極受熱發(fā)射出來的自由電子產(chǎn)生強烈的引力作用，并使之從雜亂無章的狀態(tài)變?yōu)橛行虻亩ㄏ蜻\動， 同時把自由電子加速到一定的運動速度（與加速電壓有關(guān)，前面已經(jīng)討論過）， 形成一股束流射向陽極靶面。凡在軸心運動的電子束流，將穿過陽極中心的圓孔射出電子槍外，成為照射樣品的光源。

　?。?）柵極：位于陰、陽極之間，靠近燈絲頂端，為形似帽狀的金屬物，中心亦有一小孔供電子束通過。柵極上加有0～1000V的負電壓（對陰極而言），這個負電壓稱為柵偏壓VG，它的高低不同，可由使用者根據(jù)需要調(diào)整，柵極偏壓能使電子束產(chǎn)生向中心軸會聚的作用，同時對燈絲上自由電子的發(fā)射量也有一定的調(diào)控抑制作用。

　?。?）工作原理。在燈絲電源VF作用下，電流IF流過燈絲陰極，使之發(fā)熱達2500℃以上時，便可產(chǎn)生自由電子并逸出燈絲表面。加速電壓VA 使陽極表面聚集了密集的正電荷，形成了一個強大的正電場，在這個正電場的作用下自由電子便飛出了電子槍外。調(diào)整VF可使燈絲工作在欠飽和點，電鏡使用過程中可根據(jù)對亮度的 需要調(diào)節(jié)柵偏壓VG的大小來控制電子束流量的大小。

　　電鏡中加速電壓VA也是可調(diào)的，VA增大時，電子束的波長λ縮短，有利于電鏡分辨力的提高。同時穿透能力增強，對樣品的熱損傷小，但此時會由于電子束與樣品碰撞，導(dǎo)致彈性散射電子的散射角隨之增大，成像反差會因此而有所下降，所以，在不追求高分辨率觀察應(yīng)用時，選擇較低的加速電壓反而可以獲得較大的成像反差，尤其對于自身反差對比較小的生物樣品，選用較低的加速電壓有時是有利的。

　　還有一種新型的電子槍��場發(fā)射式電子槍，由1個陰極和2個陽極構(gòu)成，第1陽極上施加一稍低（相對第2陽極）的吸附電壓，用以將陰極上面的自由電子吸引出來，而第2陽極上面的極高電壓，將自由電子加速到很高的速度發(fā)射出電子束流。這需要超高電壓和超高真空為工作條件，它工作時要求真空度達到10-7Pa，熱損耗極小，使用壽命可達2000 h;電子束斑的光點更為尖細。場發(fā)射式電子槍因技術(shù)先進、造價昂貴，目前只應(yīng)用于高檔高分辨電鏡當中。

　　2.聚光鏡（condonser lens）

　　聚光鏡處在電子槍的下方，一般由2～3級組成，從上至下依次稱為第1、第2聚光鏡（以C1 和C2表示）。關(guān)于電磁透鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理已經(jīng)在上一節(jié)中介紹，電鏡中設(shè)置聚光鏡的用途是將電子槍發(fā)射出來的電子束流會聚成亮度均勻且照射范圍可調(diào)的光斑，投射在下面的樣品上。C1和C2的結(jié)構(gòu)相似，但極靴形狀和工作電流不同，所以形成的磁場強度和用也不相同。C1為強磁場透鏡，C2為弱磁場透鏡，各級聚光鏡組合在一起使用，可以調(diào)節(jié)照明束斑的直徑大小，從而改變了照明亮度的強弱，在電鏡操縱面板上一般都設(shè)有對應(yīng)的調(diào)節(jié)旋扭。C1、C2的工作原理是通過改變聚光透鏡線圈中的電流，來達到改變透鏡所形成的磁場強度的變化，磁場強度的變化（亦即折射率發(fā)生變化）能使電子束的會聚點上下移動，在樣品表面上電子束斑會聚得越小，能量越集中，亮度也越大;反之束斑發(fā)散，照射區(qū)域變大則亮度就減小。通過調(diào)整聚光鏡電流來改變照明亮度的方法，實際上是一個間接的調(diào)整方法，亮度的最大值受到電子束流量的限制。如想更大程度上改變照明亮度，只有通調(diào)整前面提到的電子槍中的柵極偏壓，才能從根本上改變電子束流的大小。在C2上通常 裝配有活動光闌，用以改變光束照明的孔徑角，一方面可以限制投射在樣品表面的照明區(qū)域，使樣品上無需觀察的部分免受電子束的轟擊損傷;另一方面也能減少散射電子等不利信號帶來的影響。

　　二、成像系統(tǒng)

　　1.樣品室（specimen room ）

　　樣品室處在聚光鏡之下，內(nèi)有載放樣品的樣品臺。樣品臺必須能做水平面上X、Y方向的移動，以選擇、移動觀察視野，相對應(yīng)地配備了2個操縱桿或者旋轉(zhuǎn)手輪，這是一個精密的調(diào)節(jié)機構(gòu)，每一個操縱桿旋轉(zhuǎn)10圈時，樣品臺才能沿著某個方向移動3mm左右?，F(xiàn)代高檔電鏡可配有由計算機控制的馬達驅(qū)動的樣品臺，力求樣品在移動時精確，固定時穩(wěn)定;并能由計算機對樣品做出標簽式定位標記，以便使用者在需要做回顧性對照時依靠計算機定位查找，這是在手動選區(qū)操作中很難實現(xiàn)的。

　　生物醫(yī)學樣品在做透射電鏡觀察時，基本上都是將原始樣品以環(huán)氧樹脂包埋，然后用非常精密的超薄切片機切成薄片，刀具為特制的玻璃刀或者是鉆石刀。切下的生物醫(yī)學樣品的厚度通常只有幾十個納米（nm），這在一般情況下用肉眼是不能直接看到的，必須讓切片飄浮在水面上，由操作熟練的技術(shù)人員借助特殊的照明光線，并以特殊的角 度才能觀察到如此薄的切片。切好的薄片被撈放在銅網(wǎng)上，經(jīng)過染色和干燥后才能用于觀察。透射電鏡樣品的制作是一個漫長、復(fù)雜而又精密的過程，技術(shù)性非常強。但是我們前面介紹過，要想獲得優(yōu)良的電鏡影像，制做優(yōu)良的樣品標本乃是非常重要的第一步。

　　盛放樣品的銅網(wǎng)根據(jù)需要可以是多種多樣的，直徑一般均為3mm ，通常銅網(wǎng)上有多少個柵格，我們就把它稱作多少目。之所以選擇銅制作樣品網(wǎng)，是由于它不會與電子束及電磁場發(fā)生作用，同理還可以選擇其他導(dǎo)磁率低的金屬材料（如鎳）制作樣品網(wǎng)，樣品網(wǎng)屬于易耗品，銅網(wǎng)加工容易、成本低，故使用十分普及。

　　透射電鏡常見的樣品臺有2種：①頂入式樣品臺，要求樣品室空間大，一次可放入多個（常見為6個）樣品網(wǎng)，樣品網(wǎng)盛載杯呈環(huán)狀排列。使用時可以依靠機械手裝置進行依次交換。優(yōu)點是每觀察完多個樣品后，才在更換樣品時破壞一次樣品室的真空，比較方便、省時間;但所需空間太大，致使樣品距下面物鏡的距離較遠，不適于縮短物鏡焦距，會影響電鏡分辨力的提高。②側(cè)插式樣品臺，樣品臺制成桿狀，樣品網(wǎng)載放在前端，只能盛放1～2個銅網(wǎng)。樣品臺的體積小，所占空間也小，可以設(shè)置在物鏡內(nèi)部的上半端，有利于電鏡分辨率的提高。缺點是一次不能同時放入多個樣品網(wǎng)，每次更換樣品必須破壞一次樣品室的真空，略嫌不便。

　　在性能較高的透射式電鏡中，大多采用上述側(cè)插式樣品臺，為的是最大限度地提高電鏡的分辨能力。高檔次的電鏡可以配備多種式樣的側(cè)插式樣品臺，某些樣品臺通過金屬聯(lián)接能對樣品網(wǎng)加熱或者致冷，以適應(yīng)不同的用途。樣品是先盛載在銅網(wǎng)上，然后固定在樣品臺上的，樣品臺與樣品握持桿合為一體，是一個非常精巧的部件。樣品桿的中部有一個“O”形橡膠密封圈，膠圈表面涂有真空脂，以隔離樣品室與鏡體外部的真空（兩端的氣壓差極大，比值可達10～10）。

　　樣品室的上下電子束通道各設(shè)了一個真空閥，用以在更換樣品時切斷電子束通道 ，只破壞樣品室內(nèi)的真空，而不影響整個鏡筒內(nèi)的真空，這樣在更換樣品后樣品室重又抽回真空時，可節(jié)省許多時間。當樣品室的真空度與鏡筒內(nèi)達到平衡時， 再重新開啟與鏡筒相通的真空閥。

　　2.物鏡（object lens）

　　處于樣品室下面，緊貼樣品臺，是電鏡中的第1個成像元件，在物鏡上產(chǎn)生哪怕是極微小的誤差，都會經(jīng)過多級高倍率放大而明顯地暴露出來，所以這是電鏡的一個最重要部件，決定了一臺電鏡的分辨本領(lǐng)，可看作是電鏡的心臟。

　　（1）特點 物鏡是一塊強磁透鏡，焦距很短，對材料的質(zhì)地純度、加工精度、使用中污染的狀況等工作條件都要求極高。致力于提高一臺電鏡的分辨率指標的核心問題，便是對物鏡的性能設(shè)計和工藝制作的綜合考核。盡可能地使之焦距短、像差小，又希望其空間大，便于樣品操作，但這中間存在著不少相互矛盾的環(huán)節(jié)。

　　（2）作用 進行初步成像放大，改變物鏡的工作電流，可以起到調(diào)節(jié)焦距的作用。電鏡操作面板上粗、細調(diào)焦旋扭，即為改變物鏡工作電流之用。

　　為滿足物鏡的前述要求，不僅要將樣品臺設(shè)計在物鏡內(nèi)部，以縮短物鏡焦距;還要配置良好的冷卻水管，以降低物鏡電流的熱飄移;此外，還裝有提高成像反差的可調(diào)活動光闌，及其要達到高分辨率的消像散器。對于高性能的電子顯微鏡，都通過物鏡裝有以液氮為媒質(zhì)的防污染冷阱，給樣品降溫。

　　3.中間鏡（intemediate lens）和投影鏡（projection lens）

　　在物鏡下方，依次設(shè)有中間鏡和第1投影鏡、第2投影鏡，以共同完成對物鏡成像的進一步放大任務(wù)。從結(jié)構(gòu)上看，它們都是相類似的電磁透鏡，但由于各自的位置和作用不盡相同，故其工作參數(shù)、勵磁電流和焦距的長短也不相同。電鏡總放大率：

　　 M=MO·MI·MP1·MP2

　　即為物鏡、中間鏡和投影鏡的各自放大率之積。 當電鏡放大率在使用中需要變換時，就必須使它們的焦距長短相應(yīng)做出變化，通常是改變靠中間鏡和第1投影鏡線圈的勵磁工作電流來達到的。電鏡操縱面板上放大率變換鈕即為控制中間鏡和投影鏡的電流之用。

　　對中間鏡和投影鏡這類放大成像透鏡的主要要求是：在盡可能縮短鏡筒高度的條件下，得到滿足高分辨率所需的最高放大率，以及為尋找合適視野所需的最低放大率;可以進行電子衍射像分析，做選區(qū)衍射和小角度衍射等特殊觀察;同樣也希望它們的像差、畸變和軸上像散都盡可能地小。