电子显微镜的基本原理

一、电子显微镜的基本原理

（一）电子显微镜分类

因为用途不同，电子显微镜种类繁多。迄今为止，已有多种电子显微镜的分类方法。常用的电子显微镜可以分为三类：第一类，透射式电子显微镜，可分为简易型电子显微镜、普及型电子显微镜、高分辨率电子显微镜、高压电子显微镜、超高压电子显微镜等；第二类，扫描电子显微镜，包括扫描隧道电子显微镜等；第三类，分析电子显微镜，包括透射式分析电子显微镜、扫描式分析电子显微镜等。

（二）电子显微镜的主要结构

1.透射式电子显微镜

图1.1.5-1　透射电子显微镜结构图

透射式电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）简称透射电镜，以电子束作为照射源、采用电磁透镜聚焦成像；具有分辨率高、放大倍数高等特点。简单讲，透射电镜是将经加速和聚焦的细电子束照射至薄样品上，并与样品发生相互作用产生多种类型的电子，如透射电子、完全弹性散射电子、非弹性散射电子、二次电子、背散射电子、特征X射线、俄歇电子等，带有样品内部信息的电子经过物镜放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏、胶片等）上显示出来。透射电镜的分辨率比光学显微镜高很多，可以达到0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万。(https://www.daowen.com)

透射电镜的结构如图1.1.5-1所示，主要由电子光学系统、真空系统、电子学系统及冷却系统构成。电子光学系统包括照明系统（电子枪、聚光镜）、样品室、成像系统（物镜、中间镜、投影镜）及观察记录系统（观察室、照相室、自动曝光装置）。真空系统由真空泵（低真空泵、高真空泵）和真空检测系统（真空测量装置、真空显示装置）构成。电子学系统包括电源系统（交直流电源、高压电源、透射电源、其他电源）、自动控制系统及安全保护系统。冷却系统由制冷装置、冷却管道（冷却室及自动控制阀）构成。其中，电子光学系统是透射电镜的主体。

2.扫描电子显微镜

扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SCM）简称扫描电镜，是1965年来迅速发展起来的一种新型的电子光学仪器，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像，具有放大倍数高、图像景深长、立体感强、对样品适应性广的特点。扫描电镜是用细电子束流照射至样品表面，因电子束与样品相互作用产生各种信息，通过不同检测器接收相应信息经处理后显示出样品的各种特征。扫描电镜的放大倍数在20～20万倍之间。

扫描电镜主要由电子光学系统（镜筒）、信息检测系统、显示系统和电源系统构成。扫描电镜的照明系统主要由电子枪、磁透镜、消像散器及样品室构成。扫描电镜的电子枪与透射电镜的电子枪基本相同，只是加速电压较低，一般在40kV以下。一般扫描电镜有3个磁透镜：第一聚光镜、第二聚光镜和物镜。来自电子枪的电子束，束斑直径约30μm，经第一聚光镜、第二聚光镜缩小到几个纳米。物镜位于聚光镜下方，靠近样品，它使电子束以极细的针状聚焦于样品表面。因扫描电镜的分辨率主要取决于电子束直径，所以应尽量缩小其直径。

（三）电子显微镜的工作原理

透射电镜的工作原理是：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，最终被放大的电子影像透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供使用者观察。

扫描电镜的原理是利用聚焦非常细的电子束在样品上扫描，激发出各种物理信息，通过对这些信息的接收、放大和显示成像，获得测试样品表面形貌。扫描电镜的制造依据是电子与物质的相互作用，可产生二次电子、俄歇电子、特征X射线、连续谱X射线、背射线电子、投射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。