电子光学基础ppt课件-.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,1,电子光学基础,1,电子光学基础,1.1,电子波与电磁透镜,1.2,电磁透镜的像差与分辨本领,1.3,电磁透镜的景深与焦长,1,电子光学基础,1.1,电子波与电磁透镜,一、电子波,二、电磁透镜,1.2,电磁透镜的像差与分辨本领,1.3,电磁透镜的景深与焦长,一、电子波,德布罗意物质波,P,动量,波长,电子枪的加速电压为,U,，,电子的能量,E,=,eU,电子的速度,m,0,电子静止质量,电子波长,普朗克常数,h,=6.62,10,-34,焦耳,秒,电子的静止质量,m,0,=9.11,10,-31,千克,电子的电荷量,e,=1.60,10,-19,库伦,电子束的波长随电子枪加速电压的增高而减小,相对论修正,目前所使用的透射电子显微镜其电子枪的加速电压一般都,高于,100,千伏，这时需要对电子的能量和静止质量引入相对论修正,相对论修正,的,电子波长,电子波长,加速电压,-,电子波长,(,表,),加速电压,（伏）,电子束波长（埃）,相对论修正波长,（埃）,波矢长度（埃,-1,）,1,12.27,12.27,0.0815,10,3.879,3.879,0.2578,100,1.227,1.227,0.8150,1,000,0.3878,0.3878,2.5786,10,000,0.1227,0.1221,8.1900,50,000,0.0548,0.0536,18.6567,100,000,0.0388,0.0370,27.0270,1,000,000,0.0123,0.0087,114.9425,电子波的特点,波动性,波长,极短,波长,：,0.06980.0370,(,U,=30100 kV),特征量,波,长：,波矢量：,方向,是电子传播方向，,长度,k,=1/,波动性的,表现：散射、衍射、干涉,粒子性,能,量高,能量,E,：,30100,keV,特征量：电子能量,E,粒子性的表现：激发物质,X,射线、俄歇电子、二次电子等,二、电磁透镜,定义,一个由线圈、铁壳和极靴组成的，能够由激励电流产生轴旋转对称静磁场的系统,作用,对电子束进行偏折、会聚,电子磁场中的运动,电子在均匀磁场中的轨迹,电子在磁场中受到的,Lorentz,力由公式决定：,时，电子作匀速圆周运动,与 成,时，电子作螺旋运动,电磁透镜的聚焦原理,电磁透镜的聚焦原理,电磁透镜,光学透镜的比较,电磁透镜的主要参数,f,：,焦距，单位：,cm,：,磁转角,单位：弧度,E,：,加速电压，单位：伏特,H,：,磁场，单位：,Os,e,m,c,分别为电子电荷，质量和光速,电磁透镜的特点,会聚透镜,可变焦：改变激磁电流,I,可变,倍率：,改变激磁电流,I,景深大,焦长长,小孔径角成像,7,电子光学基础,1.1,电子波与电磁透镜,1.2,电磁透镜的像差与分辨本领,一、电磁透镜的像差,二、分辨本领,1.3,电磁透镜的景深与焦长,1.2,电磁透镜的像差与分辨本领,傍轴条件不可能完全地满足，因此实际的成像总是存在着对理想成像的偏离，这就是像差,电磁透镜像差是限制电镜分辨率的重要原因,校正像差，特别是球差、像散，一直是电子光学的一个重要的研究课题,一、电磁透镜的,像差,电磁透镜的像差种类,几何像差,球差,像散,色差,球差,球差,透镜对离轴电子比离轴近的电子有更强的会聚能力，因而在高斯平面上，一个物点的像不再是一个点，而是一个圆盘,最小球差散焦斑,球差,物镜的球差并非常数，与物镜的励磁电流有关,物镜的球差直接影响的电镜的分辨率,球差校正的最新进展,新一代高分辨电子显微镜,球差的控制：采用小孔径角成像,像散,这里所说的像散是指轴上像散,由于磁透镜在两个相互垂直的方向上的聚焦能力不同，当这个较强方向聚焦时，与之垂直的方向尚未聚焦；而当较弱的方向聚焦时，强的方向上又开始散焦，因而在任何一个像面上，物上一点的像都不再是一个点，但存在一个最小散焦斑,最小像散散焦斑,产生像散的原因及其控制,产生像散的原因,极靴孔不圆（椭圆）,光栏在某个方向上玷污,极靴孔周围玷污,极靴铁磁材料的导磁系数,不具有旋转对称性,像散的控制,消像散器,色差,电子枪能量分散的原因：加速电压波动，电子束与物质的相互作用（非弹性散射）,色差产生的根源是成像电子的能量分散，而磁透镜对不同能量的电子的聚焦能力不同，因而在高斯像平面上，一个物点的像变成了一个圆斑,最小,色差散焦斑径为,二、分辨本领,电镜分辨本领、分辨率,是指电镜系统能识别物中两个相邻点的能力；所能识别的两个相邻点之间的最小距离称之为分辨率,r,0,显微镜的理想分辨率,物镜不存在像差时的分辨率,也就是由衍射决定的,Airy,斑的第一个极小值的半径，亦即,Rayleigh,判据,电磁透镜的分辨率由衍射效应和球面像差来决定,物镜的球差直接限制了电镜的分辨率,（一）衍射效应对分辨本领的影响,衍射效应所限定的分辨本领,的,Rayleigh,公式,波长；,N,介质的相对折射系数；,透镜的孔径半角,r,0,表示成像物体,(,试样,),能分辨出来的两个物点间的最小间距，表示透镜分辨本领的大小,r,0,越小，透镜的分辨本领越高,r,0,是衍射效应散焦斑的第一暗环,半径折算到物平面的尺寸,两个物点成像时的,Airy,斑,R,0,有效放大倍数,光学显微镜的分辨本领,当,可见光波长为,39007600,，,在最佳情况下,光学显微镜的,r,0,2000,有效放大倍数,M,有效,把显微镜能清晰成像的最小距离放大到人眼能分辨的程度所需要的最小放大倍数,衍射效应决定的分辨本领,r,0,由于衍射效应，两个物点刚好能被分辨时的间距约等于,衍射效应散焦斑的第一暗环半径折算到物平面的尺寸，即,r,0,电子波长越短，衍射效应散焦斑越小，透镜分辨本领越高,孔径半角越大，衍射效应散焦斑越小，透镜分辨本领越高,（二）像差的影响,和衍射效应类似，折算到物平面的像差散焦斑,r,s,、,r,A,和,r,C,就成了像差所限定的分辨本领,像散：可以用消像散器来减小和消除,色差：通过提高加速电压稳定度和采用薄样品来控制,球差：必须采用,小孔径角成像,来减小球差,最佳孔径半角,由于衍射散焦斑和球差散焦斑随着,的 变化相反，必须求出最佳孔径半角,0,电磁透镜的分辨本领为,A,=0.40.55,典型分辨本领可达到,1,数量级,1,电子光学基础,1.1,电子波与电磁透镜,1.2,电磁透镜的像差与分辨本领,1.3,电磁透镜的景深与焦长,一、景深焦长,二、焦长,1.3,电磁透镜的景深与焦长,电磁透镜的另一特点是景深大、焦长长,这是小孔径角成像的结果,电磁透镜的景深,定义,透镜物平面允许的轴向偏差（移动距离）,公式,典型值：,200020000,景深的意义,如果允许较差的像分辨率（取决于样品），电磁透镜的景深非常大，有利于聚焦操作,典型的样品,厚度在,20005000,，,在景深范围内，因此样品不同深度处的细节都能清晰成像,有利之处：同时观察样品不同深度处的细节,不利之处：样品不同深度处的细节重叠，给定量分析带来困难,焦长,定义,透镜像平面允许的轴向偏差,公式,其中,M,是放大倍数,焦长的意义,典型数值：,，,D,L,=8,10,7,=8 mm,表明透镜像平面在理论像平面上下各移动,4mm,而不需要改变聚焦状态,对于多级透镜组成的透射电子显微镜来说，总放大倍数等于各级透镜放大倍数的乘积，终像焦长则在,1020cm,给电镜像的照相记录带来方便，一般只需在荧光屏下放置照像底片,内容提要,电子波及其特征量和特点,分辨本领和有效放大倍数,电磁透镜对电子波的聚焦原理,电磁透镜分辨本领的影响因素和控制手段,衍射散焦斑和像差（球差、像散、色差）散焦斑,衍射效应和球差是决定电磁透镜分辨本领主要因素,电磁透镜的景深和焦长及意义,习题,1,电子波有何特性？与可见光有何异同？,2,分析电磁透镜对电子波聚焦的原理。,3,电磁透镜像差是怎样产生的，如何消除和减小像差？,4,什么叫分辨本领和有效放大倍数？,5,影响电磁透镜分辨本领的关键因素是什么？如何提高电磁透镜的分辨本领？,6,电磁透镜的景深和焦长受哪些因素影响？,