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透射电子显微镜技术
[日期:2008-11-23]  来源:  作者: 
 

一、与透射电镜有关的几个基本概念

1、 光的衍射现象: 由于光具有波动性,当光线通过小孔或小孔光源经光学系统成象会产生衍射。其图案是 : 中央部分一个亮斑,在其周围有明暗交替的园环,即埃里( Airy )圆盘 , 其中心亮斑的能量大约占入射光源能量的 84% 。
2 、瑞利准则
光线通过二个比较靠近的小孔时,这二个小孔的衍射图会重叠在一起。当一个衍射图的中央亮斑正好落在另一个衍射图的第一暗环中心时,这二个点刚可以分辩。这就是显微镜分辩本领的瑞利准则。
3 、分辨率
分辨率又称分辨本领,它表示仪器的分辨能力足以清楚分开的两点或两个质点圆心间最小距离的本领。它与光的性质,即衍射、干涉及透镜像差有关。 可以这么说,显微镜分辩本领是由其产生的衍射图中央亮斑半径 D (分辨能力)的大小而定: 光学显微镜的分辨力可以根据阿贝公式来计算,即

这里以油镜为例推算其分辨本领: 光的平均波长为λ = 500nm = 0.5 μ m ; 油的介质折射率或系数 N = 1.5 ,物体与物镜所形成夹角的半数 α <90 o 则中央亮斑的半径 d ≈ 200nm="0.2" μ m
一般人眼在明视距离 250mm 处能分辨 0.2mm 的两点,油镜最小能分辨 0.2 μ m 的两点,则油镜理论最大放大能力为: 0.2mm /0.2 μ m = 10 3
4 、电磁波长
真空中相对集中却高速运动着的电子流称为电子束。电子束具有粒子性和波动性,它能产生一定波长的电磁波,其所产生电磁波长为:

其中λ为电磁波长, V 为加速电压。
由此可见,电子束的波长完全取决于加速电压,加速电压越高,则得到的电子波长越短,得到的分辨本领也就越高。
假如一台电镜的 V = 50kV 时,则λ ≈ 0.005nm= 0.000005 μ m , 是光的λ =500nm 的 10 万分之一,大大减少了衍射光斑 D 的值。 假如一台电镜的点分辨率为 0.1nm, 则其理论放大倍数为 : 0.2mm /0.1nm = 2x10 6 而实际有效放大倍数为 1.6x10 6
我室的 H-7500 型透射电镜的点分辨率为 0.24nm, 则其理论放大倍数为: 0.2mm /0.24nm = 0.83x10 6 而实际有效放大倍数为 0.6x10 6
这里应该说明的是,如果一台电镜的分辨力为 0.1nm ,那么,并非所有大于 0.1nm 的结构都能看清楚。电镜的分辨率还受很多方面的影响,如电镜本身部件的加工精度(特别是物镜的质量精度),电镜的工作状态(如加速电压、真空度、电镜的运行模式等),电镜室内及周边情况(如湿度、温度、电镜台的抗震动能力、电磁干扰等)以及样品制作的质量问题(如标本的固定情况、切片厚度、染色反差情况)等。
5 、电镜的像差和畸变
电镜和光镜一样,由于光源或透镜的缺陷,可以发生各种像差或畸变。
① 球差:电子束光源通过透镜受到偏转,通过样品,从物平面向下发射,形成物点孔径角。从物点发出的射线,到达下一级透镜又被聚集。如果透镜有缺陷或孔径角太大,则靠近光轴的射线和远离光轴的射线,受到电磁场的作用就会不同,这些射线在光轴上会聚的位置不同,结果远离光轴的射线就会在像面上形成一个最小模糊圈。此时可有图象中央凸起感。这是目前影响电镜分辨率的一个主要因素。
② 像散:由于透镜的磁场强度在纵向或横向上不同,以致纵向与横向上的射线。聚焦于光轴的位置也有上有下,两者共同形成一个最小模糊像。
③ 色差:由于电磁波长随加速电压而变化,当加速电压不稳定时,电子束波长就可变异,因而发生类似的像差。
④畸变:由于离轴较远处的径向磁场的作用力强,使放大倍数随物点离轴的距离而变化,进而使图象发生改变而产生的。
6 、反差
人的眼睛在区分物体时,主要根据物体不同部位或物体之间的光强度与波长的差别,这些差别构成了物体的反衬度,又称为“反差”。电镜与光镜一样也存在反差现象。 由于电镜标本上的不同部位的物质结构不同,疏密度不同,它们散射电子的能力也各不相同,结果使透过样品的电子束发生疏密差别。散射电子能力强的地方,透过电子数目少,因而,荧光屏上所激发的荧光就弱,显现为暗像;相反,散射能力弱的地方,透过电子的数目多,在荧光屏上激发的光就强,显现为亮像。因此,在荧光屏上所看到的是由暗像与亮像组成的具有一定反差的荧光图像。
二、电镜与光镜的成像原理
透射电镜是发展最早、应用最广、分辨本领最高的电镜,用于病理诊断主要也是这种电镜。电子显微镜和光学显微镜的基本原理是相同的,不同的是光镜的照明源是可见光,而电镜是用电子束照明。 光镜的透镜用玻璃制成,电镜的透镜是轴对称的电场或磁场。光学显微镜是利用玻璃制作的透镜对光进行折射,将一物点发出不同角度的光线最终会聚成一个像点。 电子显微镜是以电子束作为光源,利用电磁透镜产生的电场或磁场折射电子束,并通过电子束轰击荧光屏激发荧光而达到成像目的。

三、透射电镜基本结构

透射电镜由四部分组成,即电子光学系统(即镜筒)、真空排气系统和电源系统、水冷系统。
(一)、电子光学系统(镜筒):是电镜的主体,主要作用是成像和放大。它包括照明系统、样品室、成像系统和观察记录系统等四部分。
1 、照明系统
照明系统相当于光镜的光源和反光镜,其作用是产生对样品照明的电子束,主要组成如下:
( 1 )电子枪 是电子发射源,由阴极、控制极和阳极组成。其中阴极是用直径 0.1mm ~ 0.15mm 粗的钨丝制成,呈 V 字形,也称灯丝。当通电达一定温度时,即产生热电子发射,形成强的照明电子束。阳极是一个中间带孔的金属圆盘,位于阴极的对面,它与阴极之间有 10 千伏~ 120 千伏的电位差,这一负高压用以加速由阴极发射的电子束。控制极又称栅极,位于阴极和阳极之间,它的电位也比阴极低,起着控制电子束发射及改变电子枪中电场分布的作用。
( 2 )聚光镜 是将来自电子枪的电子束会聚在样品上,对样品进行照明。高分辨率的电镜有两个聚光镜,在第二聚光镜中装有活动光阑 ( 用白金片做成 ), 上面有直径为 200 μ m 、 300 μ m 和 400 μ m 的圆孔,利用光阑孔的大小,可以控制聚光镜的孔径角,即控制照明束的强弱,使样品不致发生过热现象。
2 、样品室
样品室是放置样品用的,通过特殊的机械装置更换样品。另外,通过连动装置,在真空外可以操纵样品台在 X 、 Y 轴方向上移动。
3 、成像系统
( 1 )物镜 是电镜中第一个成像的透镜,要求有极高的加工精度及稳定性,以保证成像质量。物镜装有消像散器可消除像散,还装有活动光阑可提高反差。
( 2 )中间镜 是一个可改变放大倍数的弱透镜,主要用于控制总放大倍数。如果一个中间镜不能满足要求时,还可用两个中间镜来控制放大倍数。
( 3 )投影镜 是将中间镜所成的像进一步放大并投影到荧光屏上,以供观察。和物镜及中间镜比较,投影镜的电流一般是不变的,即其放大倍数是固定的。
4 、观察及记录系统
包括观察室和底片室。观察室内有荧光屏,在电子束的照射下,样品的电子显微像即在荧光屏上显示。底片室位于荧光屏的下面,需要照相时,可将荧光屏移开,使电子束直接作用于底片,图象即记录在感光底片上。
(二)真空排气系统
真空系统由机械泵、油扩散泵、真空管道、阀门及检测系统组成。作用是排除镜筒中的空气,使镜筒达到高真空状态。否则,电子枪发射的高速电子会与气体分子发生碰撞,产生电子散射,影响像的质量和反差;此外,在电子枪中会产生高压放电,气体会腐蚀灯丝,影响灯丝寿命,还会污染样品。
(三)电源系统
电镜所用的电源比较复杂,同时对电源的稳定性要求很高。在总的电源的供给上要求用专用线,对电源要先进行交流稳压,然后再进行整流、直流稳压,最后供给各部分使用。主要的电源供给包括高压电源、电子枪灯丝电源、控制极电源、透镜电源、真空系统电源等部分。
(四)水冷系统
由于电镜工作时会产生热量,如果不及时散发或冷却下去,会造成电镜工作不良,甚至影响电镜寿命。水冷系统主要靠冷却水循环装置来完成。

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