提升

[拼音]：dianzi xianweijing

[英文]：electron microscope

用電子束代替光學顯微鏡的光束來放大樣品影象的顯微鏡。E.阿貝早在1878年就預測到光學顯微鏡的分辨本領（能分辨樣品微小細節的最小間距）將被光波的波長限制在3000埃左右。M.克諾爾和E.魯斯卡於1931年在柏林工學院製造出第一臺透射電子顯微鏡。電子的波長比光波波長短几個數量級。因此，電子顯微鏡的分辨本領可以達到分辨原子間距的範圍。1933年魯斯卡設計的電子顯微鏡就突破了光學顯微鏡的極限分辨本領。經過50多年的發展，包括樣品製作技術方面的改進，現代的電子顯微鏡不但能夠觀察原子在晶體中的排列，而且可以看到單個重原子在載膜上的遷移。（見彩圖）

一般結構

電子顯微鏡一般由電子槍、電子透鏡、試樣臺、影象顯示和真空系統等部分組成。

電子槍

電子槍包括髮射電子的陰極、控制束流的圓孔柵極和加速電子用的陽極。一般電子顯微鏡的加速電壓為幾萬伏。陰極發射電流密度越高，樣品的照明就越強，放大後的影象就越亮。因此，對電子槍的要求，除陰極壽命外還要求陰極發射電流密度高、發射總面積小，以免束流太大造成高壓電源功率的浪費。多數電子槍採用普通的鎢絲（直徑0.125毫米）彎成的髮針形陰極，直接通電加熱，用柵極的負偏壓控制頂部的發射面積。在要求亮度更高的情況下，通常用六硼化鑭(LaB6)陰極，它的發射電流密度比鎢絲高兩個數量級，而且不怕暴露在大氣中。為了克服大發射密度下的空間電荷效應，必須將陰極頂部磨尖，以增加電位梯度。單晶LaB6陰極尖頂的發射均勻且穩定、機械強度高、容易加工。某些特殊的、要求亮度極高的電子顯微鏡採用場致發射電子槍。它用軸線沿(111)或(310)晶面法線方向的鎢絲，腐蝕成半徑為1000埃的尖端作為發射體，發射密度高達107安/釐米2，但需要在10-7～10-8 帕超高真空下工作。

電子透鏡

有靜電式和電磁式兩種。它是電子顯微鏡的核心元件。採用靜電透鏡的電子顯微映象差太大，調節不便，在50年代靜電透鏡已被磁透鏡所取代。磁透鏡（圖1）由線包和鐵殼組成。鐵殼的磁芯有一通過電子束的小孔和一個間隙。磁場集中在間隙附近。這樣，焦距能做得更短，像差更小，而且場的軸對稱性更容易從孔和間隙的精密加工得到保證。磁場對電子的作用力既垂直於磁力線又垂直於電子運動方向。電子進入透鏡磁場時必然先切割徑向磁力線，從而產生繞軸的角速度；磁場軸向分量對繞軸運動電子產生徑向力。不論磁場的方向（即線包電流方向）如何，這個力總是向軸的聚焦力，只是電子繞軸的旋轉方向不同而已。透鏡的強度，即焦距，可以由線包電流任意調節，直至鐵殼的鐵磁材料飽和為止。

其他重要部件

與光學透鏡不同，電子透鏡的嚴重像差是無法補償的，只能用光闌控制孔徑角加以限制。這些光闌直徑為幾百至幾十微米。定位精度要求幾微米，還要能在真空中更換或從光路中取出，所以都採取可調式的活動光闌。移動樣品以更換視野所需的機械調節機構必須非常精密，任何微小的蠕動或不規則的跳動經放大幾萬、幾十萬倍後都會導致影象不可容忍的波動。樣品以及固定樣品的機構和整個鏡筒的振動必須控制在顯微鏡的分辨本領之內。例如，在拍攝原子影象時，在曝光時間之內，樣品的任何動作不得超過幾分之一個原子間距。電子顯微鏡的高壓電源和透鏡電源的不穩定都會使焦距產生波動，從而使影象模糊。在高分辨本領電子顯微鏡中，上述電源必須達到10-6的穩定度。除這些機械和電路外，電子顯微鏡的組成部分還包括消像散器、熒光屏、照相機、偏轉電源、各種控制電路和訊號處理電路，以及真空系統等。

真空系統

為了便於更換被觀察的樣品，電子顯微鏡通常採用連續排氣真空系統。為了延長燈絲壽命和避免真空系統帶來的汙染，現代電子顯微鏡需要在10-4～10-5帕的真空度下工作。電子顯微鏡是全金屬系統，它的機械結構極為複雜，還有許多機械傳動機構需要用帶潤滑油脂的活動橡膠件密封，因而真空系統中不可避免地存在許多殘餘有機氣體，它們可能吸附在樣品表面或筒壁上。在受到電子轟擊後，殘餘有機氣體可能裂化而成為導電性不良的固體膜覆蓋在表面上。這種“汙染層”越積越厚，就會掩蓋樣品的細節；在電子光路附近，則可能受電子轟擊而充電，從而引起像散或電子束的不穩定。因此，現代電子顯微鏡內的真空環境要求高度清潔。

透射電子顯微鏡

常用的透射電子顯微鏡的加速電壓為幾萬至十萬伏。成像方式與光學生物顯微鏡相似。樣品必須製成電子能穿透的、厚度為 100～2000埃的薄膜或小顆粒。圖2是透射電子顯微鏡的原理示意圖。電子槍和聚光鏡組成照明系統，物鏡、中間鏡和最終的投影鏡組成放大系統。放大後的電子影象在熒光屏上顯示出來，也可用照相底板記錄下來。為了在不同工作方式下都能處於最佳狀態，電子顯微鏡有兩個聚光鏡和兩至三個中間透鏡。放大倍數可以從幾十倍（選擇視野用）變到幾十萬倍以至一百萬倍。

這種電子顯微鏡除放大影象外還有分析功能。人們可以選擇影象中小至 200埃的微小區域進行元素分析和晶體結構分析。元素分析是利用電子打在樣品上發出的特徵X射線進行X光譜分析，晶體結構分析則是利用選區電子衍射進行。將這些分析方法與影象（形貌）顯示相結合即構成具有分析功能的電子顯微鏡，稱為分析電子顯微鏡。透射電子顯微鏡已應用在許多科學研究和工業領域。例如，在生物學中利用它觀察病毒和生物切片的超細微結構，在材料科學中可用以觀察晶體缺陷。

掃描電子顯微鏡

主要用於直接觀察固體表面形貌。圖3為其原理圖。它利用電子透鏡將電子束斑縮小到幾十埃。偏轉器使電子束斑在樣品表面上進行光柵掃描。收集被掃描的表面上各點發出的次級電子，用次級電子流強度來調製一個同步掃描的映象管的亮度。次級電子探測器處於樣品的一側，樣品表面凹凸處面向探測器的部位所發射的次級電子被探測器接受的多，顯示明亮，而背向探測器的部位則暗，由此產生陰陽分明、富有立體感的影象。像的放大倍數為映象管的掃描幅度與樣品上電子束掃描幅度之比。掃描電子顯微鏡的分辨本領與電子束斑直徑有關，但最終是受打入樣品內部經多次散射後又返回表面的“背散射電子”所激發的次級電子所限制。這些次級電子分佈在較大的直徑範圍內。這種電子顯微鏡的分辨本領可達30～60埃。現代掃描電子顯微鏡也能配備元素分析和晶體結構分析的附件，不過分析範圍不能小於1微米。掃描電子顯微鏡雖然出現較遲，但在工業中的應用卻比透射電子顯微鏡更為普及。

其他型別的電子顯微鏡

掃描透射電子顯微鏡的成像方式與掃描電子顯微鏡相似，但接收的不是次級電子而是透過樣品的透射電子。樣品必須很薄。這種電子顯微鏡的分辨本領與束斑直徑相當，可達到3埃。為了在這麼小的束斑中注入足夠的電子束電流，必須採用場致發射電子槍。因此，這種電子顯微鏡必須在超高真空下工作。掃描透射電子顯微鏡對觀察單個重原子非常有利。它還能在20埃範圍內做元素和晶體結構分析。

電子穿透薄膜樣品的能力與v2/c2成正經，v和c分別是電子速度和光速。為了觀察厚度為微米量級的樣品，必須採用超高壓電子顯微鏡。超高壓電子顯微鏡的加速電壓一般在1000千伏左右，最高可達3000千伏。電子的波長隨加速電壓的提高而縮短，所以超高壓電子顯微鏡有可能達到較高的分辨本領。但由於在高電壓和機械穩定性方面存在困難，現代高分辨本領的電子顯微鏡還只是採用200、300至600千伏的加速電壓，分辨本領最高達到 1.5埃。這種電子顯微鏡主要用於觀察金屬、礦物和其他無機晶體樣品中的原子排列。有機分子，尤其是生物分子對電子轟擊的輻射損傷極其敏感。

參考書目

西門紀業、葛肇生著：《電子顯微鏡的原理和設計》，科學出版社，北京，1979。

P.W.Hawkes，Electron Optics and Electron Micro-copy，Taylor & Francis Ltd， London，1972.

E. Ruska， Die frühe Entwicklung der Elektronenlinsen und der Elektronenmikroskopik， Deutsche Akademie derNaturforscherLeopoldina，Halle/Saale，1979.