什么是电子显微镜?

[拼音]：dianzi xianweijing

[外文]：electron microscope

用电子束代替光学显微镜的光束来放大样品图像的显微镜。E.阿贝早在1878年就预测到光学显微镜的分辨本领（能分辨样品微小细节的最小间距）将被光波的波长限制在3000埃左右。M.克诺尔和E.鲁斯卡于1931年在柏林工学院制造出第一台透射电子显微镜。电子的波长比光波波长短几个数量级。因此，电子显微镜的分辨本领可以达到分辨原子间距的范围。1933年鲁斯卡设计的电子显微镜就突破了光学显微镜的极限分辨本领。经过50多年的发展，包括样品制作技术方面的改进，现代的电子显微镜不但能够观察原子在晶体中的排列，而且可以看到单个重原子在载膜上的迁移。（见彩图）

电子显微镜一般由电子q、电子透镜、试样台、图像显示和真空系统等部分组成。

电子q包括发射电子的阴极、控制束流的圆孔栅极和加速电子用的阳极。一般电子显微镜的加速电压为几万伏。阴极发射电流密度越高，样品的照明就越强，放大后的图像就越亮。因此，对电子q的要求，除阴极寿命外还要求阴极发射电流密度高、发射总面积小，以免束流太大造成高压电源功率的浪费。多数电子q采用普通的钨丝（直径0.125毫米）弯成的发针形阴极，直接通电加热，用栅极的负偏压控制顶部的发射面积。在要求亮度更高的情况下，通常用六硼化镧(LaB6)阴极，它的发射电流密度比钨丝高两个数量级，而且不怕暴露在大气中。为了克服大发射密度下的空间电荷效应，必须将阴极顶部磨尖，以增加电位梯度。单晶LaB6阴极尖顶的发射均匀且稳定、机械强度高、容易加工。某些特殊的、要求亮度极高的电子显微镜采用场致发射电子q。它用轴线沿(111)或(310)晶面法线方向的钨丝，腐蚀成半径为1000埃的尖端作为发射体，发射密度高达107安/厘米2，但需要在10-7～10-8 帕超高真空下工作。

有静电式和电磁式两种。它是电子显微镜的核心元件。采用静电透镜的电子显微镜像差太大，调节不便，在50年代静电透镜已被磁透镜所取代。磁透镜（图1）由线包和铁壳组成。铁壳的磁芯有一通过电子束的小孔和一个间隙。磁场集中在间隙附近。这样，焦距能做得更短，像差更小，而且场的轴对称性更容易从孔和间隙的精密加工得到保证。磁场对电子的作用力既垂直于磁力线又垂直于电子运动方向。电子进入透镜磁场时必然先切割径向磁力线，从而产生绕轴的角速度；磁场轴向分量对绕轴运动电子产生径向力。不论磁场的方向（即线包电流方向）如何，这个力总是向轴的聚焦力，只是电子绕轴的旋转方向不同而已。透镜的强度，即焦距，可以由线包电流任意调节，直至铁壳的铁磁材料饱和为止。

与光学透镜不同，电子透镜的严重像差是无法补偿的，只能用光阑控制孔径角加以限制。这些光阑直径为几百至几十微米。定位精度要求几微米，还要能在真空中更换或从光路中取出，所以都采取可调式的活动光阑。移动样品以更换视野所需的机械调节机构必须非常精密，任何微小的蠕动或不规则的跳动经放大几万、几十万倍后都会导致图像不可容忍的波动。样品以及固定样品的机构和整个镜筒的振动必须控制在显微镜的分辨本领之内。例如，在拍摄原子图像时，在曝光时间之内，样品的任何动作不得超过几分之一个原子间距。电子显微镜的高压电源和透镜电源的不稳定都会使焦距产生波动，从而使图像模糊。在高分辨本领电子显微镜中，上述电源必须达到10-6的稳定度。除这些机械和电路外，电子显微镜的组成部分还包括消像散器、荧光屏、照相机、偏转电源、各种控制电路和信号处理电路，以及真空系统等。

为了便于更换被观察的样品，电子显微镜通常采用连续排气真空系统。为了延长灯丝寿命和避免真空系统带来的污染，现代电子显微镜需要在10-4～10-5帕的真空度下工作。电子显微镜是全金属系统，它的机械结构极为复杂，还有许多机械传动机构需要用带润滑油脂的活动橡胶件密封，因而真空系统中不可避免地存在许多残余有机气体，它们可能吸附在样品表面或筒壁上。在受到电子轰击后，残余有机气体可能裂化而成为导电性不良的固体膜覆盖在表面上。这种“污染层”越积越厚，就会掩盖样品的细节；在电子光路附近，则可能受电子轰击而充电，从而引起像散或电子束的不稳定。因此，现代电子显微镜内的真空环境要求高度清洁。

常用的透射电子显微镜的加速电压为几万至十万伏。成像方式与光学生物显微镜相似。样品必须制成电子能穿透的、厚度为 100～2000埃的薄膜或小颗粒。图2是透射电子显微镜的原理示意图。电子q和聚光镜组成照明系统，物镜、中间镜和最终的投影镜组成放大系统。放大后的电子图像在荧光屏上显示出来，也可用照相底板记录下来。为了在不同工作方式下都能处于最佳状态，电子显微镜有两个聚光镜和两至三个中间透镜。放大倍数可以从几十倍（选择视野用）变到几十万倍以至一百万倍。

这种电子显微镜除放大图像外还有分析功能。人们可以选择图像中小至 200埃的微小区域进行元素分析和晶体结构分析。元素分析是利用电子打在样品上发出的特征X射线进行X光谱分析，晶体结构分析则是利用选区电子衍射进行。将这些分析方法与图像（形貌）显示相结合即构成具有分析功能的电子显微镜，称为分析电子显微镜。透射电子显微镜已应用在许多科学研究和工业领域。例如，在生物学中利用它观察病毒和生物切片的超细微结构，在材料科学中可用以观察晶体缺陷。

主要用于直接观察固体表面形貌。图3为其原理图。它利用电子透镜将电子束斑缩小到几十埃。偏转器使电子束斑在样品表面上进行光栅扫描。收集被扫描的表面上各点发出的次级电子，用次级电子流强度来调制一个同步扫描的显像管的亮度。次级电子探测器处于样品的一侧，样品表面凹凸处面向探测器的部位所发射的次级电子被探测器接受的多，显示明亮，而背向探测器的部位则暗，由此产生阴阳分明、富有立体感的图像。像的放大倍数为显像管的扫描幅度与样品上电子束扫描幅度之比。扫描电子显微镜的分辨本领与电子束斑直径有关，但最终是受打入样品内部经多次散射后又返回表面的“背散射电子”所激发的次级电子所限制。这些次级电子分布在较大的直径范围内。这种电子显微镜的分辨本领可达30～60埃。现代扫描电子显微镜也能配备元素分析和晶体结构分析的附件，不过分析范围不能小于1微米。扫描电子显微镜虽然出现较迟，但在工业中的应用却比透射电子显微镜更为普及。

扫描透射电子显微镜的成像方式与扫描电子显微镜相似，但接收的不是次级电子而是透过样品的透射电子。样品必须很薄。这种电子显微镜的分辨本领与束斑直径相当，可达到3埃。为了在这么小的束斑中注入足够的电子束电流，必须采用场致发射电子q。因此，这种电子显微镜必须在超高真空下工作。扫描透射电子显微镜对观察单个重原子非常有利。它还能在20埃范围内做元素和晶体结构分析。

电子穿透薄膜样品的能力与v2/c2成正经，v和c分别是电子速度和光速。为了观察厚度为微米量级的样品，必须采用超高压电子显微镜。超高压电子显微镜的加速电压一般在1000千伏左右，最高可达3000千伏。电子的波长随加速电压的提高而缩短，所以超高压电子显微镜有可能达到较高的分辨本领。但由于在高电压和机械稳定性方面存在困难，现代高分辨本领的电子显微镜还只是采用200、300至600千伏的加速电压，分辨本领最高达到 1.5埃。这种电子显微镜主要用于观察金属、矿物和其他无机晶体样品中的原子排列。有机分子，尤其是生物分子对电子轰击的辐射损伤极其敏感。

参考书目

西门纪业、葛肇生著：《电子显微镜的原理和设计》，科学出版社，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 der Naturforscher Leopoldina，Halle/Saale，1979.

参考文章

与光镜相比，用于电子显微镜的组织固定有什么特殊的要求?生物知识试比较光学显微镜与电子显微镜的区别。生物知识为什么电子显微镜需要真空系统(vacuumsystem)?生物知识为什么电子显微镜不能完全替代光学显微镜？生物知识

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