電子顯微鏡的基本結構和成像原理　

　通常所說的“電子顯微鏡”，一般是指透射和掃描兩種類型的電子顯微鏡。其中，透射電子顯微鏡問世早，在生物學和醫學上已普遍應用。掃描電子顯微鏡問世較晚，近年來它在醫學和生物學上也逐步得到廣泛應用。

1.成像原理　　

磁場或電場對電子束的聚集作用與玻璃透鏡對光線的聚焦作用相似。在理想成像的情況下，電鏡中的物鏡、中間鏡和投影鏡均可利用光學中薄透鏡的作圖法和成像公式。但是，可見光照射樣品時，樣品不同程度地吸收、反射、折射和散射光子，產生色差或強度差，從而形成物體的像。而在應用電子束成像時，卻不能利用吸收現象，這是由於樣品吸收大量電子後，被吸收的電子將產生能量而將樣品燒毀，即使樣品不被燒毀，穿過樣品的電子也因速度改變不適於成像。　　電子光學像的形成，主要借助電子束的散射現象。那末，什麽叫散射現象呢?這要從物質的基本結構和特性說起。各種物質盡管千差萬別，但都是由原子組成的，原子又是由原子核和環繞軌道運動的電子組成的。原子間距是01nm或更大些，而原子核和電子的大小僅僅是10-6～10-7nm的數量級。在原子內部，如果把原子放大，使原子核等於1mm，則原子核與距原子核最近的電子之間的距離就有25m之遠。因此，實際上物質是由原子核及圍繞原子核旋轉的電子組成的，這些電子按各自的運行軌道占據了大量空間。當一束具有一定能量的電子通過足夠薄的樣品時，將出現三種情況：第一種情況是入射電子直接穿過物質空間；第二種情況是入射電子和原子核相互作用，由於原子核的質量比電子的質量大得多，如碳原子核的質量是電子質量的兩萬倍，這時入射電子將偏斜很大的角度運動，但幾乎不損失能量，這種相互作用稱為“彈性散射”；第三種情況是入射電子與繞核旋轉的電子相互作用，由於它們的質量相同，因此，入射電子不僅改變運動方向，而且將不同程度地降低其運動速度，這種相互作用稱為“非彈性散射”。物質的密度大，則原子核大，核周圍的電子多，散射的電子就多；物體厚，則原子多，散射的電子也多。所以電子散射的多少與物質的質量和厚度的乘積有關，質量和厚度的乘積簡稱“質量厚度”。　　由於散射作用，一束細的平行電子穿過樣品後，就散開成為圓錐體，如圖12-1。物體各部分的質量厚度不同，對電子的散射亦不同。某一部分的質量厚度大，散射的電子多，通過物鏡光闌孔的成像電子就少，在熒光屏上像的相對應部分就暗；某一部分的質量厚度小，散射的電子少，熒光屏上像的相對應部分就亮。這樣，便形成了明暗不同的物體像。 [HT5”SS]圖12-1 電子束通過樣品後在屏上散開成為圓錐體[HT5SS]還有一種成像方法，就是利用散射電子成像。這種方法是用光闌阻擋穿過樣品的直射電子，由離開其原始方向的散射電子通過光闌孔成像。樣品的質量厚度大，散射的電子就多，通過光闌孔到達熒光屏上的成像電子也多，像就亮；相反，樣品的質量厚度小，散射的電子就少，通過光闌孔到達熒光屏上的成像電子也少，像就暗。同一個樣品，兩種成像方法形成明暗完全相反的像。前一種叫做亮場像，後一種叫做暗場像。亮場像是常用的一種，暗場像隻在特殊情況下使用。亮場像是在一些散射角度小的電子的背景上得到的，所以像的反差小。暗場像的背景非常弱，像的反差較大。暗場像的電子束與光軸成一定角度，影響分辨本領，所以亮場像比暗場像的分辨本領大。

2.基本結構透射電子顯微鏡的結構大體上由照明係統、成像係統、真空係統和供電係統組成，如圖12-2。  圖12-2 透射式電子顯微鏡剖麵 　　照明係統包括電子槍和聚光鏡。電子槍由陰極、柵極和陽極組成。陰極是電子的發射源。陰極有兩種:一種是熱陰極，又稱燈絲，由直徑008～01mm的鎢絲製成，如圖12-4，通以電流後燈絲即發射電子，這是通常使用的一種陰極;另一種是冷陰極，利用真空中殘存氣體的電離作用產生電子。柵極是用不鏽鋼製成的圓筒，中央開一圓孔，柵極處於相對陰極負幾百伏的電位，用以控製電子發射，因此，調節柵極壓，可改變像的亮度。陰極發射的電子在陰極下方形成一個電子束的最小截麵，稱之為交叉點。陽極接地電位，與陰極間有數值很高的加速電壓，使電子束加速。  圖12-3 典型的發叉式燈絲 　　聚光鏡將來自電子槍的電子束會聚在樣品上並控製照明束斑的大小及孔徑角，以便得到最佳的高分辨率像。照明光斑的大小與電子源的實際尺寸和聚光鏡的放大倍數有關。單聚光鏡約可使照明光斑直徑為50μm左右，當成像係統的放大倍數達1萬倍時，被照明的樣品麵積已遠比觀察麵積大，這將產生兩個問題：

①放大倍數增加10倍，像的亮度將降低100倍，隨著放大倍數的增加，像變得很暗，不利於觀察；

②大的照明麵積將使視野以外的樣品部分也被加熱和汙染。所以，現代電鏡一般都裝置雙聚光鏡。