評論(0

透射電子顯微鏡

標籤:電子顯微鏡

在光學顯微鏡下無法看清小於0.2µm的細微結構,這些結構稱為亞顯微結構或超微結構。要想看清這些結構,就必須選擇波長更短的光源,以提高顯微鏡的解析度。1932年Ruska發明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡,電子束的波長要比可見光和紫外光短得多,並且電子束的波長與發射電子束的電壓平方根成反比,也就是說電壓越高波長越短。目前TEM的分辨力可達0.2nm。

1簡介

透射電鏡

  透射電鏡

早由E.Ruska等發明,是最早的電鏡。
電子顯微鏡與光學顯微鏡的成像原理基本一樣,所不同的是前者用電子束作光源,用電磁場作透鏡。另外,由於電子束的穿透力很弱,因此用於電鏡的標本須製成厚度約50nm左右的超薄切片。這種切片需要用超薄切片機(ultramicrotome)製作。電子顯微鏡的放大倍數最高可達近百萬倍、由照明系統、成像系統、真空系統、記錄系統、電源系統5部分構成,如果細分的話:主體部分是電子透鏡和顯像記錄系統,由置於真空中的電子槍、聚光鏡、物樣室、 物鏡、衍射鏡、中間鏡、 投影鏡、熒光屏和照相機。
電子顯微鏡是使用電子來展示物件的內部或表面的顯微鏡。高速的電子的波長比可見光的波長短(波粒二象性),而顯微鏡的解析度受其使用的波長的限制,因此電子顯微鏡的理論解析度(約0.1納米)遠高於光學顯微鏡的解析度(約200納米)。
低壓透射電鏡
低壓小型透射電鏡(Low-Voltage electron microscope, LVEM)採用的電子束加速電壓(5kV)遠低於大型透射電鏡。較低的加速電壓會增強電子束與樣品的作用強度,從而使圖像襯度、對比度提升,尤其適合高分子、生物等樣品;同時,低壓透射電鏡對樣品的損壞較小。
解析度較大型電鏡低,1-2nm。由於採用低電壓,可以在一台設備上整合透射電鏡、掃描電鏡與掃描透射電鏡
解析度改進
1927年,徳布羅意發表的論文中揭示了電子這種本認為是帶有電荷的物質粒子的波動特性。TEM研究組直到1932年才知道了這篇論文,隨後,他們迅速的意識到了電子波的波長比光波波長小了若干數量級,理論上允許人們觀察原子尺度的物質。1932年四月,魯斯卡建議建造一種新的電子顯微鏡以直接觀察插入顯微鏡的樣品,而不是觀察格點或者光圈的像。通過這個設備,人們成功的得到了鋁片的衍射圖像和正常圖像,然而,其超過了光學顯微鏡的解析度的特點仍然沒有得到完全的證明。直到1933年,通過對棉纖維成像,才正式的證明了TEM的高解析度。然而由於電子束會損害棉纖維,成像速度需要非常快。
1936年,西門子公司繼續對電子顯微鏡進行研究,他們的研究目的使改進TEM的成像效果,尤其是對生物樣品的成像。此時,電子顯微鏡已經由不同的研究組製造出來,如英國國家物理實驗室製造的EM1設備。1939年,第一台商用的電子顯微鏡安裝在了I. G Farben-Werke的物理系。由於西門子公司建立的新實驗室在第二次世界大戰中的一次空襲中被摧毀,同時兩名研究人員喪生,電子顯微鏡的進一步研究工作被極大的阻礙。
電子
理論上,光學顯微鏡所能達到的最大解析度,d,受到照射在樣品上的光子波長λ以及光學系統的數值孔徑,NA,的限制:
透射電子顯微鏡
二十世紀早期,科學家發現理論上使用電子可以突破可見光光波波長的限制(波長大約400納米-700納米)。與其他物質類似,電子具有波粒二象性,而他們的波動特性意味著一束電子具有與一束電磁輻射相似的性質。電子波長可以通過徳布羅意公式使用電子的動能得出。由於在TEM中,電子的速度接近光速,需要對其進行相對論修正:
透射電子顯微鏡
其中,h表示普朗克常數,m0表示電子的靜質量,E是加速后電子的能量。電子顯微鏡中的電子通常通過電子熱發射過程從鎢燈絲上射出,或者採用場電子發射方式得到。隨後電子通過電勢差進行加速,並通過靜電場與電磁透鏡聚焦在樣品上。透射出的電子束包含有電子強度、相位、以及周期性的信息,這些信息將被用於成像。
電子光學設備
一般來說,TEM包含有三級透鏡。這些透鏡包括聚焦透鏡、物鏡、和投影透鏡。聚焦透鏡用於將最初的電子束成型,物鏡用於將穿過樣品的電子束聚焦,使其穿過樣品(在掃描透射電子顯微鏡的掃描模式中,樣品上方也有物鏡,使得射入的電子束聚焦)。投影透鏡用於將電子束投射在熒光屏上或者其他顯示設備,比如膠片上面。TEM的放大倍數通過樣品於物鏡的像平面距離之比來確定。另外的四極子或者六極子透鏡用於補償電子束的不對稱失真,被稱為散光。需要注意的是,TEM的光學配置於實際實現有非常大的不同,製造商們會使用自定義的鏡頭配置,比如球面像差補償系統 或者利用能量濾波來修正電子的色差。
對比度信息
TEM中的對比度信息與操作的模式關係很大。複雜的成像技術通過改變透鏡的強度或取消一個透鏡等等構成了許多的操作模式。這些模式可以用於獲得研究人員所關注的特別信息。
衍射對比度
由於電子束射入樣品時會發生布拉格散射,樣品的衍射對比度信息會由電子束攜帶出來。例如晶體樣品會將電子束散射至后焦平面上離散的點上。通過將光圈放置在後焦平面上,可以選擇合適的反射電子束以觀察到需要的布拉格散射的圖像。通常僅有非常少的樣品造成的電子衍射會投影在成像設備上。如果選擇的反射電子束不包括位於透鏡焦點的未散射電子束,那麼在圖像上沒有樣品散射電子束的位置上,也就是沒有樣品的區域將會是暗的。這樣的圖像被稱為暗場圖像。
鋼鐵中原子尺度上晶格錯位的TEM圖像。

  鋼鐵中原子尺度上晶格錯位的TEM圖像。

現代的TEM經常裝備有允許操作人員將樣品傾斜一定角度的夾具,以獲得特定的衍射條件,而光圈也放在樣品的上方以允許用戶選擇能夠以合適的角度進入樣品的電子束。
這種成像方式可以用來研究晶體的晶格缺陷。通過認真的選擇樣品的方向,不僅能夠確定晶體缺陷的位置,也能確定缺陷的類型。如果樣品某一特定的晶平面僅比最強的衍射角小一點點,任何晶平面缺陷將會產生非常強的對比度變化。然而原子的位錯缺陷不會改變布拉格散射角,因此也就不會產生很強的對比度。
相襯技術
晶體結構可以通過高解析度透射電子顯微鏡來研究,這種技術也被稱為相襯顯微技術。當使用場發射電子源的時候,觀測圖像通過由電子與樣品相互作用導致的電子波相位的差別重構得出。然而由於圖像還依賴於射在屏幕上的電子的數量,對相襯圖像的識別更加複雜。然而,這種成像方法的優勢在於可以提供有關樣品的更多信息。
功用部件
照明系統包括電子槍和聚光鏡2個主要部件,它的功用主要在於向樣品及成像系統提供亮度足夠的光源,電子束流,對它的要求是輸出的電子束波長單一穩定,亮度均勻一致,調整方便,像散小。
聚光鏡(condonser lens)
聚光鏡處在電子槍的下方,一般由2~3級組成,從上至下依次稱為第1、第2聚光鏡(以C1 和C2表示)。關於電磁透鏡的結構和工作原理已經在上一節中介紹,電鏡中設置聚光鏡的用途是將電子槍發射出來的電子束流會聚成亮度均勻且照射範圍可調的光斑,投射在下面的樣品上。C1和C2的結構相似,但極靴形狀和工作電流不同,所以形成的磁場強度和用也不相同。C1為強磁場透鏡,C2為弱磁場透鏡,各級聚光鏡組合在一起使用,可以調節照明束斑的直徑大小,從而改變了照明亮度的強弱,在電鏡操縱面板上一般都設有對應的調節旋扭。C1、C2的工作原理是通過改變聚光透鏡線圈中的電流,來達到改變透鏡所形成的磁場強度的變化,磁場強度的變化(亦即折射率發生變化)能使電子束的會聚點上下移動,在樣品表面上電子束斑會聚得越小,能量越集中,亮度也越大;反之束斑發散,照射區域變大則亮度就減小。通過調整聚光鏡電流來改變照明亮度的方法,實際上是一個間接的調整方法,亮度的最大值受到電子束流量的限制。如想更大程度上改變照明亮度,只有通調整前面提到的電子槍中的柵極偏壓,才能從根本上改變電子束流的大小。在C2上通常 裝配有活動光闌,用以改變光束照明的孔徑角,一方面可以限制投射在樣品表面的照明區域,使樣品上無需觀察的部分免受電子束的轟擊損傷;另一方面也能減少散射電子等不利信號帶來的影響。

2成像系統

物鏡(object lens)
處於樣品室下面,緊貼樣品台,是電鏡中的第1個成像元件,在物鏡上產生哪怕是極微小的誤差,都會經過多級高倍率放大而明顯地暴露出來,所以這是電鏡的一個最重要部件,決定了一台電鏡的分辨本領,可看作是電鏡的心臟。
(1)特點 物鏡是一塊強磁透鏡,焦距很短,對材料的質地純度、加工精度、使用中污染的狀況等工作條件都要求極高。致力於提高一台電鏡的解析度指標的核心問題,便是對物鏡的性能設計和工藝製作的綜合考核。儘可能地使之焦距短、像差小,又希望其空間大,便於樣品操作,但這中間存在著不少相互矛盾的環節。
(2)作用 進行初步成像放大,改變物鏡的工作電流,可以起到調節焦距的作用。電鏡操作面板上粗、細調焦旋扭,即為改變物鏡工作電流之用。
為滿足物鏡的前述要求,不僅要將樣品台設計在物鏡內部,以縮短物鏡焦距;還要配置良好的冷卻水管,以降低物鏡電流的熱飄移;此外,還裝有提高成像反差的可調活動光闌,及其要達到高解析度的消像散器。對於高性能的電子顯微鏡,都通過物鏡裝有以液氮為媒質的防污染冷阱,給樣品降溫。
觀察室
透射電鏡的最終成像結果,顯現在觀察室內的熒光屏上,觀察室處於投影鏡下,空間較大,開有1~3個鉛玻璃窗,可供操作者從外部觀察分析用。對鉛玻璃的要求是既有良好的透光特性,又能阻斷X線散射和其他有害射線的逸出,還要能可靠地耐受極高的壓力差以隔離真空。
由於電子束的成像波長太短,不能被人的眼睛直接觀察,電鏡中採用了塗有熒光物質的熒光屏板把接收到的電子影像轉換成可見光的影像。觀察者需要在熒光屏上對電子顯微影像 進行選區和聚焦等調整與觀察分析,這要求熒光屏的發光效率高,光譜和餘輝適當,分辨力好。目前多採用能發黃綠色光的硫化鋅-鎘類熒光粉做為塗布材料,直徑約在15~20cm。
熒光屏的中心部分為一直徑約10cm的圓形活動熒光屏板,平放時與外周熒屏吻合,可以進行大面積觀察。使用外部操縱手柄可將活動熒屏拉起,斜放在45°角位置,此時可用電鏡置配的雙目放大鏡,在觀察室外部通過玻璃窗來精確聚焦或細緻分析影像結構;而活動熒光屏完全直立豎起時能讓電子影像通過,照射在下面的感光膠片上進行曝光。
陰極射線管(CRT)顯示器
電鏡的操作面板上的CRT顯示器主要用於電鏡總體工作狀態的顯示、操作鍵盤的輸入內容顯示、計算機與操作者之間的人機對話交流提示以及電鏡維修調整過程中的程序提示、故障警示等。

3真空系統

電鏡鏡筒內的電子束通道對真空度要求很高,電鏡工作必須保持在10-3~10Pa以上的真空度(高性能的電鏡對真空度的要求更達10Pa以上),因為鏡筒中的殘留氣體分子如果與高速電子碰撞,就會產生電離放電和散射電子,從而引起電子束不穩定,增加像差,污染樣品,並且殘留氣體將加速高熱燈絲的氧化,縮短燈絲壽命。獲得高真空是由各種真空泵來共同配合抽取的。
油擴散泵
擴散泵的工作原理是用電爐將特種擴散泵油加熱至蒸汽 狀態,高溫油蒸汽膨漲向上升起,靠油蒸汽吸附電鏡鏡體內的氣體,從噴嘴朝著擴散泵內壁射出,在環繞擴散泵外壁的冷卻水的強制降溫下,油蒸汽冷卻成液體時析出氣體排至泵外,由機械泵抽走氣體,油蒸汽冷卻成液體后靠重力回落到加熱電爐上的油槽里循環使用。擴散泵的抽氣速度很快,約為每秒鐘570L左右,工作能力也較強,可達10~10Pa。但它只能在氣體分子較稀薄時使用,這是由於氧氣成分較多時易 使高溫油蒸氣燃燒,所以擴散泵通常與機械泵串聯使用,在機械泵將鏡筒真空度抽到一定程度時,才啟動擴散泵。
近年來電鏡廠商在製作中為實現超高壓、超高解析度,必須滿足超高真空度的要求,為此在電鏡的真空系統中又推出了離子泵和渦輪分子泵,把它們與前述的機械泵和油擴散泵聯用可以達到10Pa的超高真空度水平。
[title2]真空閥

4調校系統

束取向調整器及合軸
最理想的電鏡工作狀態,應該是使電子槍、各級透鏡與熒光屏中心的軸線絕對重合。但這是很難達到的,它們的空間幾何位置多多少少會存在著一些偏差,輕者使電子束的運行發生偏離和傾斜,影響分辨力;稍微嚴重時會使電鏡無法成像甚至不能出光(電子束嚴重偏離中軸,不能射及熒光屏面)。為此電鏡採取的對應彌補調整方法為機械合軸加電氣合軸的操作。
機械合軸是整個合軸操作的先行步驟,通過逐級調節電子槍及各透鏡的定位螺絲,來形成共同的中心軸線。這種調節方法很難達到十分精細的程度,只能較為粗略地調整,然後再輔之以電氣合軸補償。
電氣合軸是使用束取向調整器的作用來完成的,它能使照明系統產生的電子束做平行移動和傾斜移動,以對準成像系統的中心軸線。束取向調整器分槍(電子槍)平移、傾斜和束(電子束)平移、傾斜線圈兩部分。前者用以調整電子槍發射出電子束的水平位置和傾斜角度;後者用以對聚光鏡通道中電子束的調整。均為在照明光路中加裝的小型電磁線圈,改變線圈產生的磁場強度和方向,可以推動電子束做細微的移位動作。
合軸的操作較為複雜,不過在合軸操作完成後,一般不需經常調整。只是束平移調節作為一 個經常調動的旋鈕,放在電鏡的操作面板上,供操作者在改變某些工作狀態(如放大率變換)后,將偏移了的電子束亮斑中心拉回熒光屏的中心,此調節器旋鈕也稱為「亮度對中」鈕。

光闌

如前所述,為限制電子束的散射,更有效地利用近軸光線,消除球差、提高成像質量和反差 ,電鏡光學通道上多處加有光闌,以遮擋旁軸光線及散射光。 光闌有固定光闌和活動光闌2種,固定光闌為管狀無磁金屬物,嵌入透鏡中心,操作者無法調整(如聚光鏡固定光闌)。活動光闌是用長條狀無磁性金屬鉬薄片製成,上面縱向等距離排列有幾個大小不同的光闌孔,直徑從數十到數百個微米不等,以供選擇使用。活動光闌鉬片被安裝在調節手柄的前端,處於光路的中心,手柄端在鏡體的外部。活動光闌手柄整體的中部,嵌有「O」形橡膠圈來隔離鏡體內外部的真空。可供調節用的手柄上標有1、2、3、4號定位標記,號數越大,所選的就孔徑越小。光闌孔要求很圓而且光滑,並能在 X、Y方向上的平面里做幾何位置移動,使光闌孔精確地處於光路軸心。因此,活動光闌的調節手柄,應能讓操作者在鏡體外部方便地選擇光闌孔徑,調整、移動活動光闌在光路上的空間幾何位置。
電鏡上常設3個活動光闌供操作者變換選用:①聚光鏡C2光闌,孔徑約在20~200μm左右,用於改變照射孔徑角,避免大面積照射對樣品產生不必要的熱損傷。光闌孔的變換會影響光束斑點的大小和照明亮度;②物鏡光闌,能顯著改變成像反差。孔徑約在10~100μm 左右,光闌孔越小,反差就越大,亮度和視場也越小(低倍觀察時才能看到視場的變化)。若選擇的物鏡光闌孔徑太小時,雖能提高影像反差,但會因電子線衍射增大而影響分辨能力,且易受到照射污染。如果真空油脂等非導電雜質沉積在上面,就可能在電子束的轟擊下充放電,形成的小電場會幹擾電子束成像,引起像散,所以物鏡光闌孔徑的選擇也應適當;③中間鏡光闌,也稱選區衍射光闌,孔徑約在50~400μm左右,應用於衍射成像等特殊的觀察之中。
上一篇[凝脂]    下一篇 [起調]

相關評論

同義詞:暫無同義詞