电子显微镜简介

【发展简史】　电子显微镜（electron　microscope，EM），简称电镜，是德国鲁斯卡（Ernst Ruska）于1932年研制的一种科学研究仪器。电子显微镜的产生和发展要归功于19世纪末的一系列发现和发明，如1850年的盖斯勒（Geisslar）放电管、1897年的阴极射线管以及电子束管和高真空技术方面的一系列发明。经过多年的发展，电镜已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。

我国电子显微镜的应用在新中国成立后才开始。1958年在所长王大珩领导下，长春中科院光学精密机械研究所的黄兰友等用72天研制出我国第一台电子显微镜。1959年中科院长春光学精密机械研究所、中科院电子学研究所和上海精密医疗器械厂等单位合作，由姚骏恩、黄兰友等研制成大型电子显微镜XD－100型。1959年后，由上海光学仪器厂、南京教学仪器厂（现江南光学仪器厂）和沈阳精密仪器厂等开始研制和生产商品电子显微镜。1965年7月上海电子光学技术研究所制成DXA3－8型一级大型电子显微镜，使我国电镜生产水平跃到世界先进行列。现在中科院北京科学仪器厂、上海新跃仪表厂和江南光学仪器厂都生产商品透射电镜和扫描电镜。

【分类】　目前，电镜常见的分类依据是电子束和样品相互作用的方式。据此将电镜分为两类：一类为透射电子显微镜（transmission　electron　microscope，TEM），有时就简称为电子显微镜或电镜（EM）；另一类是反射式扫描电子显微镜，有时简称为扫描式电子显微镜（scanning　electron　microscope，SEM）或扫描电镜。其中，透射电子显微镜是通过收集直接透过样品的电子而成像的，而扫描式电子显微镜是通过收集从样品表面反射出的电子而成像的。扫描透射电子显微镜兼有两者性能。

【构成】

1．透射电子显微镜的构成　电镜的结构与光学显微镜相似，其光源由可见光变为电子枪，透镜系统则由玻璃透镜变为磁透镜。主要由镜筒、真空系统和电子学系统三部分组成。

（1）镜筒：透射电镜的镜筒一般是直立的，是电镜的电子光学部分，包括照明系统（由电子枪和聚光镜组成）、成像系统和换样品装置及像的观察和记录系统。其中电子枪是电镜的照明源，可产生并加速电子，从而达到照明样品的目的。聚光镜的作用是将电子枪所发出的电子束汇聚到样品平面上，并调节样品平面处电子束的孔径角、电子束的电流密度和照明光斑的大小。成像系统的作用是对样品进行放大和成像。由物镜、中间镜和投影镜等成像透镜和消像散器组成。换样品装置是放置样品及样品与电子作用产生各种信号的场所，又称样品室。由样品载体、样品架、样品台和样品移动机构组成。像的观察和记录系统位于投影镜的下部，包括观察室和摄影室。观察室内有一荧光屏，上涂有荧光物质，在电子束照射下，可呈现终像。在主观察窗外有1个观察放大镜，以对图像精确聚焦和观察，观察放大镜是单目或双目光学显微镜。摄影室在观察室的下方，把选择好的图像记录在涂有电子感光乳胶的玻璃平板、软片或胶卷上。

（2）真空系统：电镜的真空系统用于从镜筒中排出空气和其他气体，保持真空环境，主要包括前置泵（获得低真空的泵）、油扩散泵（用以从低真空获得高真空的真空泵，油扩散泵可达真空度10－6托以上）及真空测量仪器。

（3）电子学系统：电子学系统主要指各种电源供给系统。包括以下4个部分：高压电源系统，常用的加速电压是50kV、75kV和100kV；透镜电源系统，是1个大电流、低电压电源；真空系统电源，供给各真空装置电源；辅助电源，供给仪器各辅助设备所需的电源，如电子枪灯丝加热电源、照相装置电路等。

2．扫描电子显微镜　扫描电镜的构成与透射电镜相似，也由镜筒、真空系统和电子学系统组成。

（1）镜筒：包括电子探针系统、样品室，其中前者的作用是产生具有一定能量、强度和直径的扫描动物的电子束（电子探针），并将其照射在样品表面，后者的结构和透射电镜相似，包括样品托（用来固定样品）、样品台（用来固定样品托）、样品移动装置等附件。样品室也有气锁装置，使换样品后能很快恢复到工作真空。

（2）真空系统：一般由两级泵及辅助组件组成。对热发射钨丝阴极，工作真空为10－4～10－5托，而场发射型扫描电镜，所需的工作真空为10－9～10－11托，故需加入1个离子泵，供给高真空。真空系统也有水压、停电和真空自动保护装置。

（3）电子学系统：扫描电镜的电子学系统包括电源系统和信号电子成像系统。电源系统包括高压电源、透镜电源、光电倍增管电源、扫描部件电源以及一些辅助电源等几个部分。信号电子成像系统把电子探针和样品相互作用产生的信号电子进行收集、放大和处理，最后在显像管上显示出来。扫描电镜的最终像可以在两个显像管中显示出来。其中一个是长余辉的荧光屏，用于观察，另一个是短余辉的荧光屏，用于照相记录，供研究分析或进行图像处理。

【基本原理】

1．透射电镜　利用透过样品的透射电子成像。电子枪发射的电子射线，经聚光镜照射到样品上，电子束和样品相互作用后，经透镜成像、放大，在终屏上形成带有样品信息的图像。此过程包括四种基本物理现象，即吸收、散射、干涉和衍射。

（1）吸收：透射电镜的样品是“薄膜”样品，只吸收很少量的电子。

（2）散射：散射是透射电镜最重要的成像机制。1个高速自由电子打在样品上后，电子将和样品中的原子发生散射作用。当与原子核相作用时，由于原子核的质量比电子大得多，入射电子与核发生弹性碰撞，即弹性散射，此时，入射电子不损失能量，但运动方向发生较大偏转；当与样品中的电子发生碰撞时，因质量相同，相互作用之后，能量将重新分配，产生非弹性散射，此时散射角比弹性散射角度小得多；当在运动轨道上与多个原子核及电子碰撞时，碰到的原子数目越多，被散射的可能性越大，总散射量和样品的厚度和物质密度成正比。样品各处的质量厚度不同，在荧光屏上就形成明暗不同的黑白图像。

（3）干涉：从波动学说来看，可以把电子和样品的作用看作电子波经过样品后形成的透射波和散射波。如果物镜光阑让透射波和散射波同时通过，入射电子波又是相干的，则电镜中的像就是这两部分波受透镜场作用并相互干涉后合成的结果。

（4）衍射：衍射效应可以加强图像的反差，但Airy盘或条纹的形成降低了图像的分辨率。

2．扫描电镜　利用入射电子束和样品相互作用产生多种信号电子，通过相应的探测器接收，经过放大处理后获得各种信号的图像。这些信号电子有：二次电子、反射电子（背散射电子）、X射线、俄歇电子、阴极发光、吸收电子及透射电子等，其中二次电子用于研究样品表面形貌，通常所说的扫描电镜像就是指二次电子像，反射电子可研究样品结晶学特性。此外，X射线的波谱可以研究样品的组成成分，俄歇电子能谱则可以确定样品组成元素。一般扫描电镜中主要是利用二次电子或背散射电子成像。