透射电镜TEM基本结构

1932年，鲁斯卡发明了以电子束为光源的透射电子显微镜电子束的波长远短于可见光和紫外光，电子束的波长与发射电子束电压的平方根成反比，即电压越高，波长越短目前TEM的分辨率可达0.2nm

透射电镜的总体结构包括透镜体和辅助系统两部分，镜体部包括：①照明系统(电子枪G、电容器C1、C2)、②成像系统(样品室、物镜O、中间镜I1、I2、投影镜P1、P2)、③观察记录系统(观察室、摄像机室);④调节系统(散光、光束定向调节器、光圈)辅助系统包括：①真空系统(机械泵，扩散泵，真空阀，真空计)，②电路系统(功率转换，调节控制)，③水冷系统

一、照明系统

TEM照明系统主要由电子枪和电容器两部分组成它的功能是为样品和成像系统提供足够的光源TEM要求电子束波长单一稳定，亮度均匀，调节方便，像散小

 

1、电子枪

由阴极、阳极和栅极组成。

①阴极：

阴极是自由电子的来源阴极有两种类型：直接加热型和侧加热型侧热式阴极将加热体和阴极分开，使其保持独立在透射电子显微镜中，通常由加热丝和阴极组成，称为直接加热阴极这种材料主要由钨丝制成其特点是成本低，但亮度低，使用寿命短灯丝直径约为成本低.10-成本低.12mm当几个安培加热电流流过时，它可以开始发射自由电子然而，在灯丝周围必须保持较高的真空度，或者加热的灯丝会像倾斜的灯泡一样在倾斜的房间中被氧化和燃烧。灯丝的形状是最常用的叉型，也有箭斧型或点型，后两种灯丝亮度高，光束集中，适合高分辨率TEM摄影，但使用寿命较短。

阴极灯丝安装在高绝缘的陶瓷灯座上，不仅能绝缘、耐上千度高温，而且更换方便灯丝的加热电流是连续可调的

在一定的界限内，灯丝释放的自由电子量和加热电流强度成正比，但超过此限度后，电流继续增大，只能降低灯丝的使用寿命，而不能增加自由电子的释放量我们称这个临界点为灯丝饱和点，这意味着自由电子的发射量已经达到“满额”，不再有了在正常使用中，灯丝的加热电流通常被调整到接近饱和的位置，称为“欠饱和点”因此，当保证较大的自由电子发射时，可以将永久灯扩展到最大程度。钨丝的正常使用寿命约为40H，在现代透射电子显微镜中，有时采用新型材料LaB6制作灯丝，成本较高，但发光效率和亮度高(可提高一个数量级)，使用寿命远比钨丝长可以达到1000小时，是一种很好的新材料

②阳极：

为一中心有孔的金属圆筒，中心有一个孔，在阴极下面当阳极加上几十千伏或几百千伏的正高压时，加速电压会对阴极加热释放的自由电子产生强烈的引力作用，使其由无序状态向有序方向运动转变并将自由电子加速到一定的速度(与加速电压有关，前面已经讨论过表面，形成一束到阳极目标的电子在轴线上移动的电子束将穿过电子枪中心[阳极 ]的圆圈[孔射 ]，成为照射样品的光源。

③栅极：

它位于阴极和灯丝顶部之间这是一个帽子状的金属物体在中心，还有一个小孔供电子束通过栅极加上栅极-1000v的负电压(阴极)，称为栅极偏压VG，用户可根据需要进行调整[栅极 ]偏压可以使电子束会聚到中心轴上。同时，它还可以控制和抑制电子从灯丝中的发射抑制作用。

④工作原理：

在灯丝电源VF的作用下，当电流通过灯丝阴极产生高达2500℃以上的热量时，可以产生自由电子并从灯丝表面逸出加速电压Va使阳极的表面聚集一个稠密的正电荷，形成强大的正电场，在这个正电场的作用下，自由电子从电子枪中飞出可以调整VF使灯丝在欠饱和点工作在TEM中，可以根据亮度要求调节栅偏压VG来控制电子束流

当VA增大时，电子束的波长λ减小，有利于TEM的分辨率同时提高了试样的穿透能力，对试样的热损伤较小但此时，由于电子束与样品碰撞，弹性散射电子的散射角会增加，成像对比度也会降低因此，在不追求高分辨率观测的情况下，选择较低的加速电压可以获得较大的成像对比度，特别是对于自对比度较小的生物样品，选择较低的加速电压有时是有利的

2、聚光镜

透射电镜聚光镜处在电子枪下方，一般由两到三级组成，自上而下称为第一和第二冷凝器(用C1和C2表示)前面介绍了电磁透镜的结构和工作原理在透射镜中设置聚光镜的目的是将电子枪发射的电子束聚集成亮度均匀、照射范围可调的光斑，投射到下列样品上

C1和C2的结构相似，但极靴的形状和工作电流不同，形成的磁场强度和用途也不相同C1为强磁场透镜，C2为弱磁场透镜，各级聚光镜共同调节光斑直径，从而改变照明亮度的强度透射式电子显微镜的操作面板一般都装有相应的调节旋钮

C1和C2的工作原理是通过改变聚焦透镜线圈中的电流来改变透镜形成的磁场强度磁场强度的变化(即折射率的变化)可以使电子束的会聚点上下移动电子束光斑在样品表面的会聚越小，能量越集中，亮度越大;否则，辐射面积越大，亮度下降越大调节冷凝器电流以改变照明亮度的方法实际上是一种间接调节方法最大亮度值受电子束流的限制。

如果你想在更大程度上改变照明亮度，你可以改变电子束的大小基本上只有通过调整栅极偏压在电子枪上面提到C2通常配备一个可移动的光圈来改变光束照明的孔径角它一方面可以限制投射在样品表面的照明面积，使样品上不需要观察的部分不受电子束轰击的破坏;另一方面可以减少散射电子等不利信号的影响

二、成像系统

1、样品室

透射电镜样品室处在冷凝器之下中，有一个包含样本的样本表样台必须能在水平方向面上x和Y方向移动，选择和移动视图察视野，并相应地配备两个操纵杆或旋转手轮，这是一个精密的调节机构当每个控制杆转动10圈时，样品台可向某一方向移动约3mm现代高档透射电子显微镜可配备由计算机控制的马达驱动的样品台，使样品移动准确、稳定固定;计算机可在样品上做标签式定位标记，用户需要进行回顾性比较时可依靠计算机进行定位和搜索在手动选择操作中很难实现

生物医学透射电镜观察，原始样品基本包埋在环氧树脂中，然后用非常精密的超薄切片机切成薄片刀具是一种特殊的玻璃刀或金刚石刀切割的生物医学样品的厚度通常只有几十纳米(nm)，一般肉眼无法直接看到薄片必须漂浮在水中面上，熟练的技术人员可以借助特殊的灯光和特殊的角度观察薄片TEM样品的制备是一个漫长、复杂、精密的过程，具有很高的技术含量

用于固定样品的铜网可根据需要改变，直径一般为3mm通常，我们称网格为铜网格上的网格我们之所以选择铜来制作样品网，是因为它不会与电子束和电磁场相互作用同样，我们也可以选择其他低渗透性的金属材料(如镍)制作样品网样品网易消耗，易于加工成本低，因此它被广泛使用

透射电镜常见的样品台有2种：

①顶入式样品台：

要求样品室空间大，一次可放置多个(通常为6个)样品网，样品网杯呈环状排列在使用中，可通过机械手装置依次更换其优点是每次观察多个样品后，只有更换样品时，才能破坏样品室的真空，既方便又省时然而，所需的空间太大导致样品与下面的物镜之间的距离较长，不适合缩短物镜的焦距，会影响透射电子显微镜分辨率的提高

②侧插式样品台：

样品台为棒状，样品净负载放在前端，只能放置1-2个铜网在物镜的上半部分可以设置小尺寸、小空间的样品台，有利于提高TEM的分辨率缺点是不能同时放入多个样品网中，每次更换样品必须破坏样品室真空一次，有点不方便

为了提高透射电子显微镜的分辨率，高性能的透射电子镜主要采用侧插式样品台高档次的透射电子显微镜可配置多种侧插式样品台，部分侧插式样品台可通过金属连接加热或冷却样品网，以适应不同用途样品先装在铜网上，然后固定在样品台上样品台和样品固定杆是一体的，是一个非常精致的部分样品杆中间有“O”形橡胶密封圈，橡胶密封圈表面涂有真空润滑脂，隔离样品室与镜体外部之间的真空

样品室的上、下电子束通道分别设有真空阀，在更换样品时切断电子束通道，只破坏样品室的真空，不影响整个镜头筒的真空因此，更换样品后对样品室重新抽真空可节省许多时间当样品室的真空度与筒体内平衡时，应重新打开与筒体连接的真空阀

2、物镜

在样品室下面，靠近样品台，是透射电镜中的第一个成像元件物镜上的任何微小误差都会通过多级大功率放大而明显暴露出来因此，它是透射电镜中最重要的部分，决定了一台透射电镜的分辨能力，可以说是透射电镜的心脏

①特点：

物镜是一种强磁透镜，焦距很短，对材料纯度、加工精度、使用污染等工作条件要求很高提高透射电子显微镜分辨率指标的核心问题是对物镜的性能设计和工艺制造的综合考核它应该尽可能短，像差小，空间大，便于样品操作，但它们之间有许多矛盾的环节

②作用：

它可以通过进行初始成像放大和改变物镜的工作电流来调节焦距操作面板上的透射电镜粗精调整焦旋扭用于改变物镜的工作电流

为了满足物镜的上述要求，不仅要在物镜内部处设计样品台，缩短物镜焦距，而且要有良好的冷却水管，以减小物镜电流的热漂移应安装一个可调节的活动光圈以提高成像对比度，并安装一个散光装置以达到高分辨率对于高性能电子显微镜，通过物镜安装以液氮为介质的防污染冷阱，对样品进行冷却

3、中间镜和投影镜

在物镜下，依次设置中间镜、第一投影镜和第二投影镜，共同完成物镜成像的进一步放大任务从结构上看，它们都是相似的电磁透镜，但由于位置和功能的不同，其工作参数、激励电流和焦距也不同透射电镜总放大速率：

M=MO·MI·MP1·MP2

它是物镜、中间镜和投影镜各自放大倍数的乘积当使用中需要改变透射电镜倍率时，其焦距必须相应地改变，这通常是通过中间镜和第一投影镜线圈的激励工作电流来实现的透射电镜控制面板上的放大转换按钮用于控制中间镜和投影镜的电流

放大成像透镜如中间镜、投影镜的主要要求是：在尽量缩短镜筒高度的条件下可获得高分辨率所需的最高放大倍数和寻找合适视野所需的最低放大倍数;可进行电子衍射图像分析，并可进行选区衍射和小角度衍射等特殊观察我们也希望他们的像差和像差能尽可能小

三、观察、记录系统

1、观察室

透射电子显微镜的最终成像结果显示在观察室的荧光屏上观察室在投影镜下，空间大，1-3个铅玻璃窗，操作人员可从外部进行观察分析对铅玻璃的要求不仅是透光性好，而且能阻挡X射线散射等有害辐射的逸出，能可靠地承受极高的压差隔离真空

由于电子束的成像波长太短，人眼无法直接观察到，因此在透射镜中使用荧光屏覆盖荧光物质，将接收到的电子图像转换为可见光图像观察者需要调整和观察电子显微影像进行选区并聚焦在荧光屏上，这需要高发光效率、合适的光谱和余辉适以及良好的分辨率目前，可产生黄绿光的硫化锌镉荧光粉主要用作涂层材料，其直径约为15-20cm

屏幕的中心部分是直径约10厘米的圆形活动屏幕水平放置时，与外周屏一致，可大面积观察使用外部控制手柄，可将活动屏幕向上拉并以45°的角度放置此时，配有透射电子显微镜的双目放大镜可通过观察室外部处的玻璃窗对图像结构进行精确聚焦或分析;当活动屏幕完全竖直时，电子图像可通过并曝光在以下敏感胶片上

2、照相室

在观察中电子束长时间轰击生物医学样品标本，必会使样品污染或损伤。所以对有诊断分析价值的区域，若想长久地观察分析和反复使用透射电镜成像结果，应该尽快把它保留下来，将因为电子束轰击生物医学样品造成的污染或损伤降低到最小。

透射电镜照相室处在镜筒的最下部，内有送片盒(用于储存未曝光底片)和接收盒(用于收存已曝光底片)及一套胶片传输机构。透射电镜生产的厂家、机型不同，片盒的储片数目也不相同，一般在20～50片/盒左右，底片尺寸日本多采用82.5mm×118mm，美国常用82.5mm×101.6mm，而欧州则用90mm×120mm。每张底片都由特制的一个不锈钢底片夹夹持，叠放在片盒内。工作时由输片机构相继有序地推放底片夹到荧光屏下方电子束成像的位置上。曝光控制有手控和自控两种方法，快门启动装置通常并联在活动荧光屏板的扳手柄上。电子束流的大小可由探测器检测，给操作者以曝光指示;或者应用全自动曝光模式由计算机控制，按程序选择曝光亮度和最佳曝光时间完成影像的拍摄记录。

现代透射电镜都可以在底片上打印出每张照片拍摄时的工作参数，如：加速电压值、放大率、微米标尺、简要文字说明、成像日期、底片序列号及操作者注解等备查的记录参数。观察室与照相室之间有真空隔离阀。以便在更换底片时，只打开照相室而不影响整个镜筒的真空。

3、阴极射线管(CRT)显示器

透射电镜的操作面板上的CRT显示器主要用于透射电镜总体工作状态的显示、操作键盘的输入内容显示、计算机与操作者之间的人机对话交流提示以及透射电镜维修调整过程中的程序提示、故障警示等。

四、调校系统

1、消像散器

像散(指轴上像散)的产生除了前面介绍的材质、加工精度等原因以外，实际上在使用过程中，会因为各部件的疲劳损耗、真空油脂的扩散沉积、以及生物医学样品中的有机物在电子束照射下的热蒸发污染等众多因素逐渐积累，使得像散也在不断变化。所以像散的消除在透射电镜制造和应用之中都成了必不可少的重要技术。

早期透射电镜中曾采用过机械式消像散器，利用手动机械装置来调整电磁透镜周围的小磁铁组成的消像散器，来改变透镜磁场分布的缺陷。但由于调整的精确性和使用的方便性均难令人满意，现在这种方式已被淘汰。目前的消像散器由围绕光轴对称环状均匀分布的8个小电磁线圈构成，用以消除(或减小)电磁透镜因材料、加工、污染等因素造成的像散。其中每4个互相垂直的线圈为1组，在任一直径方向上的2个线圈产生的磁场方向相反，用2组控制电路来分别调节这2组线圈中的直流电流的大小和方向，即能产生1个强度和方向可变的合成磁场，以补偿透镜中所原有的不均匀磁场缺陷(图中椭圆形实线)，以达到消除或降低轴上像散的效果。

一般透射电镜在第2聚光镜中和物镜中各装有2组消像器，称为聚光镜消像散器和物镜消像散器。聚光镜产生的像散可从电子束斑的椭圆度上看出，它会造成成像面上亮度不均匀和限制分辨率的提高。调整聚光镜消像散器(镜体操作面板上装有对应可调旋钮)，使椭圆形光斑恢复到最接近圆状即可基本上消除聚光镜中存在的像散。

物镜像散能在很大程度上影响成像质量，消除起来也比较困难。通常使用放大镜观察样品支持膜上小孔在欠焦时产生的费涅尔圆环的均匀度，或者使用专门的消像散特制标本来调整消除，这需要一定的经验和操作技巧。近年来在一些高档透射电镜机型之中，开始出现了自动消像散和自动聚焦等新功能，为透射电镜的使用和操作提供了极大的方便。

2、束取向调整器及合轴

瞬变电磁法的理想工作状态是使电子枪、透镜和荧光屏的轴线完全重合。然而，这很难实现它们的空间几何位置可能存在一些偏差，这可能导致电子束偏离和倾斜，并影响分辨率;当它有点严重时，会使透射电子显微镜无法成像甚至产生光(电子束严重偏离中心轴，不能拍摄荧光屏)因此，瞬变电磁法所采用的相应补偿调整方法是机械轴和电气轴的运行

机械轴关闭是整个轴关闭操作的第一步。通过逐步调整电子枪和每个透镜的定位螺钉，形成共同的中心轴。这种调整方法很难达到很好的程度，只能粗略地调整，然后辅以电动关轴补偿

利用光束方向调节器的功能完成电轴，使照明系统产生的电子束平行倾斜，与成像系统的中心轴对齐。光束定向调节器由两部分组成：电子枪平移、倾斜、光束平移和倾斜线圈前者用于调整电子枪发射电子束的水平位置和倾斜角度;后者用于调整冷凝器通道中的电子束它们都是安装在照明光路中的小型电磁线圈改变线圈产生的磁场的强度和方向可以推动电子束做细微的位移作用

关井作业比较复杂，但关井作业完成后，一般不需要频繁调整然而，作为一个经常调整的旋钮，束平移位调整被放置在透射电子显微镜的操作面板上，以便操作者在改变一些工作条件(例如放大倍率转换)后将移位电子束亮点的中心拉回到荧光屏的中心调节器的这个旋钮也叫做“亮度对中”旋钮

3、光阑

为了限制电子束的散射，更有效地利用近轴光，消除球差，提高成像质量和对比度，在通道上增加了多个光阑来阻挡近轴光和散射光。有固定光个孔和活动孔固定光孔是嵌入在透镜中心中的管状非磁性金属物体，操作员无法对其进行调整(例如冷凝器固定光孔)活动膜片是由长的非磁性金属钼片制成，其上有多个大小不等的孔，纵向等距排列，直径从几十微米到几百微米不等，供选择

活动膜片钼片安装在调节手柄前端，调节手柄位于光路中心，手柄端位于镜体外侧活动隔膜手柄中部嵌有“O”形橡胶圈，用于隔离离镜体内外部真空可调手柄上有镜体外部、光阑孔、“O”、4号定位标记数字越大，所选数字越小光阑孔需要非常圆且光滑，并且能够在X和Y方向上在平面内移动几何位置，因此光阑孔正好在光轴上。因此，活动光圈的调节手柄应允许操作者方便地选择镜体外部中的光阑孔直径，调节并移动活动光圈在光路上的空间几何位置

透射电子显微镜上有三个活动孔供操作者更换

孔径约冷凝器C2膜片约20-200μm，用于改变辐照孔径角，避免大面积辐照对样品造成不必要的热损伤光阑孔的变换会影响光斑大小和照明亮度;

②物体镜光阑，能显著改变成像对比度孔径约当孔径在10-100μm左右时，对比度越大，亮度和视场越小(只有在低放大倍数下才能看到视场的变化)如果选定的物体镜光阑孔径太小时，虽然可以提高图像的对比度，但由于电子线衍射的增加，会影响分辨率，容易受到辐射污染如果真空润滑脂和其他非导电杂质沉积在其上，它们可能在电子束的轰击下充放电所形成的小电场会干扰电子束成像，引起像散，因此对物质镜光阑孔径的选择也应适当;

(3)中间镜光阑，又称选择性衍射光阑，孔径约约为50-400μm，用于特殊观测，如于衍成像

五、真空系统

TEM管内的电子束通道要求较高的真空度，TEM的工作必须保持在10-3~10Pa以上(高性能要求10Pa以上的真空度)，因为如果管内的残余气体分子与高速电子碰撞，会产生电离放电和散射电子这会引起电子束的不稳定性，增加像差，污染样品，残余气体会加速高热丝的氧化，缩短灯丝寿命。高真空是由各种真空泵共同获得的

1、机械泵(旋转泵)

透射电镜机械泵广泛应用于其它场合，其工作原理是通过泵体内旋转的叶轮叶片将空气吸入、压缩并排出体外机械泵的抽速仅为每分钟160L左右，工作容量仅能达到0.1-0.01pa，远远不能满足透射电镜的真空要求，所以机械泵仅作为真空系统的前置泵

2、油扩散泵

TEM扩散泵的工作原理是用电炉加热特种扩散泵油至蒸汽状态，高温油蒸汽向上膨胀上升，被油蒸汽吸附在TEM镜体内的气体，从喷嘴向扩散泵内壁喷出，在外周冷却水的强制冷却下扩散泵壁，当油蒸汽冷却为液体时，分离出的气体排至泵外，气体由机械泵泵出，油蒸汽冷却，液体重力落回加热炉上的油箱循环使用扩散泵具有抽速快、工作能力强的特点但是，它只能在气体分子很薄的时候使用这是因为当氧气成分较多时，蒸汽容易燃烧因此，扩散泵通常与机械泵串联一起使用只有当机械泵泵送镜管到一定程度时，扩散泵才能启动

近年来，为了实现超高压、超高分辨率，商透射电镜厂必须满足超高真空度的要求因此，在透射电子显微镜的真空系统中，引入了离子泵和涡轮分子泵，与上述机械泵和油扩散泵相结合，可达到10Pa的超高真空度

3、真空阀、真空规

真空阀用于打开和关闭真空通道的所有部分，以便在不影响整个系统真空度的情况下，独立地对每个部分进行通风和抽空

真空计用于检测镜筒各部分的真空度，向真空计和真空控制电路提供信号根据被检物真空度的不同，真空计分为“皮拉尼规”和“潘宁规”两种前者用于低真空检测，后者用于于高真空检测，安装在镜体的不同部位

4、空气压缩机

瞬变电磁阀中的真空阀大部分是气动的，动力来自空气压缩机这是因为使用电磁力真空阀时，容易产生干扰电磁场，影响TEM的工作透射电镜外部专用空气压缩机能定期自动维持固定个大气压以上，提供足够的气压空气压缩机输出的高压气体由多个软塑料细管送出，首先通过“总操纵集合电磁阀”在计算机程序控制下运行，然后连接到安装在镜体内各部分的气动阀这样，我们可以通过固定程序(或人工)控制镜体外部的电磁阀，切断或连接任何软塑料细管，间接打开或关闭任何镜体内的气动阀

5、抽气过程

TEM真空泵系统由两部分组成，一套机械泵(RP)和一套扩散泵(DP)，分别与镜头筒上半部分和摄像室下半部分连接其抽真空过程为：首先，机械泵将零件(如镜头筒)抽真空至10p a以下，当“皮拉尼”真空计(P)监测到的真空度达到该值时，向中央微处管理器发出信号，控制电路自动控制扩散泵开始工作当(镜筒)的真空度达到10Pa时，“潘宁”计(PE)发出一个可以连接到通镜体电源电路的信号，如果镜筒由于某种原因突然泄漏，真空度一旦低于设定值，“潘宁”计(PE)将立即切断“通知”控制电路的工作电源。

在TEM的工作中，镜筒总会或多或少地漏出一些气体(不可能绝对是密封)，因此真空泵一直在连续工作，使镜体的真空度保持在较高的值，达到平衡状态在工作过程中，如需更换样品，控制电子采集电磁阀路自动操纵控制镜体外部，向电子枪阀(GV)和镜头筒阀(CV)提供气压电源，使其关闭，仅放气镜筒中部当更换样品，真空度达到原来的真空度时，切断气压电源，使两个阀门开启接通上下真空和镜头筒的光路等

六、电路系统

1、电源变换装置

在透射电子显微镜和辅助系统中的各种电路都需要工作电源，并且由于不同的性能和用途，对电源的电压、电流和电压稳定性有不同的要求。如果电子枪的阳极需要几十到几百千伏的高压，其稳定性不应每分钟漂移10以上(每分钟偏差小于以上/100000)，这是高压发生器和高压稳定电路(埋在油箱中)专门提供的其他电路如镜头电源、控制等，工作电压要求在几伏到几百伏之间，电流要求在几毫安到几安培之间，均由相应的电源电路分配，包括转换电路、稳压电路恒流电路等

2、调整、控制电路

透射电子显微镜是电路中最复杂的部分控制面板上的每一个变化都对应着相应元器件工作状态的变化每一步都是通过电路做一系列相应的动作来实现的调节控制电路主要由多种控制、检测、自动控制和保护电路组成

七、水冷系统

TEM水冷系统由多种电磁透镜、扩散泵和大功率加热元件组成外冷水循环装置在冷却水管线出口设水压检测仪，保证水冷充分(10-25℃，不过高或过低)、充分(4-5l/min)、可靠(0.5-2kg/mm)当水压不足时，可通过控制电路报警并切断镜体电源，保证透射电镜在正常工作时不会因过热而失效水冷系统的工作从打开TEM之前开始，到关闭TEM 20分钟结束以后。

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