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显微镜显微镜显微镜（2） 电子显微镜的构造 电子显微镜本体构造，原理上与光学显微镜相似。由三组透镜构成：即聚光镜、物镜和投影镜（目镜）组合而成。 聚光镜——用来集聚拢电子束和调节电子束的程度。 物 镜——用来获得被检物的正确放大像，可说是显微镜的心脏。 投影镜——起着把由物镜放大的像进行再次放大的作用，由它造成观察用或摄影用的最终像。 另外，（ⅰ）今天的电子显微镜，多数都使用双重聚光镜。第一镜使电子束变得更为集中；第二镜使电子束投射到样品上。好处是在样品表面只有直径为几个微米或更小的面积上被电子束照射到，在10万倍直接放大率下，即便电子束的能量很大，而样品的温度上升仍然很小，从而可以避免对样品的损伤。 （ⅱ）在物镜和投射镜之间还装有一个透镜：“中间镜”。调节中间镜的励磁电流，放大率便可在很大范围内（100倍到20万倍之间连续地改变）。中间镜的发明，使直接放大率的可变范围扩展到2000倍的程度。它还可以作为电子衍射照相机，能获得物体微小部分（例如仅仅在直径1微米或更小范围内）的显微衍射像。这是因为它能用在显微镜外部调节的“视野限制光阑”调整光阑的大小，选出放大像的一部分。 所以在物镜、投影镜以外再配置中间镜的所谓“三透镜”系统电子显微镜 ，它不仅是一具电子显微镜，同时也是一具优秀的电子衍射装置。 其他尚需配置： ①镜筒内部必须保持高度真空的真空泵； ②聚光镜前装置能发射电子束的电子枪； ③通常用5-10万伏高压电源和能使电子束的波长单一化的高压电源稳定装置； ④电子透镜用的励磁电源的稳定装置； ⑤观察用的荧光屏和装有感光板的照相室； ⑥样品室的单独抽真空装置； ⑦根据需要也可对样品加装冷却装置或加热装置。 附图： 图1.光学显微镜与电子显微镜的比较。 图2.电视电子显微镜示意图。 4．电子显微镜的观察极限 按理论计算，电子显微镜分辨本领的极限在3埃左右。此值与2~3种金属原子的大小处于同一数量级，这就意味着用电子显微镜有可能直接看到原子。 市场上出售的电子显微镜，根据其分辨本领可分为：超高分辨本领级、高分辨本领级、普通分辨本领级三等。 超高分辨本领级：达到原子水平的分辨本领，可把原子一个一个分别开观察。 高分辨本领级：只能把数个原子组成的集团作为一个点来观察。 普通分辨本领级：大于20埃的分辨本领。 超高分辨本领级 高分辨本领级 普通分辨本领级 分辨本领（埃） ＜10（1nm） 10-20 20＜ 直接放大率 -200,000 -100,000 -10,000 加速电压（千伏） 100 80-100 50 聚光镜 双聚光镜 双聚光镜 单聚光镜 消像散装置 不可缺 不可缺 可缺 电源稳定度 ＜10-5 10-4-10-5 ＜10-4 真空度（毫米汞柱） 10-5 10-4-10-5 -5×10-4 实验室获得电子显微镜分辨率本领理论极限值的意义：仅仅考虑电子束和透镜系统而推算出来的。作为实验室必须考虑到镜体的振动，样品漂移的稳定性，外部磁场的影响，样品和透镜光阑的“污染”，合轴调整，消像散等许多因素。 5．电子显微镜的研制成功简历：1932年德国柏林工科大学高压实验室指导老师克诺尔与年轻的研究员鲁斯卡（E.Ruska）以蒲许的理论基础开始探索电子显微镜实现的可能性，用阴极射线示波器装上了能起到透镜作用的线圈，成功地得到了铜网的放大像——第一次由电子束形成的电子像。当时加速电压为7万伏，最初放大率仅12倍。尽管放大率微不足道，但它雄辩地用实验证实了使用电子束和磁场透镜可形成与光学像相同的电子像。从此，电子显微镜法便被正式确立了。 1933年科技工作者提出了用“极靴”来代替前述的长线圈，从而制成了短焦距电子透镜，放大率自然得到了提高。把一个短焦距透镜作为物镜，另一个短焦距透镜作为投影镜，组合制成了二极放大的电子显微镜，鲁斯卡在1933年获得了金属箔和纤维的1万倍的放大像。此时，电子显微镜在放大率上已超过光学显微镜，但有决定意义的分辨本领，还只刚刚达到光学显微镜水平。 1937年柏林工科大学的克劳塞和穆勒继承了鲁斯卡的工作，完成了超越光学显微镜性能的丰功伟业，对细菌和胶体成功地拍了照，获得了250埃的分辨本领。 同年法国西门子公司从柏林工科大学邀来了鲁斯卡，请他专门从事电子显微镜的研制工作。1939年西门子公司制造的分辨本领达到了30埃的世界上最早的实用电子显微镜进入市场。 应该说，从光学显微镜的发展到电子显微镜的诞生，德国的埃贝（蔡司光学工厂的创立者，第一个看出光学显微镜极限和在1878年对未来显微镜的信念和推想的人）以及德国的科技工作者作出了很大贡献。 1951年，美国宾夕法尼亚大学Erwinw.Muller（穆勒）发明了一种具有高放大倍数，高分辨率的显微镜，它是在STM之前第一种能够在某些金属表面上观察到单个原子的显微镜，称为场离子显微镜（Field Ion Microscope——FIM）。这种技术利用气体原子成像原理获得样品表面上的原子图像。通常，FIM设置在一个真空度为10-6Pa的高真空腔内，然后在真空腔内充入2×10-2Pa的成像气体He（氦）。气体He在带有+10KV左右的正偏压的针夹样品的末端附近被强电场电离后，受到电场的加速，并沿着电场的方向飞行到阴极荧光屏上形成针尖末端原子的分布图象。它是观察电子源本身的像，完全不需要电子透镜，所以是一种极为简单的显微镜，仅仅由阴极与阳极（环状）构成。能否拍摄出优良照片的关键在于阴极的尖端是否锐利。它的放大率可通过简单的算术运算求得。阳极的孔半径除以阴极尖端的曲率半径，其商即放大率。例如，当阳极的孔半径为100毫米，阴极尖端的曲率半径为10-4毫米时，它的放大率是100万倍。后由于场离子显微镜的尖端阴极当时创造过于麻烦，以及灯丝寿命太短的原因在电子显微镜中极少采用。但由于使用的尖端灯丝可得到极细的电子束，样品上的照射面积缩小，对样品的影响也相应减少，从而可获得优质照片，给予人的启发是可贵的。近年来，能够直接观察到针尖末端原子分布的场离子显微镜（FIM——Field Ion Microscope）成为分析STM针尖末端原子结构的重要工具。