电磁透镜：应用与成像优化

1.电磁透镜　电子在磁场中运动，当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时，将产生一个与运动方向垂直的力（洛仑兹力）使电子运动方向发生偏转，如图3-1所示。当电子沿线圈轴线运动时，电子运动方向与磁感应强度方向一致，电子不受力，以直线运动通过线圈。当电子运动偏离轴线时，电子受磁场力的作用，运动方向发生偏转，最后汇聚于轴线上的一点。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。

图3-1　电子在磁场中的运动

电磁透镜是透射电子显微镜的核心部件，主要依靠电磁透镜的汇聚作用实现电子束的放大和成像功能，电磁透镜的典型结构如图3-2所示。

短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。实际上，电磁透镜中，为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里。此时，线圈的磁力线都集中在间隙内，磁感应强度得以加强。狭缝的间隙越小，磁场强度越强，对电子的折射能力越大。为了使线圈内的磁场强度进一步增强，可以在电磁线圈内加上一对磁性材料的锥形环，这一装置称为极靴。增加极靴后的电磁线圈内的磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米的范围内。

图3-2　电磁透镜结构

2.电磁透镜的像差　电磁透镜的像差对分辨率影响很大，使电磁透镜的分辨率低于理论值。电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。像散可通过消像散器消除，色差是由电压波动和样品厚度不匀造成的，也可尽量消除。

（1）球差。球差是由于电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的，如图3-3所示。原来的物点是一个几何点，由于球差的影响在像平面上成为一个漫散射圆斑，同时还形成纵向球差ZS。为了得到最高的分辨率，通常选取在纵向球差3/4处的最小散射圆斑来成像。

图3-3　球差产生的原因

（2）像散。像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的。极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的磁性材料的材质不均以及极靴孔周围的局部污染等都会引起透镜的磁场产生椭圆度。像散导致物点在像平面上得到一个漫散射圆斑，如图3-4所示。

图3-4　像散产生的原因

像散是可以消除的像差，可通过引入一个强度和方位可调的矫正磁场来进行补偿。产生这个矫正磁场的装置称为消像散器。消像散器有机械式和电磁式两种。机械式的消像散器是在电磁透镜的磁场周围放置几块位置可以调节的导磁体，用它来吸引一部分磁场，把固有的椭圆形磁场矫正成接近旋转对称的磁场，如图3-5所示。电磁式的消像散器是通过电磁极间的吸引和排斥来校正椭圆形磁场。(www.xing528.com)

图3-5　机械式消像散器

（3）色差。色差是由于成像电子的能量不同或变化而引起电子在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差，如图3-6所示。引起电子能量波动的原因有两个：一是电子加速电压不稳，致使入射电子能量不同；二是电子束照射试样时与试样相互作用，部分电子产生非弹性散射，致使能量变化。

图3-6　色差产生的原因

目前，透射电子显微镜的分辨率极限在0.1nm。

3.透射电子显微镜的景深和焦长

（1）景深。电磁透镜的景深是指当成像时像平面不动（像距不动），在满足成像清晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离。当物点位于O点时，电子通过透镜在O′处汇聚。如果像平面位于O′处，则物点在像平面上是一像点。当物点沿轴线移到A处时，聚焦点从O′沿轴线移到了A′处，由于像平面固定不动，此时位于O′处的像平面上逐渐由像点变成一个散焦斑，如图3-7所示。轴线上AB两点间的距离就是景深。

图3-7　电磁透镜的景深

图3-8　电磁透镜的焦长

在透射电子显微镜的一般参数设置条件下，可以得到其景深为200～2000nm。因此，在进行透射电子显微镜观察时，要求把试样加工成几十纳米的薄片以保证电子的透过率。此时，可以保证整个样品的厚度均在其景深范围内，通过透射可获得试样全部厚度的显微图像。

（2）焦长。焦长是指物点固定不动（物距不变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。当物点位于O处时，电子通过透镜在O′处汇聚。如果像平面在O′处，这时像平面得到一像点；当像平面沿轴线前后移动时，像平面上逐渐由像点变成一个散焦斑。只要散焦斑的尺寸不大于某一特定值，像平面上仍将是一幅清晰的像，如图3-8所示。此时，像平面沿轴线前后可移动的距离为焦长。通常情况下，透射电子显微镜的焦长可达10～20cm，这为图像显示和记录提供了极大方便。