電磁透鏡與光學(xué)顯微鏡的關(guān)系

TEM中的電磁透鏡與光學(xué)顯微鏡(VLM)中的玻璃透鏡類似，兩者在很大程度上具有可比性。例如標(biāo)準(zhǔn)TEM中所有透鏡的作用與凸(會(huì)聚)透鏡對(duì)單色光的作用類似。透鏡有兩個(gè)基本功能:

1.把從物體中一點(diǎn)發(fā)出的所有光線在像上會(huì)聚成一點(diǎn)。

2.把平行光會(huì)聚到透鏡焦平面上一點(diǎn)。

透鏡不可能收集從物體發(fā)出的所有光線，而且我們還經(jīng)常特意使用光闌來(lái)限制收集角。可以通過(guò)光路圖來(lái)說(shuō)明電磁透鏡是怎樣控制電子束的，這些圖與物理光學(xué)中的光路圖相對(duì)應(yīng)。當(dāng)然，在某些方面與物理光學(xué)的類比是不成立的，但在后續(xù)的一些推文中這種對(duì)應(yīng)關(guān)系基本是普遍存在的。所以首先回顧一下光學(xué)基本原理，在一定程度上它們和電子光學(xué)相關(guān)。然后將詳細(xì)討論電磁透鏡，給出電子通過(guò)這樣一個(gè)磁透鏡時(shí)的軌跡。這里會(huì)描述一些實(shí)際的透鏡，并說(shuō)明如何在顯微鏡中使用各種類型的電磁透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。

                          電磁透鏡與光學(xué)顯微鏡成像原理圖

電磁透鏡的最大局限性主要來(lái)自于不完善的制作工藝。電磁透鏡存在嚴(yán)重的球差和色差，經(jīng)常需要通過(guò)插入限制光闌來(lái)選擇最靠近光軸的電子，因?yàn)樗鼈儙缀醪皇芡哥R像差的影響。最新的技術(shù)進(jìn)展已經(jīng)很大程度上克服了像差，但是球差校正電鏡仍很少且很貴;大部分電鏡仍然要在這些像差的影響下使用。所以很有必要了解這些像差，因?yàn)樗鼈儧Q定了可以用電鏡做什么和不能什么。尤其是電磁透鏡的像差(而不是電子波長(zhǎng))限制著TEM的分辨率(不同于可見(jiàn)光顯微鏡)。由于分辨率通常是購(gòu)買(mǎi)TEM的一個(gè)最重要原因，因此需要深入理解這個(gè)概念。

為什么要了解透鏡

為什么要了解電磁透鏡呢?與可見(jiàn)光顯微鏡類似，TEM中的透鏡控制著儀器所有的基本操作功能。正如你知道的，在光學(xué)顯微鏡中實(shí)際上是通過(guò)上下移動(dòng)玻璃透鏡去控制照明系統(tǒng)的強(qiáng)度和圖像聚焦的。玻璃透鏡的焦距是固定的，因此不得不更換透鏡來(lái)改變放大倍數(shù)，選擇強(qiáng)聚焦能力的透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的放大倍數(shù)。相反，在TEM中透鏡的位置是固定的，但是可以任意改變透鏡的聚焦能力。

大多數(shù)情況下使用的透鏡都是電磁透鏡，所以可以通過(guò)改變軟鐵芯上線圈的電流來(lái)改變磁場(chǎng)。在TEM中進(jìn)行的幾乎所有操作都包括放大倍數(shù)或聚焦的改變，用電磁透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)放大和聚焦電子束，以及成像和獲得衍射花樣。

這些因素在透鏡的基本操作中十分重要，例如成像、衍射和顯微分析。一種類型的光闌可以用來(lái)選擇不同的電子束以形成不同的圖像，這樣就可以調(diào)整圖像襯度;另一種類型光闌可以用來(lái)選擇樣品的不同區(qū)域以形成不同的衍射花樣。

所以通過(guò)了解光闌/透鏡的協(xié)同工作方式有助于理解TEM的控制以及各種操作的內(nèi)在機(jī)制