一文读懂透射电镜TEM内部结构:从电子源到探测器,图解核心装置与工作原理

总结:本文以图解形式详细介绍了透射电镜TEM的完整内部结构体系,涵盖核心功能装置——电子源、加速电场、电子束阑、样品杆与铜网、磁透镜、荧光屏与 CMOS 信号收集器,以及真空仓、X 射线探测器、能量过滤器等辅助装置,同时解释了明场像等成像方式的原理。
读者可系统学习到TEM各内部装置的结构特点与核心功能,了解装置间的协同工作机制,为理解TEM工作原理、正确操作仪器及解读成像结果提供全面的图解化技术参考
这篇文章我们通过图片的方式,重点介绍TEM内部装置有哪些?

电子源(提供电子的装置)

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根据产生电子的方式不同,分为两种发射类型

  • 热发射(Thermionic Emission)利用高温加热材料(如钨丝、LaB₆),提供电子足够的能量,克服金属表面的逸出功(work function),从而逸出形成电子束,类似“烧热后蒸发电子”

  • 场发射(Field Emission)不靠加热,而是给发射源(如金属尖端)施加超强电场(通常 >10⁷ V/cm),这个电场会改变金属表面势垒形状,使电子可以通过量子隧穿效应穿过势垒而逸出,整个过程几乎不依赖热,工作温度接近室温,类似靠电场“拉出”电子

P.S. 相比于热发射,场发射电镜的优势很多:具有超高亮度、优异的束流稳定性、极小能量展宽和超高空间分辨率,高端的电镜成像都是用的场发射

加速电场

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电子产生后需要提升电子的动能,使其穿透样品(几十到几百纳米),形成透射图像。加速电压越高,电子能量越大,穿透能力越强,图像对比与清晰度也更好

  • 根据电子的德布罗意波长

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加速电压越高,波长越短;分辨率依赖于电子波长,波长越短,分辨率越高;这也是为什么 TEM 可以达亚埃(Å)级分辨率(只要加速电压够大)而光学显微镜受限于光波波长达不到

光圈(aperture)(准确的说是电子束阑)

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  • TEM 中的光阑(aperture)是一类用于调节电子束传播路径、角度、照明区域或能量范围的装置,它对成像清晰度、对比度、空间选择性和谱图质量都有关键作用。

样品杆和铜网(样品所在地方)

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  • 需要三维成像时,样品杆和铜网都是可以在一定角度旋转的
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成像方式(透射/衍射)

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  • 电子束穿透样品后,被样品内部不同厚度、密度、晶体取向等因素散射

  • 明场像只收集未发生散射的透过电子,图像亮度反比于样品的电子散射强度(其他成像方式可以看上一篇文章透射电镜下看到的是原子像吗?

  • 暗的地方:散射强、样品厚或原子序高

  • 亮的地方:散射弱、样品薄或原子序低

磁透镜-非光学透镜(实现电子束聚焦,这也是获得诺奖的主要原因)

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  • 类似玻璃透镜聚焦光,磁透镜是一个轴对称的磁场系统,通过螺线管产生磁场

  • 当电子通过磁场时,会受到洛伦兹力的作用,沿着螺旋轨道聚焦在某一焦点

  • 根据磁场强弱、位置等参数,可实现不同的聚焦作用(物镜、中间镜、投影镜等,TEM中的所有磁透镜总结如下:

     

    透镜名称
    主要作用
    聚光镜(Condenser lens)
    调整电子束照射范围与强度
    物镜(Objective lens)
    形成样品的初级图像
    中间镜(Intermediate lens)
    调节中间像大小、位置
    投影镜(Projector lens)
    将像放大投射到屏幕/相机

荧光屏+信号收集器(可以实时看到样品像)

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CMOS(高分辨像,通常需要一定的采集时间)

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在拍摄寻找样品时,可以实时看到的图像是透过荧光屏和信号采集器看到的不是太清晰,当确定要拍摄的区域,要采集高分辨像时,荧光屏会撤掉,通过CMOS获得更高清晰度的样品相(CMOS很敏感这也是为什么很多做衍射的时候会用遮挡中心光束)
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其他装置:如真空仓

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一台真正的TEM还有很多其他装置,如真空泵,真空仓,水冷,减震,各种光圈,探测器等
英文名称
中文标准名称
主要作用
X-Ray Detectors
X 射线探测器
元素分析(EDS/WDS)
Energy Filters
能量过滤器
能量选择成像/EELS
Phase Plates
相位板
增强相位对比
Monochromators
单色器
提高能量分辨率
Multipole Correctors
多极像差校正器
校正像差,提升分辨率
Apertures Mechanisms
光圈(阑)机构
控制电子束尺寸/角度
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本文源自微信公众号:邹先森是Rain、能源人Scientist

原文标题:《一文搞懂TEM的内部结构(图解版)》

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/PwNrqaVln0veoZbXgvDGBQ

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