透射电子显微镜的结构

http://www.microimage.com.cnCatty(2011-05-17 18:53:41)

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  透射电子显微镜(Transmission Electron MicroscopeTEM)是目前使用最普遍的一种电镜,占使用电镜的80%,其分辨率、放大倍数及各项性能都比其他类型电镜高。透射电镜是用电子束照射标本,用电子透镜收集穿透标本的电子并放大成像,用以显示物体超微结构的装置。透射电镜的分辨率可达0.2nm,放大倍数可达40100万倍。

透射电子显微镜的结构很复杂,对于生物医学工作者来说,只要求对电镜的结构有一定的了解,在操作时,能对其工作状态作一般鉴别及调整。因此,这里对电镜的结构只做很简要的说明。透射电子显微镜主要由电子光学系统(镜筒)、真空系统、电子系统三大主要部分组成。

 

一、电子光学系统

   透射电子显微镜的光学系统全部包括在镜筒中,它主要由照明系统、成像放大系统和观察记录系统三大部分组成。  

(一)照明系统(illuminating system

  照明系统主要由电子枪、聚光镜两部分组成。

  电子枪有热发射、冷发射和场发射三种 。最普通的电子枪是热发射型电子枪,即一根发叉形钨丝,通电流加热后,发射出电子束成为电镜的光源。       

聚光镜的作用是将电子枪发射出的电子束会聚在试样平面上。改变聚光镜电流密度可调节照明束斑的大小及光密度,并通过调节聚光镜光阑的大小来调节照明孔径角。聚光镜一般有两个,称为二级聚光镜系统。二级聚光镜的作用主要是进一步缩小会聚到样品上的照明光斑以减少样品不必要的污染,并可减小样品的受热面积。

(二)成像和放大系统

成像系统是电子显微镜最核心的部件之一,高放大倍数、高分辨率就是通过成像系统获得的。

成像放大系统(imagung and amplification system)的主要组成部件如下:样品室、物镜、二级中间镜、投影镜。

样品室一般位于聚光镜之下、物镜之上,用以安放载有样品的载网。样品室有一气琐装置,以便在更换样品时,仍然能保证镜筒的高真空状态。

物镜即成像透镜,是电镜最主要、也是最关键的部件,它的性能直接影响到电镜的性能。物镜是由带铁壳的线圈和具有高导磁率材料制成的极靴构成。改变线圈中透镜电流的强度,就能获得不同的焦距。

(三)观察记录系统

观察记录系统主要由荧光屏和照相底片室组成。因为人眼不能直接看到电子射线,所以必须利用电子在荧光屏上激发出可见光成像来进行观察。若需要记录图象,可移开荧光屏,使置于荧光屏下的照相底片暴光成像,再经冲洗,即可得到一幅所需的照片,以便永久保存。

 

电镜结构中,电子光学系统是电镜的主体。若将电镜的电子光学系统和成像与光镜的作比较,是有许多相似之处的。电镜的电子枪能发射出电子束,相当于光镜的光源,电磁透镜相当于光镜中的玻璃透镜,同样可区分为聚光镜、物镜和投射镜。电子束通过样品经放大后就能在荧光屏上显示图像,也可以拍摄成照片保存和研究。

样品放进样品室时最终是怎样成像的呢?

成像原理:电子束最先通过聚光镜,聚光镜无放大作用,而有聚积电子束调节亮度的作用,经聚光镜的调节将电子束的直径调节在约2μm左右。这样细的电子束透过样品时,电子与样品中的原子发生碰撞,从而产生电子散射。(不同的结构成分对电子有着不同的散射程度,结构致密的,特别是被重金属盐着色或被锇酸固定的部分对电子的散射强,结构在荧光屏上较暗,电镜照片中呈黑色,称为电子致密。结构疏松的未被重金属盐着色的部分对电子散射弱,结构在荧光屏上的亮度较强,电镜照片中呈浅色,称为电子透明。)电子束透过样品之后经过一系列电磁透镜(如物镜、中间镜、投影镜)的放大作用,与荧光屏上形成最终的放大像。

 

二、真空系统 

电镜的真空系统由机械泵、油扩散泵、真空管道、阀门及检测系统组成。

在电子显微镜中,电子由电子枪发出经过样品,打到荧光屏上。电子束的穿透力很弱,只有在高真空的情况下才能达到一定的行程。整个路程中,应该没有空气分子的碰撞,这就要求必须将电子束通道、既镜筒抽成高真空。镜筒高真空的好坏,直接影响到电镜能否正常工作。如果真空不好,还会使灯丝寿命缩短,电子枪也会放电引起高压不稳,样品也容易污染。因此电镜工作时,镜筒的真空度要求在104106托,一般 的抽真空系统包括两至三只机械泵和一只油扩散泵。获得高真空分两步:第一步由机械泵抽低真空,从大气抽到1.330.133pa0.01-0.001mmHg)的真空度;第二步由油扩散泵抽高真空,从低真空抽到13.33×10-4 10-5 Pa(10-5 10-6mmHg) 的真空度。若是场发射型的电镜,则要利用离子泵或分子泵进行抽真空。

 

三、电子系统    

电子显微镜的电子系统(electron system)主要有以下几部分组成:高压发生器及电子枪灯丝加热电源,透镜稳流电路,电子系统,稳压电路,安全自控电路,计算机控制电路。

(一)高压发生器

高压发生器是为电镜提供高压的装置,由一个高压油箱或氟里昂气箱和高压电缆组成,为发射的电子提供加速能量。其稳定性直接影响电镜的质量。一般输出的高压有不同的分档,如3575100150175200kv档,供操作者选择。

(二) 灯丝加热电源

灯丝必须加电流使其产生高热,然后促使电子由灯丝尖端逸出,形成电子束,作为电镜的光源。灯丝的加热电流一般为3a左右,灯丝电流由一精细的电位器调节,使灯丝能处于比较合适的状态。

(三)透镜稳流电路

各透镜的电流稳定性直接影响到成像的分辨率与放大倍数的精确值。如果透镜电流不稳定,透镜的磁场强度将发生变化,造成电镜图象的不稳定。因此,必须利用稳定性能较高的电路来保证向各级透镜提供稳定电流。现在的稳定电路一般由集成电路或晶体管构成,因此是低电压电路。

(四)安全自控电路

现代的电镜一般都有较好的保护装置,当突然出现断电、断水、真空漏气或由于外界温度较高等因素影响仪器工作时,仪器能通过安全自控电路切断电源或关闭必要的阀门并发出警报,提醒操作人员注意,这样就有效地保护了仪器,使之不至于在突发的事故中损坏。

(五)计算机控制电路

在当今计算机广泛普及的时代,新型电镜也采用计算机对调试电镜、测量工作数据等程序进行管理,所有必要的数据、调试步骤已全部存入计算机程序,这大大简化了操作维修人员的工作,在操作维修时只要调出相应程序,按照其指示,即可方便地完成调试。这就使电镜的操作更为简化。

 

四、冷却系统

  包括制冷装置、冷却管道、冷却室及自动控制阀。

 

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