通常所说的“电子显微镜”，一般是指透射和扫描两种类型的电子显微镜。其中，透射电子显微镜问世早，在生物学和医学上已普遍应用。扫描电子显微镜问世较晚，近年来它在医学和生物学上也逐步得到广泛应用。
(一)透射电子显微镜
1.成像原理
磁场或电场对电子束的聚集作用与玻璃透镜对光线的聚焦作用相似。在理想成像的情况下，电镜中的物镜、中间镜和投影镜均可利用光学中薄透镜的作图法和成像公式。但是，可见光照射样品时，样品不同程度地吸收、反射、折射和散射光子，产生色差或强度差，从而形成物体的像。而在应用电子束成像时，却不能利用吸收现象，这是由于样品吸收大量电子后，被吸收的电子将产生能量而将样品烧毁，即使样品不被烧毁，穿过样品的电子也因速度改变不适于成像。 电子光学像的形成，主要借助电子束的散射现象。那末，什么叫散射现象呢?这要从物质的基本结构和特性说起。各种物质尽管千差万别，但都是由原子组成的，原子又是由原子核和环绕轨道运动的电子组成的。原子间距是01nm或更大些，而原子核和电子的大小仅仅是10-6～10-7nm的数量级。在原子内部，如果把原子放大，使原子核等于1mm，则原子核与距原子核最近的电子之间的距离就有25m之远。因此，实际上物质是由原子核及围绕原子核旋转的电子组成的，这些电子按各自的运行轨道占据了大量空间。当一束具有一定能量的电子通过足够薄的样品时，将出现三种情况：第一种情况是入射电子直接穿过物质空间；第二种情况是入射电子和原子核相互作用，由于原子核的质量比电子的质量大得多，如碳原子核的质量是电子质量的两万倍，这时入射电子将偏斜很大的角度运动，但几乎不损失能量，这种相互作用称为“弹性散射”；第三种情况是入射电子与绕核旋转的电子相互作用，由于它们的质量相同，因此，入射电子不仅改变运动方向，而且将不同程度地降低其运动速度，这种相互作用称为“非弹性散射”。物质的密度大，则原子核大，核周围的电子多，散射的电子就多；物体厚，则原子多，散射的电子也多。所以电子散射的多少与物质的质量和厚度的乘积有关，质量和厚度的乘积简称“质量厚度”。 由于散射作用，一束细的平行电子穿过样品后，就散开成为圆锥体，如图12-1。物体各部分的质量厚度不同，对电子的散射亦不同。某一部分的质量厚度大，散射的电子多，通过物镜光阑孔的成像电子就少，在荧光屏上像的相对应部分就暗；某一部分的质量厚度小，散射的电子少，荧光屏上像的相对应部分就亮。这样，便形成了明暗不同的物体像。 [HT5”SS]图12-1 电子束通过样品后在屏上散开成为圆锥体[HT5SS]还有一种成像方法，就是利用散射电子成像。这种方法是用光阑阻挡穿过样品的直射电子，由离开其原始方向的散射电子通过光阑孔成像。样品的质量厚度大，散射的电子就多，通过光阑孔到达荧光屏上的成像电子也多，像就亮；相反，样品的质量厚度小，散射的电子就少，通过光阑孔到达荧光屏上的成像电子也少，像就暗。同一个样品，两种成像方法形成明暗完全相反的像。前一种叫做亮场像，后一种叫做暗场像。亮场像是常用的一种，暗场像只在特殊情况下使用。亮场像是在一些散射角度小的电子的背景上得到的，所以像的反差小。暗场像的背景非常弱，像的反差较大。暗场像的电子束与光轴成一定角度，影响分辨本领，所以亮场像比暗场像的分辨本领大。
2.基本结构透射电子显微镜的结构大体上由照明系统、成像系统、真空系统和供电系统组成，如图12-2。 图12-2 透射式电子显微镜剖面 照明系统包括电子枪和聚光镜。电子枪由阴极、栅极和阳极组成。阴极是电子的发射源。阴极有两种:一种是热阴极，又称灯丝，由直径008～01mm的钨丝制成，如图12-4，通以电流后灯丝即发射电子，这是通常使用的一种阴极;另一种是冷阴极，利用真空中残存气体的电离作用产生电子。栅极是用不锈钢制成的圆筒，中央开一圆孔，栅极处于相对阴极负几百伏的电位，用以控制电子发射，因此，调节栅极压，可改变像的亮度。阴极发射的电子在阴极下方形成一个电子束的最小截面，称之为交叉点。阳极接地电位，与阴极间有数值很高的加速电压，使电子束加速。 图12-3 典型的发叉式灯丝 聚光镜将来自电子枪的电子束会聚在样品上并控制照明束斑的大小及孔径角，以便得到最佳的高分辨率像。照明光斑的大小与电子源的实际尺寸和聚光镜的放大倍数有关。单聚光镜约可使照明光斑直径为50μm左右，当成像系统的放大倍数达1万倍时，被照明的样品面积已远比观察面积大，这将产生两个问题：
①放大倍数增加10倍，像的亮度将降低100倍，随着放大倍数的增加，像变得很暗，不利于观察；
②大的照明面积将使视野以外的样品部分也被加热和污染。所以，现代电镜一般都装置双聚光镜。
第一聚光镜系一强透镜，可把电子枪交叉点缩小到1μm左右，第二聚光镜为一弱透镜，可把缩小的光斑放大到数μm并聚焦在样品上。这样，改变聚光镜电流，就可改变照明光斑的大小，使在不同的放大倍数下只照明样品的被观察部分，从而大大提高了照明效率，减少了部分样品不必要的加热和污染。成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜是强透镜，直接把样品放大约100倍，形成样品的初始像。中间镜把物镜的像放大或缩小，是一个放大倍数可变的弱透镜，用来控制总放大倍数。有的电子显微镜装置两个中间镜。第二中间镜作衍射用时，能在较大范围内改变衍射图样的放大倍数，所以又把第二中间镜叫做衍射镜。投影镜也是一个强透镜，用来放大中间镜的像，投射在荧光屏上。在观察室设置一个涂以荧光粉的屏，把眼睛看不见的电子像转换成可见光像，供眼睛直接观察。观察室外安装一个放大10倍左右的放大镜，观察时对像再放大，照相时用以调节焦点。 观察室下面存放干板或软片，可拍摄电子放大的像。一般是直接移动观察屏使底板曝光。有的电子显微镜在投影镜下面装有电磁控制的叶片式快门。叶片式快门的优点是动作快，故可以控制短时间曝光，从而减少因样品漂移、电流电压变化或外界环境等引起的像的模糊。 电镜的真空度要求高于133×10-2Pa(10-4mmHg)。为此，电镜都装有真空泵(也叫机械泵或旋转泵)和扩散泵。先用真空泵把大气抽到低真空(约1333Pa，01mmHg)，再用扩散泵把低真空抽到高真空(约133×10-2～133×10-6Pa)。 一般电镜需要5万伏到12万伏的加速电压，而且要求一定的稳定度，否则产生色差，影响分辨本领。假如要得到分辨率为05nm的照片，要求加速电压在5秒钟内稳定于五万分之一的数量级；物镜的励磁电流要求更高，其稳定度为十万分之一。一般应用市电供电，其波动范围可达20％，这就需要由低压变高压和由不稳定达到一定稳定度的一套专门供电装置。
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