浅谈电子显微学封神之作：电磁透镜

一：关于电磁透镜的二三话

TEM 中的电磁透镜与光学显微镜（ VLM）中的玻璃透镜类似，两者在很大程度上具有可比性。例如：标准 TEM 中所有透镜的作用与凸透镜对单色光的会聚作用类似。

其实，不论哪种透镜，都有两个基本功能：

1. 把从物体上某一点发出的所有光线，都在像平面上会聚成同一点。
2. 把平行光，都在透镜焦平面上会聚到同一点。

实际的电磁透镜，会存在严重的球差和色差。不过，傍轴的电子几乎不受透镜像差的影响，离轴越远的电子受的影响越大，所以经常需要通过光阑，只让最靠近光轴的电子通过透镜，虽然这会不可避免得牺牲亮度，但能提高分辨率。

说到这里，就可见VLM和TEM的区别，限制VLM分辨率的因素是可见光有限波长，限制着 TEM分辨率的却是电磁透镜的像差，而不是电子的波长。实际上，对于TEM分辨率的定义一直很模糊，没有一个统一的定论，我们以后可以详细说说这个问题。例如，现在常说球差矫正TEM能达到亚埃分辨率，所以可以直接看到原子列，那这里的分辨率到底指的是什么？

为什么说电磁透镜是封神之作？

因为在电磁透镜之前，我们一直停留在玻璃透镜的层面，但在电磁透镜之后，电子显微镜开始一路高歌猛进，分辨率不断突破，最终才实现了原子尺度的直接观测。这意义不言而喻。

二：相关自测问答

Q1 在 TEM 中如何聚焦像？

使用磁透镜聚焦，通过调整磁透镜强度来控制电子的运动轨迹，决定平行电子束聚焦的位置：透镜越强焦距越短。

Q2 磁透镜的行为与哪种类型的可见光学透镜类似？

凸透镜

Q3 讲出磁透镜的主要部件以及它们的功能。

如下图，磁透镜主要由两部分组成。

第一部分是由软磁材料做成的圆柱形对称磁芯，中心部分有一个小孔穿过。软铁被称为“极靴”，孔被称为极靴孔。两极靴正对表面之间的距离称为极靴间隙，极靴孔径/间隙的比值是重要性能参量，它控制着透镜的聚焦行为。一些极靴被加工成圆锥形，这时锥形角就是透镜性能的一个重要参量。

第二部分是环绕在每个极靴上的铜线圈。当给线圈通上电流时，孔中会产生磁场，磁场强度控制着电子轨迹。

此外，线圈通电后不可避免会发热，为了保持温度恒定，透镜必须用循环水进行冷却，循环水系统也是 TEM 透镜的重要部分。

Q4 什么是磁透镜的前焦面和后焦面？

透镜的焦平面是平行线聚焦焦点所在的平面，在 TEM 成像过程中，焦平面位于透镜后面，所以这个平面有时

被称作“后焦面”（ BFP），同样也有一个等价的前焦面。

Q5 光轴是什么意思？

光轴是沿着 TEM 镜筒向下通过每个透镜中心的虚拟线。

Q6 为什么说物镜是 TEM 中最重要的透镜？

物镜是 TEM 中最重要的透镜，因为物镜收集来自样品出射面的电子，散射后的电子会在后焦面上形成衍射花样，重新组合后在像平面上成像。也就是说，是物镜形成被其它透镜放大的图像和衍射花样。物镜也是最难制造的，因为样品必须放置在离透镜平面非常近的位置。物镜的质量很大程度上决定了TEM的分辨率。

本内容是《张朝阳的物理课》6.17日拓展内容

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