圖4-12 投射光鏡與透射電鏡的光路對照圖

    在實際情況下無論是光鏡還是電鏡，其內部結構都要比圖示復雜得多，圖中的聚光鏡（condonser lens）、物鏡（object lens）和投影鏡（projection lens）為光路中的主要透鏡，實際制作中它們往往各是一組（多塊透鏡構成），在設計電鏡時為達到所需的放大率、減少畸變和降低像差，又常在投影鏡之上增加一至兩級中間鏡（intemediate lens）。透射式電子顯微鏡的總體結構包括鏡體和輔助系統兩大部分，鏡體部分包含：①照明系統（電子槍G，聚光鏡C1、C2），②成像系統（樣品室，物鏡O，中間鏡I1、I2，投影 鏡P1、P2），③觀察記錄系統（觀察室、照相室），④調校系統（消像散器、束取向調 整器、光闌）。輔助系統包含：①真空系統（機械泵、擴散泵、真空閥、真空規），②電路系統（電源變換、調整控制），③水冷系統。圖4-13（a）為典型透射電鏡的電子光學系統 構成及成像原理示意圖，其中只包含了電鏡鏡體內的照明系統和成像系統兩部分；圖4-13（b）為透射電鏡的鏡體外形結構對照示意圖。

    透射電鏡的總體工作原理是：由電子槍發射出來的電子束，在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，通過聚光鏡將之會聚成一束尖細、明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內的樣品上；透過樣品后的電子束攜帶有樣品內部的結構信息，樣品內致密處透過的電子量少，稀疏處透過的電子量多；經過物鏡的會聚調焦和初級放大后，電子束進入下級的中間透鏡和第1、第2投影鏡進行綜合放大成像，最終被放大了的電子影像投射在觀察室內的熒光屏板上；熒光屏將電子影像轉化為可見光影像以供使用者觀察。本節將分別對各系統中的主要結構和原理予以介紹。

    一、照明系統

    照明系統包括電子槍和聚光鏡2個主要部件，它的功用主要在于向樣品及成像系統提供亮度足夠的光源��電子束流，對它的要求是輸出的電子束波長單一穩定，亮度均勻一致，調整方便，像散小。

    1.電子槍（electronic gun）

    由陰極（cathode）、陽極（anode）和柵極（grid）組成，圖4-14為它的剖面結構示意圖和實物分解圖。

    （1）陰極 陰極是產生自由電子的源頭，一般有直熱式和旁熱式2種，旁熱式陰極是將加熱體和陰極分離，各自保持獨立。在電鏡中通常由加熱燈絲（filament）兼做陰極

    圖4-13 透射電鏡的鏡體結構對照及成像原理

    稱為直熱式陰極，材料多用金屬鎢絲制成，其特點是成本低，但亮度低，壽命也較短。燈絲的直徑約為0.10～0.12mm，當幾安培的加熱電流流過時，即可開始發射出自由電子，不過燈絲周圍必須保持高度真空，否則就象漏氣燈泡一樣，加熱的燈絲會在傾刻間被氧化燒毀。燈絲的形狀最常采用的是發叉式，也有采用箭斧式或點狀式的（圖4-15），后 2種燈絲發光亮度高，光束尖細集中，適用于高分辨率電鏡照片的拍攝，但使用壽命更短。

    陰極燈絲被安裝在高絕緣的陶瓷燈座上（圖4-16），既能絕緣、耐受幾千度的高溫，還可以方便更換。燈絲的加熱電流值是連續可調的。

    圖4-14電子槍的構成

    在一定的界限內，燈絲發射出來的自由電子量與加熱電流強度成正比，但在超越這個界限后，電流繼續加大，只能降低燈絲的使用壽命，卻不能增大自由電子的發射量，我們把這個臨界點稱做燈絲飽和點，意即自由電子的發射量已達“滿額”，無以復加。正常使用常把燈絲的加熱電流調整設定在接近飽和而不到的位置上，稱做“欠飽和點”。這樣在保證能獲得較大的自由電子發射量的情況下，可以最大限度地延長燈絲的使用壽命。鎢制燈絲的正常使用壽命為40h左右，現代電 鏡中有時使用新型材料六硼化鑭（LaB6）來制作燈絲，其價格較貴，但發光效率高、亮度大（能提高一個數量級），并且使用壽命遠較鎢制燈絲長得多，可以達到1000h ，是一種很好的新型材料。

    圖4-15 電鏡常見鎢制陰極燈絲形狀

    （2）陽極

    為一中心有孔的金屬圓筒，處在陰極下方，當陽極上加有 數十千伏或上百千伏的正高壓��加速電壓時，將對陰極受熱發射出來的自由電子產生強烈的引力作用，并使之從雜亂無章的狀態變為有序的定向運動， 同時把自由電子加速到一定的運動速度（與加速電壓有關，前面已經討論過）， 形成一股束流射向陽極靶面。凡在軸心運動的電子束流，將穿過陽極中心的圓孔射出電子槍外，成為照射樣品的光源。

    （3）柵極位于陰、陽極之間，靠近燈絲頂端，為形似帽狀的金屬物，中心亦有一小孔供電子束通過。柵極上加有0～1000V的負電壓（對陰極而言），這個負電壓稱為柵偏壓VG，它的高低不同，可由使用者根據需要調整，柵極偏壓能使電子束產生向中心軸會聚的作用，同時對燈絲上自由電子的發射量也有一定的調控抑制作用。

    圖4-17 電子槍的工作原理

    （4）工作原理

    圖4-17表明，在燈絲電源VF作用下，電流IF流過燈絲陰極，使之發熱達2500℃以上時，便可產生自由電子并逸出燈絲表面。加速電壓VA 使陽極表面聚集了密集的正電荷，形成了一個強大的正電場，在這個正電場的作用下自由電子便飛出了電子槍外。調整VF可使燈絲工作在欠飽和點，電鏡使用過程中可根據對亮度的 需要調節柵偏壓VG的大小來控制電子束流量的大小。

    電鏡中加速電壓VA也是可調的，VA增大時，電子束的波長λ縮短，有利于電鏡分辨力的提高。同時穿透能力增強，對樣品的熱損傷小，但此時會由于電子束與樣品碰撞，導致彈性散射電子的散射角隨之增大，成像反差會因此而有所下降，所以，在不追求高分辨率觀察應用時，選擇較低的加速電壓反而可以獲得較大的成像反差，尤其對于自身反差對比較小的生物樣品，選用較低的加速電壓有時是有利的。

    圖4-18 新型場發射式電子槍工作原理示意圖

    還有一種新型的電子槍��場發射式電子槍（見圖4-18），由1個陰極和2個陽極構成，第1陽極上施加一稍低（相對第2陽極）的吸附電壓，用以將陰極上面的自由電子吸引出來，而第2陽極上面的極高電壓，將自由電子加速到很高的速度發射出電子束流。這需要超高電壓和超高真空為工作條件，它工作時要求真空度達到10-7Pa，熱損耗極小，使用壽命可達2000 h；電子束斑的光點更為尖細，直徑可達到10nm以下，較鎢絲陰極（大于104nm）縮小了３個數量級；由于發光效率高，它發出光斑的亮度能達到109 A/cm2·s，較鎢絲陰極（106 A/cm2·s ）也提高了３個數量級。場發射式電子槍因技術先進、造價昂貴，目前只應用于高檔高分辨電鏡當中。

    2.聚光鏡（condonser lens）

    聚光鏡處在電子槍的下方，一般由2～3級組成，從上至下依次稱為第1、第2聚光鏡（以C1 和C2表示）。關于電磁透鏡的結構和工作原理已經在上一節中介紹，電鏡中設置聚光鏡的用途是將電子槍發射出來的電子束流會聚成亮度均勻且照射范圍可調的光斑，投射在下面的樣品上。C1和C2的結構相似，但極靴形狀和工作電流不同，所以形成的磁場強度和用也不相同。C1為強磁場透鏡，C2為弱磁場透鏡，各級聚光鏡組合在一起使用，可以調節照明束斑的直徑大小，從而改變了照明亮度的強弱，在電鏡操縱面板上一般都設有對應的調節旋扭。C1、C2的工作原理是通過改變聚光透鏡線圈中的電流，來達到改變透鏡所形成的磁場強度的變化，磁場強度的變化（亦即折射率發生變化）能使電子束的會聚點上下移動，在樣品表面上電子束斑會聚得越小，能量越集中，亮度也越大；反之束斑發散，照射區域變大則亮度就減小。通過調整聚光鏡電流來改變照明亮度的方法，實際上是一個間接的調整方法，亮度的最大值受到電子束流量的限制。如想更大程度上改變照明亮度，只有通調整前面提到的電子槍中的柵極偏壓，才能從根本上改變電子束流的大小。在C2上通常 裝配有活動光闌，用以改變光束照明的孔徑角，一方面可以限制投射在樣品表面的照明區域，使樣品上無需觀察的部分免受電子束的轟擊損傷；另一方面也能減少散射電子等不利信號帶來的影響。

    二、成像系統

    1.樣品室（specimen room ）

    樣品室處在聚光鏡之下，內有載放樣品的樣品臺。樣品臺必須能做水平面上X、Y方向的移動，以選擇、移動觀察視野，相對應地配備了2個操縱桿或者旋轉手輪，這是一個精密的調節機構，每一個操縱桿旋轉10圈時，樣品臺才能沿著某個方向移動3mm左右。現代高檔電鏡可配有由計算機控制的馬達驅動的樣品臺，力求樣品在移動時精確，固定時穩定；并能由計算機對樣品做出標簽式定位標記，以便使用者在需要做回顧性對照時依靠計算機定位查找，這是在手動選區操作中很難實現的。

    圖4-19 超薄切片與樣品載放銅網

    生物醫學樣品在做透射電鏡觀察時，基本上都是將原始樣品以環氧樹脂包埋，然后用非常精密的超薄切片機切成薄片，刀具為特制的玻璃刀或者是鉆石刀。切下的生物醫學樣品的厚度通常只有幾十個納米（nm），這在一般情況下用肉眼是不能直接看到的，圖4-19（a ），必須讓切片飄浮在水面上，由操作熟練的技術人員借助特殊的照明光線，并以特殊的角 度才能觀察到如此薄的切片。切好的薄片被撈放在銅網上，經過染色和干燥后才能用于觀察。透射電鏡樣品的制作是一個漫長、復雜而又精密的過程，技術性非常強。但是我們前面介紹過，要想獲得優良的電鏡影像，制做優良的樣品標本乃是非常重要的第一步。

    盛放樣品的銅網根據需要可以是多種多樣的，圖4-19（b），直徑一般均為３mm ，通常銅網上有多少個柵格，我們就把它稱作多少目。之所以選擇銅制作樣品網，是由于它不會與電子束及電磁場發生作用，同理還可以選擇其他導磁率低的金屬材料（如鎳）制作樣品網，樣品網屬于易耗品，銅網加工容易、成本低，故使用十分普及。

    透射電鏡常見的樣品臺有2種：①頂入式樣品臺，要求樣品室空間大，一次可放入多個（常見為６個）樣品網，樣品網盛載杯呈環狀排列。使用時可以依靠機械手裝置進行依次交換。優點是每觀察完多個樣品后，才在更換樣品時破壞一次樣品室的真空，比較方便、省時間；但所需空間太大，致使樣品距下面物鏡的距離較遠，不適于縮短物鏡焦距，會影響電鏡分辨力的提高。②側插式樣品臺，樣品臺制成桿狀，樣品網載放在前端，只能盛放1～2個銅網。樣品臺的體積小，所占空間也小，可以設置在物鏡內部的上半端，有利于電鏡分辨率的提高。缺點是一次不能同時放入多個樣品網，每次更換樣品必須破壞一次樣品室的真空，略嫌不便。

    在性能較高的透射式電鏡中，大多采用上述側插式樣品臺，為的是最大限度地提高電鏡的分辨能力。高檔次的電鏡可以配備多種式樣的側插式樣品臺，某些樣品臺通過金屬聯接能對樣品網加熱或者致冷，以適應不同的用途。樣品是先盛載在銅網上，然后固定在樣品臺上的，樣品臺與樣品握持桿合為一體，是一個非常精巧的部件（圖４-20）。樣品桿的中部有一個“Ｏ”形橡膠密封圈，膠圈表面涂有真空脂，以隔離樣品室與鏡體外部的真空（兩端的氣壓差極大，比值可達10-6～10-9）。

    圖4-20 樣品握持桿示意

    樣品室的上下電子束通道各設了一個真空閥，用以在更換樣品時切斷電子束通道 ，只破壞樣品室內的真空，而不影響整個鏡筒內的真空，這樣在更換樣品后樣品室重又抽回真空時，可節省許多時間。當樣品室的真空度與鏡筒內達到平衡時， 再重新開啟與鏡筒相通的真空閥。

    2.物鏡（object lens）

    處于樣品室下面，緊貼樣品臺，是電鏡中的第1個成像元件，在物鏡上產生哪怕是極微小的誤差，都會經過多級高倍率放大而明顯地暴露出來，所以這是電鏡的一個最重要部件，決定了一臺電鏡的分辨本領，可看作是電鏡的心臟。

    （1）特點 物鏡是一塊強磁透鏡，焦距很短，對材料的質地純度、加工精度、使用中污染的狀況等工作條件都要求極高。致力于提高一臺電鏡的分辨率指標的核心問題，便是對物鏡的性能設計和工藝制作的綜合考核。盡可能地使之焦距短、像差小，又希望其空間大，便于樣品操作，但這中間存在著不少相互矛盾的環節。

    （2）作用

    進行初步成像放大，改變物鏡的工作電流，可以起到調節焦距的作用。電鏡操作面板上粗、細調焦旋扭，即為改變物鏡工作電流之用。

    為滿足物鏡的前述要求，不僅要將樣品臺設計在物鏡內部，以縮短物鏡焦距；還要配置良好的冷卻水管，以降低物鏡電流的熱飄移；此外，還裝有提高成像反差的可調活動光闌，及其要達到高分辨率的消像散器。對于高性能的電子顯微鏡，都通過物鏡裝有以液氮為媒質的防污染冷阱，給樣品降溫。

    3.中間鏡（intemediate lens）和投影鏡（projection lens）

    在物鏡下方，依次設有中間鏡和第1投影鏡、第2投影鏡，以共同完成對物鏡成像的進一步放大任務。從結構上看，它們都是相類似的電磁透鏡，但由于各自的位置和作用不盡相同，故其工作參數、勵磁電流和焦距的長短也不相同。電鏡總放大率：

    M＝MO·MI·MP1·MP2

    即為物鏡、中間鏡和投影鏡的各自放大率之積。 當電鏡放大率在使用中需要變換時，就必須使它們的焦距長短相應做出變化，通常是改變靠中間鏡和第1投影鏡線圈的勵磁工作電流來達到的。電鏡操縱面板上放大率變換鈕即為控制中間鏡和投影鏡的電流之用。

    對中間鏡和投影鏡這類放大成像透鏡的主要要求是：在盡可能縮短鏡筒高度的條件下，得到滿足高分辨率所需的最高放大率，以及為尋找合適視野所需的最低放大率；可以進行電子衍射像分析，做選區衍射和小角度衍射等特殊觀察；同樣也希望它們的像差、畸變和軸上像散都盡可能地小。

    三、觀察、記錄系統

    1.觀察室

    透射電鏡的最終成像結果，顯現在觀察室內的熒光屏上，觀察室處于投影鏡下，空間較大，開有1～3個鉛玻璃窗，可供操作者從外部觀察分析用。對鉛玻璃的要求是既有良好的透光特性，又能阻斷X線散射和其他有害射線的逸出，還要能可靠地耐受極高的壓力差以隔離真空。

    由于電子束的成像波長太短，不能被人的眼睛直接觀察，電鏡中采用了涂有熒光物質的熒光屏板把接收到的電子影像轉換成可見光的影像。觀察者需要在熒光屏上對電子顯微影像 進行選區和聚焦等調整與觀察分析，這要求熒光屏的發光效率高，光譜和余輝適當，分辨力好。目前多采用能發黃綠色光的硫化鋅-鎘類熒光粉做為涂布材料，直徑約在15～20cm。

    熒光屏的中心部分為一直徑約10cm的圓形活動熒光屏板，平放時與外周熒屏吻合，可以進行大面積觀察。使用外部操縱手柄可將活動熒屏拉起，斜放在45°角位置，此時可用電鏡置配的雙目放大鏡，在觀察室外部通過玻璃窗來精確聚焦或細致分析影像結構；而活動熒光屏完全直立豎起時能讓電子影像通過，照射在下面的感光膠片上進行曝光。

    2.照相室

    在觀察中電子束長時間轟擊生物醫學樣品標本，必會使樣品污染或損傷。所以對有診斷分析價值的區域，若想長久地觀察分析和反復使用電鏡成像結果，應該盡快把它保留下來，將因為電子束轟擊生物醫學樣品造成的污染或損傷降低到最小。此外，熒光屏上的粉質顆粒的解像力還不夠高，尚不能充分反映出電鏡成像的分辨本領。將影像記錄存儲在膠片上��照相，便解決了這些問題。

    照相室處在鏡筒的最下部，內有送片盒（用于儲存未曝光底片）和接收盒（用于收存已曝光底片）及一套膠片傳輸機構。電鏡生產的廠家、機型不同，片盒的儲片數目也不相同，一般在20～50片/盒左右，底片尺寸日本多采用82.5mm×118mm，美國常用82.5mm×101.6mm，而歐州則用90mm×120mm。每張底片都由特制的一個不銹鋼底片夾夾持，疊放在片盒內。工作時由輸片機構相繼有序地推放底片夾到熒光屏下方電子束成像的位置上。曝光控制有手控和自控兩種方法，快門啟動裝置通常并聯在活動熒光屏板的扳手柄上。電子束流的大小可由探測器檢測，給操作者以曝光指示；或者應用全自動曝光模式由計算機控制，按程序選擇曝光亮度和最佳曝光時間完成影像的拍攝記錄。

    現代電鏡都可以在底片上打印出每張照片拍攝時的工作參數，如：加速電壓值、放大率 、微米標尺、簡要文字說明、成像日期、底片序列號及操作者注解等備查的記錄參數。觀察室與照相室之間有真空隔離閥。以便在更換底片時，只打開照相室而不影響整個鏡筒的真空。

    3.陰極射線管（CRT）顯示器

    電鏡的操作面板上的CRT顯示器主要用于電鏡總體工作狀態的顯示、操作鍵盤的輸入內容顯示、計算機與操作者之間的人機對話交流提示以及電鏡維修調整過程中的程序提示、故障警示等。

    四、調校系統

    1.消像散器

    像散（指軸上像散）的產生除了前面介紹的材質、加工精度等原因以外，實際上在使用過程中，會因為各部件的疲勞損耗、真空油脂的擴散沉積、以及生物醫學樣品中的有機物在電子束照射下的熱蒸發污染等眾多因素逐漸積累，使得像散也在不斷變化。所以像散的消除在電鏡制造和應用之中都成了必不可少的

    重要技術。

    早期電鏡中曾采用過機械式消像散器，利用手動機械裝置來調整電磁透鏡周圍的小磁鐵 組成的消像散器，來改變透鏡磁場分布的缺陷。但由于調整的精確性和使用的方便性均難令人滿意，現在這種方式已被淘汰。目前的消像散器由圍繞光軸對稱環狀均勻分布的8個小電磁線圈構成，見圖4-21，用以消除（或減小）電磁透鏡因材料、加工、污染等因素造成的像散。其中每4個互相垂直的線圈為1組，在任一直徑方向上的2個線圈產生的磁場方向相反，用2組控制電路來分別調節這2組線圈中的直流電流的大小和方向，即能產生1個強度和方向可變的合成磁場（圖4-21中的虛線橢圓），

    圖4-21 由電磁線圈構成的消像散器

    以補償透鏡中所原有的不均勻磁場缺陷（圖中橢圓形實線），以達到消除或降低軸上像散的效果。

    一般電鏡在第2聚光鏡中和物鏡中各裝有2組消像器，稱為聚光鏡消像散器和物鏡消像散器。聚光鏡產生的像散可從電子束斑的橢圓度上看出，它會造成成像面上亮度不均勻和限制分辨率的提高。調整聚光鏡消像散器（鏡體操作面板上裝有對應可調旋鈕），使橢圓形光斑恢復到最接近圓狀即可基本上消除聚光鏡中存在的像散。

    物鏡像散能在很大程度上影響成像質量，消除起來也比較困難。通常使用放大鏡觀察樣品支持膜上小孔在欠焦時產生的費涅爾圓環的均勻度，或者使用專門的消像散特制標本來調整消除，這需要一定的經驗和操作技巧。近年來在一些高檔電鏡機型之中，開始出現了自動消像散和自動聚焦等新功能，為電鏡的使用和操作提供了極大的方便。

    2.束取向調整器及合軸

    最理想的電鏡工作狀態，應該是使電子槍、各級透鏡與熒光屏中心的軸線絕對重合。但這是很難達到的，它們的空間幾何位置多多少少會存在著一些偏差，輕者使電子束的運行發生偏離和傾斜，影響分辨力；稍微嚴重時會使電鏡無法成像甚至不能出光（電子束嚴重偏離中軸，不能射及熒光屏面）。為此電鏡采取的對應彌補調整方法為機械合軸加電氣合軸的操作。

    機械合軸是整個合軸操作的先行步驟，通過逐級調節電子槍及各透鏡的定位螺絲，來形成共同的中心軸線。這種調節方法很難達到十分精細的程度，只能較為粗略地調整，然后再輔之以電氣合軸補償。

    電氣合軸是使用束取向調整器的作用來完成的，它能使照明系統產生的電子束做平行移動和傾斜移動，以對準成像系統的中心軸線。束取向調整器分槍（電子槍）平移、傾斜和束（電子束）平移、傾斜線圈兩部分。前者用以調整電子槍發射出電子束的水平位置和傾斜角度；后者用以對聚光鏡通道中電子束的調整。均為在照明光路中加裝的小型電磁線圈，改變線圈產生的磁場強度和方向，可以推動電子束做細微的移位動作。

    合軸的操作較為復雜，不過在合軸操作完成后，一般不需經常調整。只是束平移調節作為一 個經常調動的旋鈕，放在電鏡的操作面板上，供操作者在改變某些工作狀態（如放大率變換）后，將偏移了的電子束亮斑中心拉回熒光屏的中心，此調節器旋鈕也稱為“亮度對中”鈕。

    3.光闌

    如前所述，為限制電子束的散射，更有效地利用近軸光線，消除球差、提高成像質量和反差 ，電鏡光學通道上多處加有光闌，以遮擋旁軸光線及散射光，參見圖4-22。

    圖4-22 TEM光學通道中的光闌

    光闌有固定光闌和活動光闌2種，固定光闌為管狀無磁金屬物，嵌入透鏡中心，操作者無法調整（如聚光鏡固定光闌）。活動光闌是用長條狀無磁性金屬鉬薄片制成，上面縱向等距離排列有幾個大小不同的光闌孔，直徑從數十到數百個微米不等，以供選擇使用。活動光闌鉬片被安裝在調節手柄的前端，處于光路的中心，手柄端在鏡體的外部。活動光闌手柄整體的中部，嵌有“Ｏ”形橡膠圈來隔離鏡體內外部的真空。可供調節用的手柄上標有1、2、3、4號定位標記，號數越大，所選的就孔徑越小。光闌孔要求很圓而且光滑，并能在 X、Y方向上的平面里做幾何位置移動，使光闌孔精確地處于光路軸心。因此，活動光闌的調節手柄，應能讓操作者在鏡體外部方便地選擇光闌孔徑，調整、移動活動光闌在光路上的空間幾何位置。

    電鏡上常設3個活動光闌供操作者變換選用：①聚光鏡C2光闌，孔徑約在20～200μm左右，用于改變照射孔徑角，避免大面積照射對樣品產生不必要的熱損傷。光闌孔的變換會影響光束斑點的大小和照明亮度；②物鏡光闌，能顯著改變成像反差。孔徑約在10～100μm 左右，光闌孔越小，反差就越大，亮度和視場也越小（低倍觀察時才能看到視場的變化）。若選擇的物鏡光闌孔徑太小時，雖能提高影像反差，但會因電子線衍射增大而影響分辨能力，且易受到照射污染。如果真空油脂等非導電雜質沉積在上面，就可能在電子束的轟擊下充放電，形成的小電場會干擾電子束成像，引起像散，所以物鏡光闌孔徑的選擇也應適當；③中間鏡光闌，也稱選區衍射光闌，孔徑約在50～400μm左右，應用于衍射成像等特殊的觀察之中。

    五、真空系統

    電鏡鏡筒內的電子束通道對真空度要求很高，電鏡工作必須保持在10-3～10-４Ｐa以上的真空度（高性能的電鏡對真空度的要求更達10-７Ｐa以上），因為鏡筒中的殘留氣體分子如果與高速電子碰撞，就會產生電離放電和散射電子，從而引起電子束不穩定，增加像差，污染樣品，并且殘留氣體將加速高熱燈絲的氧化，縮短燈絲壽命。獲得高真空是由各種真空泵來共同配合抽取的。

    1.機械泵（旋轉泵）

    機械泵因在其他場合使用非常廣泛而比較常見，它工作時是靠泵體內的旋轉葉輪刮片將空氣吸入、壓縮、排放到外界的。機械泵的抽氣速度每分鐘僅為160L左右 ，工作能力也只能達到0.1～0.01Pa,遠不能滿足電鏡鏡筒對真空度的要求，所以機械泵只做為真空系統的前級泵來使用。

    2.油擴散泵

    擴散泵的實物外形和內部結構見圖4-23。它的工作原理是用電爐將特種擴散泵油加熱至蒸汽

    圖4-23 油泵擴散

    狀態，高溫油蒸汽膨漲向上升起，靠油蒸汽吸附電鏡鏡體內的氣體，從噴嘴朝著擴散泵內壁射出，在環繞擴散泵外壁的冷卻水的強制降溫下，油蒸汽冷卻成液體時析出氣體排至泵外，由機械泵抽走氣體，油蒸汽冷卻成液體后靠重力回落到加熱電爐上的油槽里循環使用，見圖 4-23（c）。擴散泵的抽氣速度很快，約為每秒鐘570L左右，工作能力也較強，可達10-３～10-４Pa 。但它只能在氣體分子較稀薄時使用，這是由于氧氣成分較多時易 使高溫油蒸氣燃燒，所以擴散泵通常與機械泵串聯使用，在機械泵將鏡筒真空度抽到一定程度時，才啟動擴散泵。

    近年來電鏡廠商在制作中為實現超高壓、超高分辨率，必須滿足超高真空度的要求，為此在電鏡的真空系統中又推出了離子泵和渦輪分子泵，把它們與前述的機械泵和油擴散泵聯用可以達到10-7Pa的超高真空度水平。

    3.真空閥、真空規

    真空閥是用于啟閉真空通道各部分的關卡，使各部分能獨立放氣、抽空而不影響整個系統的真空度。

    真空規用于鏡筒各部位真空度的檢測，向真空表和真空控制電路提供信號，根據檢測目標的真空度不同，真空規分為“皮拉尼規”（pirani gauge ）和“潘寧規”（penning gauge ）2種。前者用于低真空檢測，后者用于高真空檢測，被安裝在鏡體的不同部位。

    4.空氣壓縮機

    電鏡中的真空閥多為氣動式，動力源自空氣壓縮機，這是因為如采用電磁動力的真空閥門，易產生干擾電磁場，影響電鏡工作。電鏡外部專配的空氣壓縮機能經常、自動地保持在4個大氣壓以上，以提供足夠的氣體壓力。由空氣壓縮機輸出的高壓氣體經多根軟塑細管送出，先經過在計算機程序控制下動作的“總操縱集合電磁閥”，然后聯接到鏡體內各部位安裝的氣動閥門處。這樣，就可以通過固定程序（或人為）來操縱控制鏡體外部的集合電磁閥，切斷或聯通任一路軟塑細管，間接地啟閉鏡體內部的任一氣動閥（圖4-24）。

    圖4-24 真空系統和氣動閥門裝置

    5.抽氣過程

    圖4-24中的真空抽氣系統是由2部分組成，各為1套機械泵（RP）和擴散泵（DP），分別聯接鏡體的上半部鏡筒部分和下半部照相室部分。抽氣過程是：先由機械泵將該部分（如鏡筒）真空抽至10-1Pa 以下，由“皮拉尼”真空規（P）監測真空度達到這個值時，提供一個信號送給中央微處理器，由控制電路自動操縱擴散泵啟動工作；當（鏡筒）真空度達到1 0-4Pa時，“潘寧”規（PE）發出可以接通鏡體電源電路的信號，而如果鏡筒因某種 原因突然漏氣，真空度一但低于設定值，“潘寧”規（PE）將立即“通知”控制電路切斷工作電源。在電鏡工作中，鏡筒總會或多或少漏進一些氣體（不可能絕對密封），所以真空泵也一直在不停地工作著，使鏡體的真空度維持在一個較高的數值，達到平衡狀態。在工作過程之中，如需要更換樣品，則控制電路自動操縱控制鏡體外部的集合電磁閥，向電子槍閥門（GV）和鏡筒閥門（CV）提供氣壓動力，令其關閉，只給鏡筒中部放氣，待到換畢樣品重 新抽取真空達到原來真空度時，再切斷氣壓動力使兩閥門開啟，聯通鏡筒的上下真空和光路 通道，余此類推。圖中V、LV、CV、GV均為真空閥，P（皮拉尼）、PE（潘寧）為真空規，AS為氣動照相快門，CF為照相底片更換器。

    六、電路系統

    1.電源變換裝置

    鏡體和輔助系統中的各種電路都需要工作電源，且因性質和用途不同，對電源的電壓、電流 和穩壓度也有不同的要求。如電子槍的陽極需要數十至數百千伏的高電壓，它的穩定度應在 每分鐘不漂移10-5以上（ 每分鐘的偏離量低于十萬分之一），這專門由高壓發生器和 高壓穩定電路（埋于油箱內）來提供。在物鏡電源中則要求電流的穩定度優于10-5～1 0-6。其他透鏡電源、操縱控制等電路則要求工作電壓從幾伏到幾百伏，電流從幾毫 安到幾安培不等，全部由相應的電源電路變換配給，其中包括變換電路、穩壓電路、恒流電 路等，圖4-25（a）為電源變換裝置的示意圖。

    圖4-25 電源變換裝置和調整，控制電路

    2.調整、控制電路

    這部分電路最為復雜，操縱面板上的每一個變化，都對應到相應元、部件工作狀態的變化，每一步驟都要由電路做出一系列相應的動作來實現。調整控制電路實質上是由許多形形色色的操縱、檢測、自控、保護等電路交織而成，圖4-25（b）為調整、控制電路的結構方框圖。

    圖4-26 水冷系統流程圖

    七、水冷系統

    水冷系統是由許多曲折迂迥、密布在鏡筒中的各級電磁透鏡、擴散泵、電路中大功率發熱元件之中的管道組成。外接水制冷循環裝置，為保證水冷充分（10～25℃之間，不可過高或過低）、充足（4～5L/min）、可靠（0.5～2kg/mm2），在冷卻水管道的出口，裝有水壓探測器，在水壓不足時既能報警，又能通過控制電路切斷鏡體電源，以保證電鏡在正常工作時不因為過熱而發生故障。水冷系統的工作要開始于電鏡開啟之前，結束于電鏡關閉 20 min以后。

    八、高分辨率TEM影像的拍攝要點

    1.樣品制作：要求切片（或復型）樣品的厚薄適宜，染色好。

    2.合軸：保證機械合軸與電氣合軸的精良。

    3.消像散：細心消除聚光鏡和物鏡的像散。

    4.聚焦：需一定經驗，精心調正。

    5.曝光：以重點觀察部位密度為準，對測光結果略加補償。

    6.避免電壓波動，外界磁場和震動的干擾。

    7.拍攝倍率不宜太高，以剛能看清細節為界。

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