透射电镜成像原理

　　透射电镜，全称透射电子显微镜，是用于观察组织细胞超微结构的大型精密电子仪器，已广泛应用于医学、生物学等各个研究领域，成为研究细胞生物学、组织学、病理学、解剖学以及临床病理诊断的重要工具之一。

透射电镜的结构

　　透射电镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三个部分组成。透射电镜的核心是电子光学系统，通常称为镜筒，它分为三个部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。

　　在透射电镜中，照明系统的中的电子枪发射电子束，经过多级聚光镜的聚焦，形成在样品平面上可获得2-10微米的照明电子束斑。聚焦的电子束在透射电镜主体的中部，被高电压加速，然后加速电子束照射到试样上，入射电子与试样之间发生的相互作用。

　　对于非常薄的试样，许多电子不与试样发生相互作用而穿过试样，这种电子称为透射电子。除这种电子外，其余的电子与试样相互作用而发生散射，试样越厚，被散射的可能性越大。物质对电子的散射，可以分为弹性散射和非弹性散射两类。对于弹性散射，被散射电子的方向发生变化，但是散射电子的速度和能量不变。引起布拉格反射的衍射波和背散射电子是一种弹性散射。与这类弹性散射电子不同，电子的速度和能量发生变化的所有电子都属于非弹性散射电子。透射电镜中的明场像和暗场像等都是利用透射电子和弹性散射电子成像的。

透射电镜的成像原理

　　透射电镜中像的形成可以理解为一个光学透镜(物镜)的成像。具有一定波长λ的电子束入射到晶面间距为d的晶体时，在满足布拉格条件2dsinθ=λ的特定角度(2θ)处产生衍射波。这个衍射波在物镜的后焦面上会聚成一点，形成衍射点。

　　在透射电镜中，后焦面上形成的规则的花样经其后的电子透镜在荧光屏上显现出来，这就得到了所谓的电子衍射花样(或者叫做电子衍射图形)。在后焦面上的衍射波继续向前运动时，衍射波合成，在像平面上形成放大的像(电子显微像)。通常，将生成衍射花样的后焦面上的空间称为倒易空间(倒易晶格空间)，将试样位置或成像平面称为实空间。从试样到后焦面的电子衍射，即是从实空间到倒易空间的变化，在数学上用傅立叶变换来表示。

　　在透射电镜中，通过调节电子透镜(改变透镜的焦距)，就能够很容易观察到电子显微像(实空间的信息)和电子衍射花样(倒易空间的信息)，利用这两种观察模式就能很好的获取这两类信息。对于电子衍射花样的观察，先观察电子显微像(放大像)，插入光阑(选区光阑)到感兴趣的区域，调节电子透镜，就能得到只有这个区域产生的电子衍射花样。

　　这种观察模式叫选区电子衍射方法。利用选区电子衍射方法能获得细微组织各个区域的电子衍射花样，从而能够得知各个区域的晶体结构和它们的晶体取向关系。插入光阑能够选择的Z小视场范围通常是直径0.1左右。但是对于新近出品的透射电镜，可使入射到试样上的电子束会聚到很小来观察电子衍射花样，这就是所谓的微衍射方法。在这种情况下，能够观察直径为数纳米以下的微小区域的电子衍射花样。

透射电镜成像方式

　　在透射电镜图像分析中，主要有“质量厚度衬度”和“衍射衬度”两种成像原理。

　　“质量厚度衬度”主要用于复型样品图像的解释和分析。利用复型膜上不同区域厚度(t)或平均原子序数(Z)的差别，使进入透射电镜物镜光栏并聚焦于像平面的散射电子强度不同，从而产生图像的反差。对于金属样品，由于金属(以及其它晶体)薄膜样品的厚度大致均匀，平均原子序数也没有差别;薄膜上不同部位对电子的散射或吸收作用大致相同，因此不可能用“质量厚度衬度”来进行图例的解释和分析，要用到所谓的“衍射衬度”成像原理。

　　“衍射衬度”是指由于样品中不同晶体，或同一种晶体不同位向，衍射条件不同而造成的衬度反差方面的差别。当平行的高能入射电子束通过金属薄膜样品时，会在某些晶面上发生衍射，取向不同的晶粒，不同的相以及亚结构发生衍射的程度不一样。在透射电镜物镜下面的透射电子束和衍射电子束被会聚，并在焦距平面上形成ZX斑点及反映结构特征的电子衍射斑点(或环)。如果物镜光栏只让透射束通过，而把衍射束挡住，此时满足衍射条件的晶粒(A)强度Zgao，形成所谓的明场像;当物镜光栏套住衍射花样的某一强斑点(hkl)成像时，透射束被挡住，此时只有(hkl)晶面发生强衍射的晶粒(B)显得很亮，而大部分晶粒变得很暗，形成所谓的暗场像。这种成像方式被称为“衍射衬度”成像原理。像的特征与晶体的衍射条件有关。