电镜中影响分辨率的核心--极靴

sunzhaod

(原文件名:20051219195245.jpg)

这个东西的加工精密程度直接影响到分辨率！

sunzhaod

引用图片【楼主位】sunzhaod  查尔斯*SUN
以下摘自仪器信息网扫描电镜论坛！
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实践生活中，发现总有人将镜头和极靴的概念混淆，关于镜头，已经在每周一2问里有详细讨论，这里的照片就是极靴，请问两者的作用到底有什么不同呢？

(原文件名:20051219195245.jpg)


镜头？这个比较有意思，是光阑还是探头？
极靴是决定分辨率的玩意，前者如果是光阑也有点作用，但和极靴比重要性就差多了。

看看这个大家也许明白,右图是左图中间的放大

(原文件名:2.jpg)

在电子光学里，透镜都是磁透镜，说白了就是线圈里通上电，从而在中间形成磁场，对经过的电子束起到透镜的作用。极靴是磁透镜的一部分，它的作用是把磁场尽量集中到一点，也就是常说的强励磁。因此在磁透镜里，极靴的设计至关重要。样品杆就插在上下极靴之间。有一个规律，上下极靴的距离越小，励磁更强，分辨率越高；但是距离过小会影响样品杆在里面的倾斜，对能谱探头也会有影响。现在一般都会有好几种极靴，其实就是万事不可兼得，总要有取舍。

引用原文由 zhangf111 发表:
极靴是透射电镜里的，扫描里没有这个

扫描怎么会没有极靴呢?场发射扫描的IN LENS探头就是插在物镜极靴的.

(原文件名:3.jpg)

引用原文由 jeolzxj 发表:
看看这个大家也许明白,右图是左图中间的放大.

(原文件名:2.jpg)

图是不错， 但是 这是 TEM的， 很老的图， 还有一处错误， 极靴的材料 不可能是 BRASS（黄铜）。

是否因为Brass不导磁?

引用原文由 zhangf111 发表:
在电子光学里，透镜都是磁透镜，说白了就是线圈里通上电，从而在中间形成磁场，对经过的电子束起到透镜的作用。极靴是磁透镜的一部分，它的作用是把磁场尽量集中到一点，也就是常说的强励磁。因此在磁透镜里，极靴的设计至关重要。样品杆就插在上下极靴之间。有一个规律，上下极靴的距离越小，励磁更强，分辨率越高；但是距离过小会影响样品杆在里面的倾斜，对能谱探头也会有影响。现在一般都会有好几种极靴，其实就是万事不可兼得，总要有取舍。
]
这个回答 相当经典， 看来您是 TEM的专家， 但有两处是错误的。
1， 只要有电磁透镜， 就要有极靴， 所以不论 TEM 还是SEM， 镜筒中都有 极靴的存在。
2， 电子光学中 的透镜有两种， 电磁透镜 和静电透镜， 不都是 磁透镜。
看来您的TEM 年纪也不小了， 新型的 TEM 在上下极靴之间有炭保护层， 所以即使 距离大， 也不会影响 能谱。


(原文件名:3.jpg)

这张图 是完全错误的。

1， INLENS 或者 TTL 不可能 插在 镜头中间， 您的文字 是正确的， INLENS是插在 极靴中的。
2，如果 是高真空模式的 场发射扫描， INLENS 实际上是在 聚光镜之上， 而不是 当中， 低真空 的镜筒设计不同，INLENS是在 极靴当中。
3，严格的讲， SEM中是没有 物镜的概念的， 只有聚光镜的概念

正相反， 在高强磁场中， BRASS（黄铜）甚至一般的 不锈钢 都会 变成 磁导体。
极靴的作用不是 导磁， 而是 集中磁场， 所以要 尽可能的 使用 非磁导体。
所以中间的黄铜色金属是 PHORSPHOR BRONZE， 两边的 不锈钢色金属是 高 NI含量的 不锈钢。

大家看清楚没有,哪个brass到底是指向哪里的,郁闷............

还有SEM中要是没有物镜,那聚焦靠什么来调啊???????????

sunzhaod

关于极靴
引自电镜论坛！
磁透镜一开始就是一组线圈，据说Ernst Ruska发现加一个铁套磁场更稳定，后来又发现铁套上开一个小孔，小孔上面加对称的两对小突起，磁场能更强更均匀，聚焦能力更好，那么为什么这些个突起能起到这个作用？是因为材料的原因么？谢谢！


(原文件名:i.jpg)


(原文件名:u.jpg)
那么这两张图中的极靴形状怎么不一样呢？是不是观察角度的问题？

凸起是为了造成局部的强磁场，因为退磁场的缘故，"磁荷"倾向于在大曲率的地方集中。这是我的理解。
另外，楼上的两个图我没有发现有实质的不同。

补充一个跟这个相关的传奇，是物理所光恒先生讲的，见我们在黄庆博士科学网博客中的评论：
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=222004
光恒先生提到的这个小哥可能就是利用了磁体的局部凸起造成局部的超强磁场，还是绿色的--无需像电磁铁那样需要高功率电源和强冷却水。试想：电镜中能否造一个绿色的透镜极靴？

引用原文由 handsomeland 发表:
凸起是为了造成局部的强磁场，因为退磁场的缘故，"磁荷"倾向于在大曲率的地方集中。这是我的理解。
另外，楼上的两个图我没有发现有实质的不同。

磁荷怎么理解？类似于电荷的东东？
这两张图的突起不同，上面一张是仅有开口处的下面有一个小突起，而下面的图则很明显，而我看过很多JEOL的示意图，都是这样，应该不仅仅为了突出显示某突起而故意弄大的。或许我过于追求细节了。
原文由 handsomeland 发表:
补充一个跟这个相关的传奇，是物理所光恒先生讲的，见我们在黄庆博士科学网博客中的评论：
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=222004
光恒先生提到的这个小哥可能就是利用了磁体的局部凸起造成局部的超强磁场，还是绿色的--无需像电磁铁那样需要高功率电源和强冷却水。试想：电镜中能否造一个绿色的透镜极靴？

谢谢陆兄！

TEM物镜里面有25 mm空间的3T永磁场的确够发挥的，这次姚俊恩先生他们搞TEM，是否有这个方面的考虑？但我对这么强大的永磁场的稳定性和均匀性表示一点怀疑。
另外，你讲的例子的确很神，并严重同意你在那篇博客的留言：技工，尤其是过硬的技工确实很重要，尽管短期内不被重视，但这种技术永远是受人尊敬的价值。我们电镜室里有位老师，其实就是技工，最多也就是大专毕业，但在动手方面永远是我的老师。

我的理解，极靴的主要作用是“引导”磁场。比较理想的物镜需要磁场强，并且厚度薄，这两个要求很难兼顾。极靴用软磁材料做成，起到束缚磁力线的作用，但是如果没有开口，磁力线都在极靴内部，那就不能作为透镜使用。所以要开口。开口之后，磁力线在开口出泄漏出来，在电子束的通路上形成了一个很强的，并且长度很短的磁场，可以对电子束聚焦。
至于那个突起，就跟深入的磁场设计有关了，可能还要兼顾样品以及光阑需要的空间，我也不清楚。实际上，这些图往往是示意图，而且是早期极靴的示意图，现在的极靴设计形状的时候需要考虑很多影响因素，形状可能很复杂。圆柱形，圆锥形，一体式，分体式，开口大小，孔径大小，开孔的个数，位置和形状。。。


引用原文由 drizzlemiao 发表:
我的理解，极靴的主要作用是“引导”磁场。比较理想的物镜需要磁场强，并且厚度薄，这两个要求很难兼顾。极靴用软磁材料做成，起到束缚磁力线的作用，但是如果没有开口，磁力线都在极靴内部，那就不能作为透镜使用。所以要开口。开口之后，磁力线在开口出泄漏出来，在电子束的通路上形成了一个很强的，并且长度很短的磁场，可以对电子束聚焦。
至于那个突起，就跟深入的磁场设计有关了，可能还要兼顾样品以及光阑需要的空间，我也不清楚。实际上，这些图往往是示意图，而且是早期极靴的示意图，现在的极靴设计形状的时候需要考虑很多影响因素，形状可能很复杂。圆柱形，圆锥形，一体式，分体式，开口大小，孔径大小，开孔的个数，位置和形状。。。

啊，明白了，这才明白为什么开口这么小。那么为什么极靴的位置不在磁透镜的中间处呢？难倒上面比中间的磁性强？


在竖直方向上，极靴的形状可能受到样品和样品杆的限制。样品处于开口附近，如果把开口往下移动，就需要在极靴上开洞，这可不是什么好事。从另一方面来说，极靴的主要作用是把磁力线束缚住，没有开口的地方应该没有磁场，所以磁透镜只在开口附近，不是整个极靴所在的空间，没有必要在竖直方向上把它们安排得很对称。从实际零件上看，应该也是如此，极靴的体积相当大，厚度大概有10公分的量级，物镜磁场范围不会这么大。
没仔细查书，这是我自己的理解。

armok

长见识了。COOL !

sunzhaod

回复【3楼】armok  阿莫
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谢谢阿莫加裤子了！现在搜集一些电镜的知识，看来电镜的结构还是很复杂的，光凭一腔热情电镜是做不出来的，同时感觉到电镜确实物有所值！几百万啊！做出十台卖了就成千万富翁了！

sunzhaod

大家都回家过年了？

h2feo4

建议楼主不要找TEM的资料了，基本不会有人DIY那玩意的
一个是说他分辨率太高了，高到（对一般人而言）完全没用
另一个，就算给你一台现成的TEM，制样等辅助工艺也足以让大部分人望而却步的（除非你只想观察粉末样）

要真想玩电镜，搞个能看二次电子像的SEM就已经很不错了

sunzhaod

回复【6楼】h2feo4  无机酸
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我就是想以后有条件搞SEM,SEM也有极靴吧。

changjing

回复【7楼】sunzhaod 查尔斯*SUN
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这两天忙没上来看，上次你说的倍增管，如果真的想买我可以帮忙找人问（我们单位每年从宾松购进很多倍增管），不过我觉得还是先解决电子光路问题比较好，传感器最后再说。电子不像光，因为本身带电所以聚焦后会有自发散发生，我回头找找这方卖弄的资料。

kecheng

时刻关注 电子显微镜的一举一动

sunzhaod

回复【8楼】changjing  
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谢谢！其实我是一穷学生，并没有打算现在做，现在只是搜集资料，做知识积累，要做的话估计五年十年只后也许永远做不了。
如果有什么相关资料分享的话，实在是太感谢了！

sunzhaod

有一个想法：扫描电镜中的磁透镜采用钕铁硼永磁体，钕铁硼的剩磁可达几T，如果再做一个合适的极靴，或采用极靴的原理做一个磁场集中
器，那磁感应强度估计高出很多，这样不仅比电磁透镜的效率高，还几乎不耗能量，唯一缺憾是失去了可调性，但是可以通过调整电子束加速电压或调解磁透镜位置来调解焦距，虽然可调性降低但是可以做成微可调的，分辨率固定的（保持在最大分辨率）。

h2feo4

扫描电镜就是靠电子束扫描样品表面来成像的
如果不用电磁铁而用永磁体，靠什么扫描？靠电场扫描？靠移动永磁体来扫描？靠移动样品来扫描？

kcelery

最好找一些河蟹版电子光学的软件, 设计一下.

再试试做实件.

再找合用的闪烁器 + apd 管.

例如: http://www.sci-comp.com/
相信网上还有其它很多更容易找到的.


www.sci-comp.com (原文件名:Pjlxz1.GIF)

sunzhaod

回复【12楼】h2feo4  无机酸
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扫描线圈不用永磁体，只是磁透镜用！磁透镜中加的是恒定电流（当然是调好对焦后)!

sunzhaod

回复【13楼】kcelery  
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太感谢了！

sunzhaod

回复【13楼】kcelery  
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kcelery 看来对DIY扫描电镜也很有兴趣。
真是不做不知到，经过这么一搜索，才知道可以有很多方案！
就电子探测方面的进展：

1.光电倍增管，现在电镜大多采用的，优点：成熟技术，缺点:价格昂贵
2.电子倍增器  优点:效率高，价格比光电倍增管便宜，肯定能用，缺点：寿命受真空度影响高，需确保较高真空
3APD 雪崩光电二极管 优点：寿命不受真空影响，灵敏度似可以根光电倍增管相比，价格便宜，缺点：不知能否采用，待验证，需相关
资料。

kcelery

第一部        蒙蒙的电镜在1932年出现, 如要求不高,
用今天的科技, 应可以做到一些简单的电镜.

曾见过比较 apd 与 pmt. 两者可达接近的效果.
集中找性价比的apd 比较经济.

你可想象, ccd 可以做成数光子的工具. 但光子
已是一个极限了. 没有半个光子的. 只是有或无的现象.

所以用固体光电子零件, 应该可以办得到.

sunzhaod

回复【17楼】kcelery  
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是的！kcelery兄，看来扫描电镜有做头的！
采用低成本的替代方案，总的投入不会成为天文数字！
发现放大倍数在几万之内的扫描电镜还是很有钱途的！
加之纳米科技的迅速发展，扫描电镜是必不可少的设备，MEMS技术也需要SEM！
支持DIY SEM！
支持kcelery兄！

kcelery

我的建议, 只能算大胆的假设, 还要小心求证.
还是先找电子光学的软件, 打打基础.

电子方面, 只去到 Maxwell equation.  而且已经放下多年了.
看sunzhaod 兄如此热心, 就去找找资料.

其实先不必集中在电镜上, 真空中的光电还有很多现象可以
学习的.

xiaolei0428

太高深了。
能来点稍微简单的吗？
这个帖子我从头看到尾，没几个概念是懂的。

sunzhaod

回复【20楼】xiaolei0428  Thunder
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其实我也不是很懂！只是知道个大概。不懂的就百度或谷歌一下吧！还有百度百科、互动百科、维基百科。

changjing

回复【16楼】sunzhaod 查尔斯*SUN
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3APD 雪崩光电二极管面积好像不够配合闪烁晶体效率太低（还没有听说使用闪烁晶体加上雪崩二极管实现放射性探测的案例）并且，雪崩二极管的暗电流太大，因此信噪比较低，所以我觉得电子显微镜不太适合考虑使用雪崩二极管

sunzhaod

回复【22楼】changjing  
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说的也对啊！不过现在没有详细资料，还无法定论！
对两者的价格都不是很清楚！
光电倍增管知道有上千元的，不知几百的有没有？
雪崩光电二极管估计几百元，不知能用否？
电子倍增器，也不知道价格估计比光电倍增管便宜，但寿命受真空度影响太大，要是用不了几次就报废了，就太可惜了！
我从北京滨松网站下了APD的资料，也看不懂!
期待详细的价格和性能比较。
不过说过来也是，先考虑电子束聚焦和真空部分，电子探测部分最后考虑！

DIDADI

雪崩光电二极管估计几百元，不知能用否？

德国SILICON　SENSOR的我们现的采购价为RMB50左右（50K/年），感光面积230um*230um，针对红激光性能还是蛮强的。

感光面积是否对于电镜太小了，反正我们对点是一件麻烦事。

http://www.silicon-sensor.com/prod_tab.php?ptyp=apd&prod=serie8#serie8

sunzhaod

回复【24楼】DIDADI  
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谢谢！