Đối tượng sử dụng của TEM là chùm điện tử có năng lượng cao, vì thế các cấu kiện chính của TEM được đặt trong cột chân không siêu cao được tạo ra nhờ các hệ bơm chân không (bơm turbo, bơm iôn..).
Súng phóng điện tử
Cấu tạo của súng phóng điện tử.
Trong TEM, điện tử được sử dụng thay cho ánh sáng (trong kính hiển vi quang học). Điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử. Có hai cách để tạo ra chùm điện tử:
- Sử dụng nguồn phát xạ nhiệt điện tử: Điện tử được phát ra từ một catốt được đốt nóng (năng lượng nhiệt do đốt nóng sẽ cung cấp cho điện tử động năng để thoát ra khỏi liên kết với kim loại. Do bị đốt nóng nên súng phát xạ nhiệt thường có tuổi thọ không cao và độ đơn sắc của chùm điện tử thường kém. Nhưng ưu điểm của nó là rất rẻ tiền và không đòi hỏi chân không siêu cao. Các chất phổ biến dùng làm catốt là W, Pt, LaB6...
- Sử dụng súng phát xạ trường (Field Emission Gun, các TEM sử dụng nguyên lý này thường được viết là FEG TEM): Điện tử phát ra từ catốt nhờ một điện thế lớn đặt vào vì thế nguồn phát điện tử có tuổi thọ rất cao, cường độ chùm điện tử lớn và độ đơn sắc rất cao, nhưng có nhược điểm là rất đắt tiền và đòi hỏi môi trường chân không siêu cao.
Sau khi thoát ra khỏi catốt, điện tử di truyển đến anốt rỗng và được tăng tốc dưới thế tăng tốc V (một thông số quan trọng của TEM). Lúc đó, điện tử sẽ thu được một động năng:
m . v 2 2 = e V {\displaystyle {\frac {m.v^{2}}{2}}=eV}
Và xung lượng p sẽ được cho bởi công thức:
p = m 0 . v = 2 m 0 . e . V {\displaystyle p=m_{0}.v={\sqrt {2m_{0}.e.V}}}
Nguyên lý hoạt động của một thấu kính từ trong TEM
Như vậy, bước sóng của điện tử quan hệ với thế tăng tốc V theo công thức:
λ = h p = h 2 m 0 . e . V {\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}={\frac {h}{\sqrt {2m_{0}.e.V}}}}
Với thế tăng tốc V = 100 kV, ta có bước sóng điện tử là 0,00386 nm. Nhưng với thế tăng tốc cỡ 200 kV trở nên, vận tốc của điện tử trở nên đáng kể so với vận tốc ánh sáng, và khối lượng của điện tử thay đổi đáng kể, do đó phải tính theo công thức tổng quát (có hiệu ứng tương đối tính):
λ = h p = h 2 m 0 . e . V . 1 1 + e V 2. m 0 . c 2 {\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}={\frac {h}{\sqrt {2m_{0}.e.V}}}.{\frac {1}{\sqrt {1+{\frac {eV}{2.m_{0}.c^{2}}}}}}}
Các hệ thấu kính và lăng kính
Vì trong TEM sử dụng chùm tia điện tử thay cho ánh sáng khả kiến nên việc điều khiển sự tạo ảnh không còn là thấu kính thủy tinh nữa mà thay vào đó là các thấu kính từ. Thấu kính từ thực chất là một nam châm điện có cấu trúc là một cuộn dây cuốn trên lõi làm bằng vật liệu từ mềm. Từ trường sinh ra ở khe từ sẽ được tính toán để có sự phân bố sao cho chùm tia điện tử truyền qua sẽ có độ lệch thích hợp với từng loại thấu kính. Tiêu cự của thấu kính được điều chỉnh thông qua từ trường ở khe từ, có nghĩa là điều khiển cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây. Vì có dòng điện chạy qua, cuộn dây sẽ bị nóng lên do đó cần được làm lạnh bằng nước hoặc nitơ lỏng. Trong TEM, có nhiều thấu kính có vai trò khác nhau:
- Hệ kính hội tụ và tạo chùm tia song song (Condenser lens)
Đây là hệ thấu kính có tác dụng tập trung chùm điện tử vừa phát ra khỏi súng phóng và điều khiển kích thước cũng như độ hội tụ của chùm tia. Hệ hội tụ C1 có vai trò điều khiển chùm tia vừa phát ra khỏi hệ phát
điện tử được tập trung vào quỹ đạo của trục quang học. Khi truyền đến hệ C2, chùm tia sẽ được điều khiển sao cho tạo thành chùm song song (cho các CTEM) hoặc thành chùm hội tụ hẹp (cho các STEM, hoặc
nhiễu xạ điện tử chùm tia hội tụ) nhờ việc điều khiển dòng qua thấu kính hoặc điều khiển độ lớn của khẩu độ hội tụ C2.
- Vật kính (Objective lens) Nguyên lý ghi ảnh trường sáng và trường tối trong TEM
Là thấu kính ghi nhận chùm điện tử đầu tiên từ mẫu vật và luôn được điều khiển sao cho vật sẽ ở vị trí có khả năng lấy nét khi độ phóng đại của hệ được thay đổi. Vật kính có vai trò tạo ảnh, việc điều chỉnh lấy nét được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây, qua đó làm thay đổi tiêu cực của thấu kính.
- Thấu kính nhiễu xạ (Diffraction lens)
Có vai trò hội tụ chùm tia nhiễu xạ từ các góc khác nhau và tạo ra ảnh
nhiễu xạ điện tử trên mặt phẳng tiêu của
thấu kính.
- Thấu kính Lorentz (Lorentz lens, twin lens)
Được sử dụng trong
kính hiển vi Lorentz để ghi ảnh cấu trúc từ của vật rắn. Thấu kính Lorentz khác vật kính thông thường ở việc nó có tiêu cự lớn hơn và vị trí lấy nét (in focus) là vị trí mà các chùm tia điện tử truyền qua hội tụ tại
mặt phẳng tiêu sau, trùng với mặt phẳng khẩu độ vật kính. Thấu kính Lorentz thường bị đặt xa để đủ khả năng ghi góc lệch do từ tính (vốn rất nhỏ).
- Thấu kính phóng đại (Magnifying lens, intermediate lens)
Là hệ thấu kính sau vật kính, và độ phóng đại của hệ được thay đổi bằng cách thay đổi tiệu cự của thấu kính.
Ngoài ra, trong TEM còn có các hệ lăng kính có tác dụng bẻ đường đi của điện tử để lật ảnh hoặc điều khiển việc ghi nhận điện tử trong các phép phân tích khác nhau.
Các khẩu độ
Là hệ thống các màn chắn có lỗ với độ rộng có thể thay đổi nhằm thay đổi các tính chất của chùm điện tử như khả năng hội tụ, độ rộng, lựa chọn các vùng nhiễu xạ của điện tử...
- Khẩu độ hội tụ (Condenser Aperture)
Là hệ
khẩu độ được dùng cùng với hệ thấu kính hội tụ, có tác dụng điều khiển sự hội tụ của chùm tia điện tử, thay đổi kích thước chùm tia và góc hội tụ của chùm tia, thường mang ký hiệu C1 và C2.
Nguyên lý của điều chỉnh điều kiện tương điểm.
- Khẩu độ vật (Objective Aperture)
Được đặt phía bên dưới vật có tác dụng hứng chùm tia điện tử vừa xuyên qua mẫu vật nhằm: thay đổi độ tương phản của ảnh, hoặc lựa chọn chùm tia ở các góc lệch khác nhau (khi điện tử bị tán xạ khi truyền qua vật).
- Khẩu độ lựa chọn vùng(Selected Area Aperture)
Được dùng để lựa chọn diện tích vùng mẫu vật sẽ ghi ảnh
nhiễu xạ điện tử, được dùng khi sử dụng kỹ thuật
nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng.
