透射电子显微镜的结构包括主机和辅助系统两大部分，主体部分(图25-2)包含电子源、照明系统、成像系统和观察记录系统等；辅助系统包含真空系统(机械泵、离子泵等)、电路系统(变压器、调整控制)、水冷系统等。

图25-2         透射电子显微镜基本构造

1-电子枪;2-加速管;3-阳极室隔离阀;4-第一聚光镜;5-第二聚光镜;6-聚光后处理装置;7-聚光镜光阑;8-测角台;9-样品杆;10-物镜;11-选区光阑;12-中间镜;13-投影镜;14-投影镜;15-光学显微镜;16-小荧光屏;17-大荧光屏

1.电子枪

透射电子显微镜中产生电子的装置叫电子枪，电子枪的研发与应用大致经历了三个阶段：钨灯丝、六硼化镧单晶和场发射电子枪，它们所产生的电子束质量越来越好，其亮度分别比普通钨灯丝亮几十倍和上万倍，而且单色性好，尤为适合于高级透射电子显微镜。电子枪分为热阴极型和场发射型两类，热阴极电子枪的材料主要有钨丝和六硼化镧(LaB₆)，而场发射电子枪又可以分为热场发射、冷场发射两个分支。电子枪的功能是产生高速电子，以热阴极电子枪为例(图25-3,图25-4)，它由处于负高压(或称加速电压)的阴极、栅极(电位比灯丝还要负几百到几千伏，数值可调)和处于0电位的阳极组成，加热灯丝发射电子束，并在阳极加电压使电子加速，经加速而具有高能量的电子从阳极板的孔中射出，电子束能量与加速电压有关，栅极则起到控制电子束形状的作用。另外，如果在某些金属的表面施加强电场，金属表面可向外逸出电子，依照此原理可制成场发射电子枪，它没有栅极，但由阴极和两个阳极构成，第一个阳极主要使电子发射，第二个阳极使电子加速和会聚。根据加速电压的数值，由电子枪发射出来的电子在阳极加速电压(生物样品多采用80～104kV，金属、陶瓷等多采用120kV, 200kV, 300kV，超高压电镜则高达1000～3000kV)的作用下，经过聚光镜((2～3个电磁透镜)汇聚为电子束照射到样品上。由于电子的穿透能力很弱(比X射线弱得多)，进行透射电子显微镜检测的样品必须很薄，其厚度与样品成分、加速电压等有关，一般在100nm左右(甚至更低)。此外，整个主机系统必须保持在理想的真空状态，真空系统通常由机械泵、油扩散泵、离子泵、真空测量仪表及真空管道组成，它的作用是抽出镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在10^-5 Torr及以下，目前最好的真空度可以达到10^-10 Torr左右。如果真空度不理想，可产生多种副作用，如电子与空气中气体分子之问的碰撞可引起散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压电离导致极间放电，从而影响电子枪的寿命，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品。

图25-3         热阴极电子枪的基本构造

2.照明系统

电子枪发射出的电子束有一定的发散角，经后续调节后，可得到发散角很小的平行电子束。可通过调节会聚镜的电流改变电子束的电流密度(也称束流)。在透射电子显微镜的观测过程中，需要亮度高、相干性好的照明电子束。因此电子枪发射出来的电子束还要用两个电磁透镜进一步会聚，以提供束斑尺寸不同、近似平行的照明束。图25-5为照明系统光路图，一般都采用双聚光系统。该系统的功能是为下一级成像系统提供一个亮度大、尺寸小的照明光斑，其中聚光镜用于汇聚电子枪射出的电子束，以求最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径半角和束斑大小。在图25-5中，第一聚光镜常采用短焦距强励磁透镜，它的作用是将从电子枪得到的光斑尽量缩小；第二聚光镜为长焦距弱透镜，它的功能是将第一聚光镜得到的光源会聚到试样上，该透镜通常可对光源起到放大作用。

图25-4         热阴极电子枪的灯丝

图25-5         照明系统光路图

3.放大、成像系统

成像系统包括样品室、物镜、中间镜、反差光阑、衍射光阑、投射镜以及其他电子光学部件。它的主要功能是，由于穿过样品的电子携带了样品本身的结构信息，将穿过试样的电子束在透镜后成像或成衍射花样，并经过物镜、中间镜和投影镜接力放大，最终以图像或衍射像的形式显示于荧光屏上。样品室有一套机关设置，以保证样品经常更换时不破坏主机的真空状态。实验操作时，样品可在X轴、Y轴二维方向移动，以便找到所要观察的位置。

图25-6为成像系统示意图，物镜是主机中最关键的部分，这是因为透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。它的功能是将来自样品不同部位、传播方向相同和相位相同的弹性散射电子束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其像平面上，构成与试样组织相对应的显微像。实际上，物镜的任务就是形成第一幅电子像或衍射像，完成物到像的转换并加以放大，要求像差尽可能小而又要有较高的放大倍数(20～100倍)。目前新一代透射电子显微镜的特点主要是大幅度改善了球差矫正参数，但此类设备使用还不普及，在常见的透射电子显微镜中，物镜光阑可以挡掉大角度散射的非弹性电子，使色差和球差减少，在提高衬度的同时还可以得到样品的更多信息，在选择后焦面上的晶体样品衍射束成像后，可获得明、暗场像。另外，作为弱激磁长焦距可变率透镜，中间镜可放大1～20倍，它的作用是控制透射电镜总的放大倍数，把上方物镜形成的一次中间像或衍射像投射到投影镜的物平面上，而投影镜则是一种短焦距强磁透镜，它可把经过中间镜形成的二次中间像或衍射像投影到荧光屏上，最终形成放大的电子像或衍射像。

图25-6         成像系统光路图

4.观察室和照相室(记录系统)

在观察、记录系统中，为方便前期观察，高性能透射电子显微镜除了荧光屏外，还配有用于聚焦的小荧光屏和放大5～10倍的光学放大镜。荧光屏的分辨率为50～70um，因此在观察细微结构时要有足够高的放大率，以使荧光屏能分辨并为人眼所见。例如，如需要观察0. 5 nm的颗粒就需要10万倍的电子光学放大，再加10倍的光学放大即可。