无球差与轴向色差校正的透射电子显微镜镜像物镜设计与应用研究

研究人员针对透射电子显微镜(TEM)分辨率受球差和轴向色差限制的难题，创新性提出采用轴对称静电镜像(ASEM)作为物镜的方案。通过建立包含相对论效应和有限电极间隙宽度的计算模型，成功设计出可同时消除Cs和Cc的三电极ASEM结构，其高斯像面位于无场空间，为高分辨电子显微镜设计提供了新思路。

　　

在追求原子级分辨率的透射电子显微镜(TEM)领域，球差(C_s
)和轴向色差(C_c
)始终是限制分辨率提升的关键瓶颈。传统电磁透镜因固有像差需要复杂校正系统，而静电镜像理论上可同时消除两类像差，但现有研究多忽略相对论效应和实际电极间隙影响，制约了其在高压电镜中的应用。

为解决这一难题，研究人员开展了轴对称静电镜像(ASEM)的系统研究。通过建立包含相对论修正的轨迹方程（公式1），推导出牛顿成像方程（公式2）和放大率公式（公式3），并创新性提出考虑有限间隙宽度的电位分布计算模型（公式12-14）。研究采用中心粒子法和特殊积分技术，克服了传统方法在粒子转折点处的计算难题。

研究结果显示：

1. 四电极镜像设计：采用等直径同轴圆柱电极结构，中间电极有效长度l₁
   =l₂
   =0.3d，间隙宽度δ=0.2d时，成功实现C_s
   和C_c
   同步消除（表1）。电位分布计算表明，第二电极需施加约96.5%V₁
   的负偏压，第三电极作为反射电极需精确调控至V₃
   ≈1.35V₁
   。

2. 相对论效应影响：当电子能量γ²
   从0增至0.2时，电极电位呈非线性增长（如V₄
   从1.348kV升至136.56kV），但焦距f=3d保持稳定，证明方案适用于高压电镜。

3. 成像系统配置：提出的暗场成像方案（图2）中，物像面均位于无场区，放大率M=-10至-20时系统性能稳定，验证了实际应用的可行性。

该研究首次实现考虑工程实际参数（间隙宽度、相对论效应）的ASEM像差同步校正，为发展新一代高分辨TEM提供了理论基础。其建立的电位分布计算模型（公式13）和像差积分方法（公式6-11）对精密电子光学系统设计具有普适价值。特别是提出的四电极结构方案，在保持系统简洁性的同时突破像差限制，为原子尺度表征技术发展开辟了新途径。