Zalety mikroskopii elektronowej w porównaniu z mikroskopią świetlną
Mikroskop elektronowy mikroskop optyczny zasada obrazowania podobieństwa i różnice
Mikroskop elektronowy jest instrumentem, który zastępuje wiązkę światła i soczewkę optyczną wiązką elektronów i soczewką elektronową zgodnie z zasadami optyki elektronowej, dzięki czemu drobna struktura materii może być obrazowana przy bardzo dużym powiększeniu.
Zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego wyraża się w małej odległości między dwoma sąsiednimi punktami, jaką może on rozróżnić. W latach siedemdziesiątych XX wieku transmisyjne mikroskopy elektronowe miały rozdzielczość około 0,3 nanometra (zdolność rozdzielcza ludzkiego oka wynosiła około 0,1 milimetra). Teraz maksymalne powiększenie mikroskopu elektronowego wynosi ponad 3 miliony razy, a maksymalne powiększenie mikroskopu optycznego wynosi około 2000 razy, więc atomy niektórych metali ciężkich i starannie ułożoną sieć atomową w kryształach można bezpośrednio obserwować pod mikroskopem elektronowym.
W 1931 roku Knorr-Bremse i Ruska w Niemczech zmodyfikowali oscyloskop wysokonapięciowy ze źródłem elektronów wyładowczych z zimną katodą i trzema soczewkami elektronowymi i uzyskali obraz powiększony ponad dziesięciokrotnie, co potwierdziło możliwość obrazowania w powiększeniu za pomocą mikroskopu elektronowego . . W 1932 roku, po ulepszeniu Ruski, zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego osiągnęła 50 nanometrów, co stanowiło około dziesięciokrotność zdolności rozdzielczej ówczesnego mikroskopu optycznego, więc mikroskop elektronowy zaczął przyciągać uwagę ludzi.
W latach czterdziestych XX wieku Hill w Stanach Zjednoczonych skompensował asymetrię obrotową soczewki elektronowej astygmatykiem, co spowodowało nowy przełom w zdolności rozdzielczej mikroskopu elektronowego i stopniowo osiągnęło współczesny poziom. W Chinach transmisyjny mikroskop elektronowy o rozdzielczości 3 nanometrów został pomyślnie opracowany w 1958 r., a wielkoskalowy mikroskop elektronowy o rozdzielczości 0,3 nanometra powstał w 1979 r.
Chociaż zdolność rozdzielcza mikroskopów elektronowych jest znacznie lepsza niż mikroskopów optycznych, obserwacja żywych organizmów jest trudna, ponieważ mikroskopy elektronowe muszą pracować w warunkach próżni, a napromieniowanie wiązkami elektronów spowoduje również uszkodzenie promieniowania próbek biologicznych. Inne kwestie, takie jak poprawa jasności działa elektronowego i jakość soczewki elektronowej, również wymagają dalszych badań.
Zdolność rozdzielcza jest ważnym wskaźnikiem mikroskopu elektronowego, który jest powiązany z kątem stożka padającego i długością fali wiązki elektronów przechodzącej przez próbkę. Długość fali światła widzialnego wynosi od około 300 do 700 nanometrów, podczas gdy długość fali wiązki elektronów jest związana z napięciem przyspieszającym. Kiedy napięcie przyspieszające wynosi 50-100 kV, długość fali wiązki elektronów wynosi około 0,0053-0,0037 nm. Ponieważ długość fali wiązki elektronów jest znacznie mniejsza niż długość fali światła widzialnego, nawet jeśli kąt stożka wiązki elektronów wynosi tylko 1 procent kąta padającego w mikroskopie optycznym, zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest wciąż znacznie większa niż mikroskopu optycznego.
Mikroskop elektronowy składa się z trzech części: tubusu obiektywu, układu próżniowego oraz szafy zasilającej. Tuba obiektywu obejmuje głównie działo elektronowe, soczewkę elektronową, uchwyt próbki, ekran fluorescencyjny i mechanizm kamery, które zwykle są montowane w cylindrze od góry do dołu; system próżniowy składa się z mechanicznej pompy próżniowej, pompy dyfuzyjnej i zaworu próżniowego itp. Rurociąg gazowy jest połączony z lufą obiektywu; szafa zasilająca składa się z generatora wysokiego napięcia, stabilizatora prądu wzbudzenia oraz różnych jednostek regulujących i sterujących.
Soczewka elektronowa jest ważną częścią korpusu mikroskopu elektronowego. Wykorzystuje przestrzenne pole elektryczne lub pole magnetyczne symetryczne do osi lufy, aby wygiąć trajektorię elektronu do osi, tworząc ognisko. Jego funkcja jest podobna do funkcji szklanej soczewki wypukłej do skupiania wiązki, dlatego nazywa się ją soczewką elektronową. . Większość nowoczesnych mikroskopów elektronowych wykorzystuje soczewki elektromagnetyczne, które skupiają elektrony za pomocą silnego pola magnetycznego generowanego przez bardzo stabilny prąd wzbudzenia DC przez cewkę z nabiegunnikiem.
Działo elektronowe jest elementem składającym się z gorącej katody z włókna wolframowego, siatki i katody. Może emitować i tworzyć wiązkę elektronów z jednakową prędkością, więc stabilność napięcia przyspieszającego jest nie mniejsza niż 1/10,{2}}.
Mikroskopy elektronowe można podzielić na transmisyjne mikroskopy elektronowe, skaningowe mikroskopy elektronowe, refleksyjne mikroskopy elektronowe i emisyjne mikroskopy elektronowe zgodnie z ich budową i zastosowaniem. Transmisyjne mikroskopy elektronowe są często używane do obserwacji tych drobnych struktur materiałowych, których nie można rozróżnić zwykłymi mikroskopami; Skaningowe mikroskopy elektronowe są używane głównie do obserwacji morfologii powierzchni ciał stałych, a także mogą być łączone z dyfraktometrami rentgenowskimi lub spektrometrami energii elektronów w celu tworzenia elektronów. Mikrosondy do analizy składu materiałów; Emisyjna mikroskopia elektronowa do badania samoemisyjnych powierzchni elektronowych.
Nazwa projekcyjnego mikroskopu elektronowego pochodzi od tego, jak wiązka elektronów penetruje próbkę, a następnie wykorzystuje soczewkę elektronową do obrazowania i powiększania. Jego droga optyczna jest podobna do drogi optycznej mikroskopu. W tym mikroskopie elektronowym kontrast szczegółów obrazu jest tworzony przez rozpraszanie wiązki elektronów przez atomy próbki. W przypadku cieńszych lub mniej gęstych części próbki wiązka elektronów rozprasza się mniej, więc więcej elektronów przechodzi przez aperturę obiektywu, bierze udział w obrazowaniu i wydaje się jaśniejsze na obrazie. I odwrotnie, grubsze lub gęstsze części próbki wydają się ciemniejsze na obrazie. Jeśli próbka jest zbyt gruba lub zbyt gęsta, kontrast obrazu ulegnie pogorszeniu, a nawet zostanie uszkodzony lub zniszczony przez pochłonięcie energii wiązki elektronów.
Górna część tuby transmisyjnego mikroskopu elektronowego to działo elektronowe, elektrony są emitowane przez gorącą katodę z żarnika wolframowego, przechodzą przez laser, a drugie dwie soczewki kondensatora skupiają wiązkę elektronów. Po przejściu przez próbkę wiązka elektronów jest obrazowana na zwierciadle pośrednim przez soczewkę obiektywu, a następnie stopniowo powiększana przez zwierciadło pośrednie i zwierciadło projekcyjne, a następnie obrazowana na ekranie fluorescencyjnym lub suchej płytce fotograficznej.
Lustro pośrednie reguluje głównie prąd wzbudzenia, a powiększenie można zmieniać w sposób ciągły od dziesiątek do setek tysięcy razy; zmieniając ogniskową zwierciadła pośredniego, można uzyskać obrazy z mikroskopu elektronowego i dyfrakcji elektronów na małych częściach tej samej próbki. . Aby badać grubsze próbki skrawków metalu, francuskie Laboratorium Optyki Elektronowej Dulos opracowało mikroskop elektronowy ultrawysokiego napięcia o napięciu przyspieszającym 3500 kV. Schemat struktury skaningowego mikroskopu elektronowego
Wiązka elektronów ze skaningowego mikroskopu elektronowego nie przechodzi przez próbkę, a jedynie skanuje powierzchnię próbki w celu wzbudzenia elektronów wtórnych. Kryształ scyntylacyjny umieszczony obok próbki odbiera te wtórne elektrony i po wzmocnieniu moduluje intensywność wiązki elektronów kineskopu, zmieniając w ten sposób jasność na ekranie kineskopu. Jarzmo odchylające kineskopu skanuje synchronicznie z wiązką elektronów na powierzchni próbki, dzięki czemu ekran fluorescencyjny kineskopu wyświetla topograficzny obraz powierzchni próbki, co jest podobne do zasady działania telewizji przemysłowej.
Rozdzielczość skaningowego mikroskopu elektronowego zależy głównie od średnicy wiązki elektronów na powierzchni próbki. Powiększenie to stosunek amplitudy skanowania kineskopu do amplitudy skanowania próbki, który można zmieniać w sposób ciągły od dziesiątek do setek tysięcy razy. Skaningowy mikroskop elektronowy nie wymaga bardzo cienkich próbek; obraz ma silny efekt trójwymiarowości; może analizować skład materii, wykorzystując informacje, takie jak elektrony wtórne, elektrony pochłonięte i promieniowanie rentgenowskie generowane przez oddziaływanie wiązek elektronów z materią.
Działo elektronowe i kondensor skaningowego mikroskopu elektronowego są mniej więcej takie same, jak w transmisyjnym mikroskopie elektronowym, ale aby wiązka elektronów była cieńsza, pod kondensorem dodano soczewkę obiektywu i astygmatystę oraz dwa zestawy elektronów skanujących prostopadłe do siebie są zainstalowane wewnątrz soczewki obiektywu. cewka. W komorze próbki pod soczewką obiektywu znajduje się stolik próbny, który można przesuwać, obracać i przechylać.
