Porównanie zalet mikroskopii elektronowej i świetlnej
Zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest reprezentowana przez niewielką odległość między dwoma sąsiednimi punktami, którą może on rozróżnić. W latach siedemdziesiątych XX wieku transmisyjne mikroskopy elektronowe miały rozdzielczość około 0,3 nanometra (zdolność rozdzielcza ludzkiego oka wynosi około 0,1 milimetra). Teraz maksymalne powiększenie mikroskopu elektronowego przekracza 3 miliony razy, podczas gdy maksymalne powiększenie mikroskopu optycznego wynosi około 2000 razy, więc atomy niektórych metali ciężkich i starannie ułożone sieci atomowe w krysztale można bezpośrednio obserwować przez mikroskop elektronowy .
W 1931 roku Knorr-Bremse i Ruska z Niemiec ponownie zamontowali oscyloskop wysokonapięciowy ze źródłem elektronów z wyładowczą 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 udoskonaleniu Ruski, zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego osiągnęła 50 nanometrów, około dziesięciokrotnie przewyższając zdolność rozdzielczą ówczesnego mikroskopu optycznego, więc mikroskop elektronowy zaczął przyciągać uwagę ludzi.
W latach czterdziestych XX wieku Hill w Stanach Zjednoczonych użył astygmatyzatora do kompensacji asymetrii obrotowej soczewki elektronowej, co stanowiło nowy przełom w zdolności rozdzielczej mikroskopu elektronowego i stopniowo osiągnęło współczesny poziom. W Chinach w 1958 roku pomyślnie opracowano transmisyjny mikroskop elektronowy o rozdzielczości 3 nanometrów, aw 1979 roku wyprodukowano duży mikroskop elektronowy o rozdzielczości 0,3 nanometra.
Chociaż zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest znacznie lepsza niż mikroskopu optycznego, obserwacja żywych organizmów jest trudna, ponieważ mikroskop elektronowy musi pracować w warunkach próżni, a napromieniowanie wiązką elektronów spowoduje również, że próbki biologiczne ulec uszkodzeniu przez promieniowanie. Inne kwestie, takie jak poprawa jasności działa elektronowego i jakość soczewki elektronowej, również wymagają dalszych badań.
Zdolność rozdzielcza jest ważnym wskaźnikiem mikroskopii elektronowej, który jest powiązany z kątem padania stożka i długością fali wiązki elektronów przechodzącej przez próbkę. Długość fali światła widzialnego wynosi około {{0}} nanometrów, podczas gdy długość fali wiązek elektronów jest związana z napięciem przyspieszającym. Kiedy napięcie przyspieszające wynosi 50-100 kV, długość fali wiązki elektronów wynosi około 0,0053-0,0037 nanometra. 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. Korpus obiektywu obejmuje głównie pistolety elektronowe, soczewki elektronowe, uchwyty na próbki, ekrany fluorescencyjne i mechanizmy aparatu. Te komponenty są zwykle montowane w kolumnie od góry do dołu; system próżniowy składa się z mechanicznych pomp próżniowych, pomp dyfuzyjnych i zaworów próżniowych. Gazociąg jest połączony z tubusem obiektywu; szafa zasilająca składa się z generatora wysokiego napięcia, stabilizatora prądu wzbudzenia i różnych jednostek sterujących regulacją.
Soczewka elektronowa jest ważną częścią korpusu soczewki mikroskopu elektronowego. Wykorzystuje kosmiczne pole elektryczne lub pole magnetyczne symetryczne do osi tubusu obiektywu, aby wygiąć ścieżkę elektronów do osi, tworząc ognisko. Jego funkcja jest podobna do funkcji szklanej soczewki wypukłej do skupiania wiązki, dlatego nazywana jest soczewką elektroniczną. . Większość nowoczesnych mikroskopów elektronowych wykorzystuje soczewki elektromagnetyczne, które skupiają elektrony poprzez silne pole magnetyczne generowane przez bardzo stabilny prąd wzbudzenia DC przepływający przez cewkę z nabiegunnikami.
Działo elektronowe jest elementem składającym się z gorącej katody z włókna wolframowego, siatki i katody. Może emitować i tworzyć wiązkę elektronów z jednakową prędkością, dlatego stabilność napięcia przyspieszającego musi wynosić co najmniej jedną dziesięciotysięczną.
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 drobnych struktur materiałowych, których nie można rozdzielić za pomocą zwykłych mikroskopów; skaningowe mikroskopy elektronowe są używane głównie do obserwacji morfologii powierzchni ciał stałych, a także mogą być łączone z dyfraktometrami rentgenowskimi lub spektrometrami energii elektronów, tworząc elektroniczne mikrosondy do analizy składu materiałów; emisyjna mikroskopia elektronowa do badania samoemisyjnych powierzchni elektronowych.
Nazwa transmisyjnego mikroskopu elektronowego pochodzi od tego, jak wiązka elektronów penetruje próbkę, a następnie powiększa obraz za pomocą soczewki elektronowej. Jego droga optyczna jest podobna do drogi optycznej mikroskopu. W tego typu mikroskopach elektronowych kontrast w szczegółach obrazu jest tworzony przez rozpraszanie wiązki elektronów przez atomy próbki. Cieńsza lub o mniejszej gęstości część próbki ma mniejsze rozpraszanie wiązki elektronów, więc więcej elektronów przechodzi przez przysłonę obiektywu i bierze udział w obrazowaniu oraz 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.
the
Górna część kolumny transmisyjnego mikroskopu elektronowego to działo elektronowe, elektrony są emitowane przez gorącą katodę wolframową, przechodzą przez pierwszą, a drugie dwa lustra skraplacza 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 na płytce fotokoherentnej.
Powiększenie zwierciadła pośredniego można zmieniać w sposób ciągły od dziesiątek do setek tysięcy razy, głównie poprzez regulację prądu wzbudzenia; zmieniając ogniskową zwierciadła pośredniego, można uzyskać obrazy mikroskopii elektronowej i obrazy 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. Schematyczny diagram struktury skaningowego mikroskopu elektronowego
Wiązka elektronów ze skaningowego mikroskopu elektronowego nie przechodzi przez próbkę, a jedynie skanuje i wzbudza elektrony wtórne na powierzchni próbki. Kryształ scyntylacyjny umieszczony obok próbki odbiera te wtórne elektrony, wzmacnia i moduluje intensywność wiązki elektronów kineskopu, zmieniając w ten sposób jasność ekranu kineskopu. Cewka odchylająca kineskopu utrzymuje synchroniczne skanowanie z wiązką elektronów na powierzchni próbki, dzięki czemu ekran fluorescencyjny kineskopu wyświetla topograficzny obraz powierzchni próbki, co jest podobne do zasady działania telewizora przemysłowego .
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. Skaningowa mikroskopia elektronowa nie wymaga bardzo cienkich próbek; obraz ma silny efekt trójwymiarowości; może wykorzystywać informacje, takie jak elektrony wtórne, elektrony pochłonięte i promieniowanie rentgenowskie generowane przez interakcję między wiązkami elektronów i substancjami, do analizy składu substancji.
Działo elektronowe i soczewka kondensorowa skaningowego mikroskopu elektronowego są mniej więcej takie same jak te w transmisyjnym mikroskopie elektronowym, ale aby wiązka elektronów była cieńsza, pod soczewką kondensującą dodano soczewkę obiektywową i astygmatyzator oraz dwa zestawy wzajemnie prostopadłe wiązki skanujące są zainstalowane wewnątrz soczewki obiektywu. cewka. Komora próbki pod soczewką obiektywu jest wyposażona w stolik próbki, który może się poruszać, obracać i przechylać.
