Zalety mikroskopów elektronowych w porównaniu z mikroskopami optycznymi
Mikroskop elektronowy to przyrząd, który wykorzystuje wiązkę elektronów i soczewkę elektronową zamiast wiązki światła i soczewki optycznej, zgodnie z zasadą optyki elektronowej, dzięki czemu drobna struktura materiału jest obrazowana przy bardzo dużym powiększeniu.
Rozdzielczość mikroskopu elektronowego wyraża się jako mała odległość między dwoma sąsiednimi punktami, jaką może on rozróżnić. W latach siedemdziesiątych0 XX wieku rozdzielczość transmisyjnego mikroskopu elektronowego wynosiła około 0,3 nanometra (rozdzielczość ludzkiego oka wynosi około 0,1 milimetra). Obecnie duże powiększenie mikroskopu elektronowego wynosi ponad 3 miliony razy, podczas gdy duże powiększenie mikroskopu optycznego wynosi około 2,000 razy, więc mikroskop elektronowy może bezpośrednio obserwować atomy i kryształy niektórych metali ciężkich w starannie ułożona atomowa matryca punktowa.
W 1931 roku niemieccy Knorr i Ruska, wykorzystując źródło elektronów z wyładowaniem zimnej katody i trzy soczewki elektronowe, zmodyfikowali oscyloskop wysokonapięciowy i uzyskali kilkunastokrotne powiększenie obrazu, potwierdzając możliwość powiększenia obrazu za pomocą mikroskopu elektronowego. W 1932 roku, po udoskonaleniu Ruski, rozdzielczość mikroskopu elektronowego osiągnęła 50 nanometrów, czyli około 10 razy więcej niż rozdzielczość ówczesnego mikroskopu optycznego, i tak mikroskop elektronowy zaczął przyciągać uwagę ludzi.
W latach czterdziestych0 XX wieku Hill w Stanach Zjednoczonych zastosował rozpraszacz w celu kompensacji asymetrii obrotowej soczewki elektronowej, dzięki czemu zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego osiągnęła nowy przełom i stopniowo osiągnęła nowoczesny poziom. W Chinach w 1958 r. pomyślnie opracowano transmisyjny mikroskop elektronowy, którego zdolność rozdzielcza wyniosła 3 nanometrów, a w 1979 r. uzyskano zdolność rozdzielczą wielkoskalowego mikroskopu elektronowego na poziomie 0,3 nanometra.
Choć rozdzielczość mikroskopu elektronowego jest znacznie lepsza od mikroskopu optycznego, to mikroskop elektronowy musi pracować w warunkach próżniowych, dlatego obserwacje organizmów żywych są trudne, a naświetlanie wiązką elektronów sprawi, że próbki biologiczne uszkodzenia napromieniowania. Inne problemy, takie jak jasność działa elektronowego i poprawa jakości soczewki elektronowej, również wymagają dalszych badań.
Zdolność rozdzielcza jest ważnym wskaźnikiem mikroskopu elektronowego, który jest powiązany z kątem padania stożka i długością fali wiązki elektronów przechodzącej przez próbkę. Długość fali światła widzialnego wynosi około {{0}} nm, a długość fali wiązki elektronów jest powiązana z napięciem przyspieszającym. Gdy napięcie przyspieszające wynosi od 50 do 100 kV, długość fali wiązki elektronów wynosi około 0,0053 do 0,0037 nm. Ponieważ długość fali wiązki elektronów jest znacznie mniejsza niż długość fali światła widzialnego, więc nawet jeśli kąt stożka wiązki elektronów wynosi tylko 1% mikroskopu optycznego, rozdzielczość mikroskopu elektronowego jest nadal znacznie lepsza niż mikroskopu optycznego .
Mikroskop elektronowy składa się z trzech części: tubusu lustrzanego, układu próżniowego i szafki zasilającej. Lufa zawiera głównie działo elektronowe, soczewkę elektronową, uchwyt na próbki, ekran fluorescencyjny i mechanizm kamery oraz inne elementy. Elementy te są zwykle montowane od góry do dołu w kolumnę; układ próżniowy składa się z mechanicznej pompy próżniowej, pompy dyfuzyjnej i zaworów próżniowych itp. oraz poprzez rurociąg pompujący podłączony do cylindra lustra; Szafa zasilająca składa się z generatora wysokiego napięcia, stabilizatora prądu wzbudzenia oraz szeregu regulacyjnych jednostek sterujących.
Soczewka elektronowa jest ważną częścią tubusu mikroskopu elektronowego, jest symetryczna do osi lufy kosmicznego pola elektrycznego lub pola magnetycznego, tak że elektron podąża do osi formowania ogniskowania, pełniąc rolę szkła wypukłego soczewka, aby rola skupienia wiązki światła była podobna do roli soczewki, dlatego nazywa się ją soczewką elektronową. Większość nowoczesnych mikroskopów elektronowych wykorzystuje soczewki elektromagnetyczne, dzięki bardzo stabilnemu prądowi wzbudzenia prądu stałego przepływającego przez cewkę ze stopką biegunową generowaną przez silne pole magnetyczne w celu skupienia elektronów.
Działo elektronowe to element składający się z gorącej katody wolframowej, bramki i katody. Emituje i tworzy wiązkę elektronów o jednakowej prędkości, dlatego wymagana jest stabilność napięcia przyspieszającego nie mniejsza niż jedna część na dziesięć tysięcy.
Mikroskopy elektronowe można podzielić na transmisyjne mikroskopy elektronowe, skaningowe mikroskopy elektronowe, refleksyjne mikroskopy elektronowe i emisyjne mikroskopy elektronowe ze względu na ich budowę i zastosowanie. Do obserwacji często używa się transmisyjnego mikroskopu elektronowego. W przypadku zwykłych mikroskopów nie można rozróżnić drobnej struktury materiału; skaningowy mikroskop elektronowy służy głównie do obserwacji morfologii powierzchni ciała stałego, ale także w połączeniu z dyfraktometrem rentgenowskim lub spektrometrem elektronowym, tworząc mikrosondę elektronową, służy do analizy składu materiału; emisyjny mikroskop elektronowy do badania powierzchni samoemisji elektronów.
