Skład mikroskopu elektronowego Historia rozwoju mikroskopu elektronowego
Elementy mikroskopu elektronowego
Źródło elektronów: Jest to katoda, która uwalnia wolne elektrony, a anoda w kształcie pierścienia przyspiesza elektrony. Różnica napięcia między katodą a anodą musi być bardzo duża, zwykle od kilku tysięcy do trzech milionów woltów.
Elektrony: używane do skupiania elektronów. Zwykle stosuje się soczewki magnetyczne, a czasami stosuje się również soczewki elektrostatyczne. Funkcja soczewki elektronowej jest taka sama jak soczewki optycznej w mikroskopie optycznym. Ostrość soczewki optycznej jest stała, ale ostrość soczewki elektronicznej można regulować, więc mikroskop elektronowy nie ma ruchomego systemu soczewek, takiego jak mikroskop optyczny.
Urządzenie próżniowe: Urządzenie próżniowe służy do zapewnienia stanu próżni wewnątrz mikroskopu, dzięki czemu elektrony nie będą absorbowane ani odchylane na swojej drodze.
Uchwyt na próbki: Próbki można stabilnie umieścić na uchwycie na próbki. Ponadto często istnieją urządzenia, które można wykorzystać do zmiany próbki (takie jak przesuwanie, obracanie, ogrzewanie, chłodzenie, wydłużanie itp.).
Detektor: Sygnał lub sygnał wtórny używany do zbierania elektronów. Projekcję próbki można uzyskać bezpośrednio za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego (Transmission Electron Microscopy TEM). Elektrony przechodzą przez próbkę w tym mikroskopie, więc próbka musi być bardzo cienka. Masa atomowa atomów tworzących próbkę, napięcie, przy którym elektrony są przyspieszane, oraz pożądana rozdzielczość określają grubość próbki. Grubość próbki może wahać się od kilku nanometrów do kilku mikrometrów. Im większa masa atomowa i niższe napięcie, tym cieńsza musi być próbka.
Zmieniając układ soczewek obiektywu, można bezpośrednio powiększyć obraz w ognisku obiektywu. Z tego można uzyskać obrazy dyfrakcji elektronów. Korzystając z tego obrazu, można przeanalizować strukturę krystaliczną próbki.
Zasada składu mikroskopu elektronowego
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 najważniejszą częścią tubusu 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 polegającej na skupianiu wiązki, dlatego nazywa się ją elektronem. obiektyw. 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 w celu utworzenia elektronów. Mikrosfery powstają w wyniku rozpraszania wiązki elektronów przez atomy próbki. Cieńsza lub o mniejszej gęstości część próbki ma mniejsze rozpraszanie wiązki elektronów, dzięki czemu 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.
Górna część tubusu obiektywu transmisyjnego mikroskopu elektronowego to działo elektronowe. Elektrony są emitowane przez gorącą katodę wolframową, a wiązki elektronów są ogniskowane przez pierwszy i drugi kondensator. 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 kilkudziesięciu 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.
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 wiązek elektronów i substancji, 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.
Zastosowania mikroskopów elektronowych
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, dzięki czemu 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.
