Переваги електронної мікроскопії порівняно зі світловою мікроскопією
Подібності та відмінності принципу отримання зображень електронного мікроскопа оптичного мікроскопа
Електронний мікроскоп — це прилад, який замінює світловий промінь і оптичну лінзу на електронний промінь і електронну лінзу відповідно до принципу електронної оптики, завдяки чому тонка структура речовини може бути зображена під дуже великим збільшенням.
Роздільна здатність електронного мікроскопа виражається малою відстанню між двома сусідніми точками, яку він може розділити. У 1970-му році трансмісійні електронні мікроскопи мали роздільну здатність близько 0.3 нанометрів (людське око має роздільну здатність приблизно 0,1 міліметра). Тепер максимальне збільшення електронного мікроскопа становить понад 3 мільйони разів, а максимальне збільшення оптичного мікроскопа становить приблизно 2000 разів, тому атоми деяких важких металів і акуратно організовану атомну решітку в кристалах можна безпосередньо спостерігати за допомогою електронного мікроскопа.
У 1931 році Кнорр-Бремзе і Руска в Німеччині модифікували високовольтний осцилограф з джерелом електронів з холодним катодом і трьома електронними лінзами і отримали збільшене більш ніж у десять разів зображення, що підтвердило можливість збільшення зображення за допомогою електронного мікроскопа. . . У 1932 році, після удосконалення Руски, роздільна здатність електронного мікроскопа досягла 50 нанометрів, що приблизно в десять разів перевищувало роздільну здатність оптичного мікроскопа того часу, тому електронний мікроскоп почав привертати увагу людей.
У 1940} роках Хілл у США компенсував асиметрію обертання електронної лінзи за допомогою астигматика, що зробило новий прорив у роздільній здатності електронного мікроскопа й поступово досягло сучасного рівня. У Китаї в 1958 році був успішно розроблений трансмісійний електронний мікроскоп з роздільною здатністю 3 нанометра, а в 1979 році був виготовлений великомасштабний електронний мікроскоп з роздільною здатністю 0,3 нанометра.
Хоча роздільна здатність електронних мікроскопів набагато краща, ніж у оптичних мікроскопів, спостерігати за живими організмами важко, оскільки електронні мікроскопи повинні працювати в умовах вакууму, а опромінення електронними променями також спричинить радіаційне пошкодження біологічних зразків. Інші питання, такі як покращення яскравості електронної гармати та якості електронної лінзи, також потребують подальшого вивчення.
Роздільна здатність є важливим показником електронного мікроскопа, який пов'язаний з кутом падіння конуса та довжиною хвилі електронного променя, що проходить через зразок. Довжина хвилі видимого світла становить приблизно від 300 до 700 нанометрів, тоді як довжина хвилі електронного променя пов’язана з прискорювальною напругою. Коли прискорювальна напруга становить 50-100 кВ, довжина хвилі пучка електронів становить близько 0.0053-0.0037 нм. Оскільки довжина хвилі електронного пучка набагато менша за довжину хвилі видимого світла, навіть якщо кут конуса електронного променя становить лише 1 відсоток від кута оптичного мікроскопа, роздільна здатність електронного мікроскопа все одно значно перевищує оптичного мікроскопа.
Електронний мікроскоп складається з трьох частин: тубуса, вакуумної системи та блоку живлення. Стовбур об'єктива в основному включає електронну гармату, електронну лінзу, тримач зразка, флуоресцентний екран і механізм камери, які зазвичай збираються в циліндр зверху вниз; вакуумна система складається з механічного вакуумного насоса, дифузійного насоса та вакуумного клапана тощо. шафа живлення складається з генератора високої напруги, стабілізатора струму збудження і різних блоків регулювання і керування.
Електронна лінза є важливою частиною оправи електронного мікроскопа. Він використовує просторове електричне або магнітне поле, симетричне осі стовбура, щоб згинати траєкторію електрона до осі для формування фокусу. Її функція подібна до функції скляної опуклої лінзи для фокусування променя, тому її називають електронною лінзою. . Більшість сучасних електронних мікроскопів використовують електромагнітні лінзи, які фокусують електрони за допомогою сильного магнітного поля, створюваного дуже стабільним постійним струмом збудження через котушку з полюсним башмаком.
Електронна гармата — це компонент, що складається з гарячого катода з вольфрамової нитки, сітки та катода. Він може випромінювати та формувати електронний пучок з рівномірною швидкістю, тому стабільність прискорювальної напруги становить не менше 1/10,000.
Електронні мікроскопи можна розділити на просвічуючі електронні мікроскопи, скануючі електронні мікроскопи, відбивні електронні мікроскопи та емісійні електронні мікроскопи відповідно до їх будови та використання. Трансмісійні електронні мікроскопи часто використовуються для спостереження тих тонких структур матеріалу, які неможливо розрізнити звичайними мікроскопами; скануючі електронні мікроскопи в основному використовуються для спостереження за морфологією твердих поверхонь, а також можуть поєднуватися з рентгенівськими дифрактометрами або спектрометрами електронної енергії для формування електронів. Мікрозонди для аналізу складу матеріалу; Емісійна електронна мікроскопія для дослідження поверхонь самовипромінюючих електронів.
Проекційний електронний мікроскоп отримав свою назву після того, як електронний промінь проникає в зразок, а потім використовує електронну лінзу для зображення та збільшення. Його оптичний шлях подібний до оптичного мікроскопа. У цьому електронному мікроскопі контрастність деталей зображення створюється за рахунок розсіювання електронного променя на атомах зразка. У тонких або менш щільних частинах зразка електронний промінь розсіюється менше, тому більше електронів проходить через отвір об’єктива, бере участь у зображенні та виглядає яскравішим на зображенні. І навпаки, більш товсті або щільні частини зразка виглядають темнішими на зображенні. Якщо зразок занадто товстий або занадто щільний, контрастність зображення погіршиться або навіть буде пошкоджено чи знищено через поглинання енергії електронного променя.
Верхня частина труби трансмісійного електронного мікроскопа є електронною гарматою, електрони випускаються гарячим катодом з вольфрамової нитки, проходять через лазер, а дві другі лінзи конденсора фокусують електронний промінь. Після проходження через зразок електронний промінь відображається на проміжному дзеркалі за допомогою лінзи об’єктива, а потім поступово збільшується через проміжне дзеркало та проекційне дзеркало, а потім відображається на флуоресцентному екрані або фотопластинці.
Проміжне дзеркало в основному регулює струм збудження, а збільшення можна безперервно змінювати від десятків разів до сотень тисяч разів; змінюючи фокусну відстань проміжного дзеркала, можна отримати зображення електронного мікроскопа та електронної дифракції на крихітних частинах одного зразка. . Для дослідження більш товстих металевих зразків французька лабораторія електронної оптики Dulos розробила електронний мікроскоп надвисокої напруги з прискорювальною напругою 3500 кВ. Структурна схема скануючого електронного мікроскопа
Електронний промінь скануючого електронного мікроскопа не проходить через зразок, а лише сканує поверхню зразка для збудження вторинних електронів. Сцинтиляційний кристал, розміщений поруч із зразком, приймає ці вторинні електрони та модулює інтенсивність електронного пучка кінескопа після підсилення, тим самим змінюючи яскравість на екрані кінескопа. Відхиляюче ярмо кінескопа продовжує сканувати синхронно з електронним променем на поверхні зразка, так що флуоресцентний екран кінескопа відображає топографічне зображення поверхні зразка, що подібно до принципу роботи промислового телебачення.
Роздільна здатність скануючого електронного мікроскопа в основному визначається діаметром електронного променя на поверхні зразка. Збільшення — це відношення амплітуди сканування на кінескопі до амплітуди сканування на зразку, яке можна безперервно змінювати від десятків до сотень тисяч разів. Для скануючого електронного мікроскопа не потрібні дуже тонкі зразки; зображення має сильний тривимірний ефект; він може аналізувати склад матерії, використовуючи таку інформацію, як вторинні електрони, поглинені електрони та рентгенівське випромінювання, створене взаємодією електронних променів з речовиною.
Електронна гармата та конденсор скануючого електронного мікроскопа приблизно такі ж, як і трансмісійного електронного мікроскопа, але для того, щоб зробити електронний промінь тоншим, під конденсором додано об’єктив і астигматик, а також два комплекти скануючих електронів. які розташовані перпендикулярно один одному, встановлені всередині лінзи об’єктива. котушка. У камері для зразків під лінзою об’єктива розміщено столик для зразків, який можна переміщувати, обертати та нахиляти.
