Переваги електронної мікроскопії порівняно з оптичною мікроскопією
Електронний мікроскоп Оптичний мікроскоп Принцип візуалізації Подібності та відмінності
Електронний мікроскоп — це прилад, який використовує електронні пучки та електронні лінзи замість світлових променів та оптичних лінз для зображення тонких структур речовин при дуже великих збільшеннях на основі принципу електронної оптики.
Роздільна здатність електронного мікроскопа представлена невеликою відстанню між двома сусідніми точками, яку він може розділити. У 1970-му році трансмісійні електронні мікроскопи мали роздільну здатність близько 0.3 нанометрів (роздільна здатність людського ока становить близько 0,1 міліметра). Тепер максимальне збільшення електронного мікроскопа перевищує 3 мільйони разів, тоді як максимальне збільшення оптичного мікроскопа становить приблизно 2000 разів, тому атоми деяких важких металів і акуратно розташовані атомні решітки в кристалі можна безпосередньо спостерігати через електронний мікроскоп. .
У 1931 році Норр-Бремзе та Руска з Німеччини переобладнали високовольтний осцилограф із джерелом електронів із холодним катодом і трьома електронними лінзами й отримали зображення, збільшене більш ніж у десять разів, що підтвердило можливість збільшеного зображення 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 використав астигматизатор для компенсації асиметрії обертання електронної лінзи, що здійснило новий прорив у роздільній здатності електронного мікроскопа та 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 великий електронний мікроскоп з роздільною здатністю 0,3 нанометра.
Незважаючи на те, що роздільна здатність електронного мікроскопа набагато краща, ніж у оптичного мікроскопа, спостерігати за живими організмами важко, оскільки електронний мікроскоп повинен працювати в умовах вакууму, а опромінення електронним пучком також призведе до руйнування біологічних зразків. бути пошкоджені радіацією. Інші питання, такі як покращення яскравості електронної гармати та якості електронної лінзи, також потребують подальшого вивчення.
Роздільна здатність є важливим показником електронної мікроскопії, який пов’язаний з кутом падіння конуса та довжиною хвилі електронного променя, що проходить через зразок. Довжина хвилі видимого світла становить близько {{0}} нанометрів, тоді як довжина хвилі пучка електронів пов’язана з прискорювальною напругою. Коли прискорювальна напруга становить 50-100 кВ, довжина хвилі електронного променя становить близько 0.0053-0.0037 нанометрів. Оскільки довжина хвилі електронного пучка набагато менша за довжину хвилі видимого світла, навіть якщо кут конуса електронного пучка становить лише 1 відсоток від кута оптичного мікроскопа, роздільна здатність електронного мікроскопа все одно набагато вища, ніж оптичного мікроскопа.
Електронний мікроскоп складається з трьох частин: оправа об'єктива, вакуумна система і блок живлення. Стовбур об’єктива в основному включає електронні гармати, електронні лінзи, тримачі зразків, флуоресцентні екрани та механізми камери. Ці компоненти зазвичай збираються в колону зверху вниз; вакуумна система складається з механічних вакуумних насосів, дифузійних насосів і вакуумних клапанів. Газопровід з'єднаний з оправою об'єктива; Силова шафа складається з генератора високої напруги, стабілізатора струму збудження та різних блоків регулювання регулювання.
Електронна лінза є важливою частиною оправи об’єктива електронного мікроскопа. Він використовує просторове електричне або магнітне поле, симетричне осі оправи лінзи, щоб згинати електронну доріжку до осі та формувати фокус. 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 через сильне магнітне поле, створене дуже стабільним постійним струмом збудження, що проходить через котушку з полюсними башмаками.
Електронна гармата - це компонент, що складається з гарячого катода з вольфрамової нитки, сітки та катода. Він може випускати і формувати електронний пучок з рівномірною швидкістю, тому стабільність прискорювальної напруги повинна бути не менше однієї десятитисячної.
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 тонких структур матеріалу, які не можуть бути розпізнані 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 електронних мікрозондів для аналізу складу матеріалу; емісійна електронна мікроскопія для дослідження поверхонь самовипромінюючих електронів.
Трансмісійний електронний мікроскоп названий на честь того, що електронний промінь проникає в зразок, а потім збільшує зображення за допомогою електронної лінзи. Його оптичний шлях подібний до оптичного мікроскопа. У цьому типі електронного мікроскопа контраст у деталізації зображення створюється розсіюванням електронного пучка на атомах зразка. Тонша частина зразка або частина зразка з нижчою щільністю має менше розсіювання електронного променя, тому більше електронів проходить через діафрагму об’єктива та бере участь у формуванні зображення, і на зображенні виглядає яскравіше. 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 колони трансмісійного електронного мікроскопа є електронною гарматою, електрони, що випускаються вольфрамовим гарячим катодом, проходять через перше, а через два конденсаторних дзеркала другого фокусують електронний промінь. Після проходження через зразок електронний промінь відображається на проміжному дзеркалі лінзою об’єктива, потім поступово збільшується через проміжне дзеркало та проекційне дзеркало, а потім відображається на флуоресцентному екрані або фотокогерентній пластині.
Збільшення проміжного дзеркала можна безперервно змінювати від десятків разів до сотень тисяч разів головним чином шляхом регулювання струму збудження; змінюючи фокусну відстань проміжного дзеркала, електронно-мікроскопічні зображення та зображення електронної дифракції можна отримати на крихітних частинах того самого зразка. Для дослідження більш товстих металевих зразків французька лабораторія електронної оптики Dulos розробила електронний мікроскоп надвисокої напруги з прискорювальною напругою 3500 кВ. Принципова схема будови скануючого електронного мікроскопа
Електронний промінь скануючого електронного мікроскопа не проходить через зразок, а лише сканує та збуджує вторинні електрони на поверхні зразка. Сцинтиляційний кристал, розміщений поруч із зразком, приймає ці вторинні електрони, підсилює та модулює інтенсивність електронного пучка кінескопа, тим самим змінюючи яскравість на екрані кінескопа. Котушка відхилення кінескопа підтримує синхронне сканування з електронним променем на поверхні зразка, так що флуоресцентний екран кінескопа відображає топографічне зображення поверхні зразка, що схоже на принцип роботи промислового телевізора. .
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. Скануюча електронна мікроскопія не вимагає дуже тонких зразків; зображення має сильний тривимірний ефект; він може використовувати таку інформацію, як вторинні електрони, поглинені електрони та рентгенівські промені, створені взаємодією між електронними променями та речовинами, для аналізу складу речовин.
Електронна гармата та конденсорна лінза скануючого електронного мікроскопа приблизно такі ж, як і просвічуючого електронного мікроскопа, але щоб зробити електронний промінь тоншим, об’єктив і астигматизатор додаються під збиральну лінзу, а також два комплекти всередині лінзи об'єктива встановлені взаємно перпендикулярні скануючі промені. котушка. Камера для зразків під лінзою об’єктива оснащена підставкою для зразків, яка може рухатися, обертатися та нахилятися.
