Оптичний принцип і сфера застосування електронного мікроскопа
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 мінімальною відстанню між двома сусідніми точками, яку він може розділити. У 1970-х роках роздільна здатність просвічуючого електронного мікроскопа становила близько 0,3 нанометрів (роздільна здатність людського ока — близько 0,1 мм). Зараз максимальне збільшення електронного мікроскопа перевищує 3 мільйони разів, а максимальне збільшення оптичного мікроскопа становить близько 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 і Руска з Німеччини переоснастили високовольтний осцилограф джерелом електронів з холодним катодом і трьома електронними лінзами та отримали зображення, збільшене більш ніж у десять разів, що підтвердило можливість збільшеного зображення електронного мікроскопа. У 1932 році, після вдосконалення 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 Сполучених Штатах використовував астигматизатор для компенсації асиметрії обертання електронної лінзи, що зробило новий прорив у роздільній здатності електронного мікроскопа та поступово досягло сучасного рівня. У Китаї просвічуючий електронний мікроскоп із роздільною здатністю 3 нанометри був успішно розроблений у 1958 році, а великий електронний мікроскоп із роздільною здатністю 0.3 нанометрів був виготовлений у 1979 році. Хоча роздільна здатність електронного мікроскопа становить набагато краще, ніж в оптичного мікроскопа, важко спостерігати за живими організмами, оскільки електронний мікроскоп повинен працювати в умовах вакууму, а опромінення електронним пучком також призведе до пошкодження біологічних зразків радіацією. Інші питання, такі як покращення яскравості електронної гармати та якості електронної лінзи, ще мають бути вивчені. Роздільна здатність є важливим показником електронного мікроскопа, який пов'язаний з кутом падіння конуса та довжиною хвилі електронного пучка, що проходить через зразок. Довжина хвилі видимого світла становить близько 300-700 нанометрів, тоді як довжина хвилі електронного променя пов’язана з прискорювальною напругою. Коли прискорювальна напруга становить 50-100 кВ, довжина хвилі електронного променя становить приблизно 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 найважливішим компонентом оправи електронного мікроскопа. Він використовує просторове електричне або магнітне поле, симетричне осі оправи лінзи, щоб згинати траєкторію електронів до осі для формування фокуса, і його функція подібна до функції скляної опуклої лінзи для фокусування променя, тому це називається електронною лінзою. У більшості сучасних електронних мікроскопів використовуються електромагнітні лінзи, які фокусують електрони через сильне магнітне поле, створене дуже стабільним постійним струмом збудження, що проходить через котушку з полюсними наконечниками.
Електронна гармата складається з вольфрамового гарячого катода, сітки та катода.
штук. Він може випускати і формувати електронні пучки з рівномірною швидкістю, тому стабільність прискорювальної напруги повинна бути не менше однієї десятитисячної.
Електронні мікроскопи можна розділити на трансмісійні електронні мікроскопи відповідно до їх будови та використання.
Мікроскопи, скануючі електронні мікроскопи та емісійні електронні мікроскопи тощо. Просвічуючі електронні мікроскопи часто використовуються для спостереження за тонкими структурами 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. Частини зразка, які є тоншими або менш щільними, менше розсіюються електронним променем, тому більше електронів проходить через діафрагму об’єктива, щоб взяти участь у зображенні та виглядати 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 корпусу лінзи трансмісійного електронного мікроскопа є електронною гарматою, і електрони випускаються вольфрамовим гарячим катодом, а електронний промінь фокусується першою та другою лінзами конденсора. Після проходження через зразок електронний промінь відображається на проміжному дзеркалі за допомогою лінзи об’єктива, потім поступово збільшується за допомогою проміжного дзеркала та проекційного дзеркала, 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, можна отримати електронно-мікроскопічне зображення на крихітній частині того самого зразка.
та зображення електронної дифракції. Щоб мати можливість досліджувати більш товсті металеві зразки, лабораторія електронної оптики в Дулосі, Франція, розробила електронний мікроскоп надвисокої напруги з прискорювальною напругою 3500 кВ.
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 флуоресцентного екрана кінескопа. Відхильна котушка кінескопа продовжує сканувати синхронно 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 першу чергу 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 столиком для зразків, який можна переміщувати, повертати та нахиляти.
