Fordeler med elektronmikroskop vs. lysmikroskop
Et elektronmikroskop er et instrument som bruker elektronstråler og elektronlinser i stedet for lysstråler og optiske linser for å avbilde de fine strukturene til stoffer ved svært høye forstørrelser basert på elektronoptikkprinsippet.
Oppløsningskraften til et elektronmikroskop er representert av den lille avstanden mellom to tilstøtende punkter som det kan løse. På 1970-tallet hadde transmisjonselektronmikroskoper en oppløsning på omtrent 0,3 nanometer (oppløsningsevnen til det menneskelige øyet er omtrent 0,1 millimeter). Nå overstiger den maksimale forstørrelsen av elektronmikroskopet 3 millioner ganger, mens den maksimale forstørrelsen av det optiske mikroskopet er omtrent 2000 ganger, så atomene til noen tungmetaller og de pent arrangerte atomgitteret i krystallen kan observeres direkte gjennom elektronmikroskopet .
I 1931 monterte Knorr-Bremse og Ruska fra Tyskland et høyspentoscilloskop med en kaldkatodeutladningselektronkilde og tre elektronlinser, og oppnådde et bilde forstørret mer enn ti ganger, noe som bekreftet muligheten for elektronmikroskopforstørret avbildning. I 1932, etter Ruskas forbedring, nådde elektronmikroskopets oppløsningsevne 50 nanometer, omtrent ti ganger oppløsningskraften til det optiske mikroskopet på den tiden, så elektronmikroskopet begynte å få folks oppmerksomhet.
På 1940-tallet brukte Hill i USA en astigmatisator for å kompensere rotasjonsasymmetrien til elektronlinsen, noe som gjorde et nytt gjennombrudd i elektronmikroskopets oppløsningsevne og gradvis nådde det moderne nivået. I Kina ble et transmisjonselektronmikroskop med suksess utviklet i 1958 med en oppløsning på 3 nanometer, og i 1979 ble det produsert et stort elektronmikroskop med en oppløsning på 0,3 nanometer.
Selv om oppløsningsevnen til elektronmikroskopet er langt overlegen den til det optiske mikroskopet, er det vanskelig å observere levende organismer fordi elektronmikroskopet må fungere under vakuumforhold, og bestrålingen av elektronstråler vil også forårsake strålingsskader på biologiske prøver . Andre problemer, som forbedring av lysstyrken til elektronkanonen og kvaliteten på elektronlinsen, må også studeres videre.
Oppløsningskraft er en viktig indeks for elektronmikroskop, som er relatert til den innfallende kjeglevinkelen og bølgelengden til elektronstrålen som passerer gjennom prøven. Bølgelengden til synlig lys er omtrent {{0}} nanometer, mens bølgelengden til elektronstråler er relatert til akselerasjonsspenningen. Når akselerasjonsspenningen er 50-100 kV, er elektronstrålens bølgelengde omtrent 0.0053-0.0037 nanometer. Siden bølgelengden til elektronstrålen er mye mindre enn bølgelengden til synlig lys, selv om kjeglevinkelen til elektronstrålen bare er 1 prosent av den til det optiske mikroskopet, er oppløsningskraften til elektronmikroskopet fortsatt langt overlegen den. av det optiske mikroskopet.
Elektronmikroskopet består av tre deler: linsehylse, vakuumsystem og strømforsyningsskap. Linserøret inkluderer hovedsakelig elektronkanoner, elektronlinser, prøveholdere, fluorescerende skjermer og kameramekanismer. Disse komponentene er vanligvis satt sammen til en kolonne fra topp til bunn; Vakuumsystemet består av mekaniske vakuumpumper, diffusjonspumper og vakuumventiler. Gassrørledningen er forbundet med linsehylsen; strømskapet består av en høyspenningsgenerator, en magnetiseringsstrømstabilisator og ulike justeringskontrollenheter.
Elektronlinsen er en viktig del av elektronmikroskopets linsehylse. Den bruker et romelektrisk felt eller magnetfelt symmetrisk til aksen til linsehylsen for å bøye elektronsporet til aksen for å danne et fokus. Dens funksjon ligner på en konveks glasslinse for å fokusere strålen, så den kalles en elektronisk linse. . De fleste moderne elektronmikroskoper bruker elektromagnetiske linser, som fokuserer elektroner gjennom et sterkt magnetfelt generert av en meget stabil likestrømseksitasjonsstrøm som går gjennom en spole med polsko.
Elektronpistolen er sammensatt av wolfram varm katode, gitter og katode. Den kan sende ut og danne en elektronstråle med ensartet hastighet, så stabiliteten til akselerasjonsspenningen må ikke være mindre enn en ti tusendel.
Elektronmikroskoper kan deles inn i transmisjonselektronmikroskop, skanningelektronmikroskop, refleksjonselektronmikroskop og emisjonselektronmikroskop i henhold til deres strukturer og bruksområder. Transmisjonselektronmikroskoper brukes ofte for å observere de fine materialstrukturene som ikke kan løses med vanlige mikroskoper; skanningselektronmikroskoper brukes hovedsakelig for å observere morfologien til faste overflater, og kan også kombineres med røntgendiffraktometre eller elektronenergispektrometre for å danne elektroniske mikroprober for materialsammensetningsanalyse; emisjonselektronmikroskopi for studiet av selvemitterende elektronoverflater.
Projeksjonselektronmikroskopet er oppkalt etter at elektronstrålen trenger inn i prøven og deretter forstørrer bildet med elektronlinsen. Dens optiske vei er lik den til et optisk mikroskop. I denne typen elektronmikroskop skapes kontrasten i bildedetaljer ved spredning av elektronstrålen av atomene i prøven. Den tynnere eller lavere tetthetsdelen av prøven har mindre elektronstrålespredning, slik at flere elektroner passerer gjennom den objektive diafragmaen og deltar i avbildning, og fremstår lysere i bildet. Omvendt ser tykkere eller tettere deler av prøven mørkere ut i bildet. Hvis prøven er for tykk eller for tett, vil kontrasten i bildet forringes, eller til og med bli skadet eller ødelagt ved å absorbere energien til elektronstrålen.
Toppen av transmisjonselektronmikroskoplinseløpet er elektronkanonen. Elektronene sendes ut av den varme wolframkatoden og passerer gjennom *, og de to andre kondensatorene fokuserer elektronstrålen. Etter å ha passert gjennom prøven, blir elektronstrålen avbildet på det mellomliggende speilet av objektivlinsen, og deretter forstørret trinnvis gjennom det mellomliggende speilet og projeksjonsspeilet, og deretter avbildet på den fluorescerende skjermen eller den fotokoherente platen.
Forstørrelsen av det mellomliggende speilet kan kontinuerlig endres fra titalls ganger til hundretusenvis av ganger, hovedsakelig gjennom justering av eksitasjonsstrømmen; ved å endre brennvidden til det mellomliggende speilet, kan elektronmikroskopiske bilder og elektrondiffraksjonsbilder oppnås på de små delene av samme prøve. For å studere tykkere metallskiveprøver utviklet det franske Dulos Electron Optics Laboratory et ultrahøyspent elektronmikroskop med en akselererende spenning på 3500 kV. Skjematisk diagram av skanningselektronmikroskopstruktur
Elektronstrålen til skanningselektronmikroskopet passerer ikke gjennom prøven, men skanner og eksiterer bare sekundære elektroner på overflaten av prøven. Scintillasjonskrystallen plassert ved siden av prøven mottar disse sekundære elektronene, forsterker og modulerer elektronstråleintensiteten til bilderøret, og endrer derved lysstyrken på skjermen til bilderøret. Avbøyningsspolen til bilderøret holder synkron skanning med elektronstrålen på overflaten av prøven, slik at den fluorescerende skjermen til bilderøret viser det topografiske bildet av prøveoverflaten, som ligner arbeidsprinsippet til en industriell TV .
Oppløsningen til et skanningselektronmikroskop bestemmes hovedsakelig av diameteren til elektronstrålen på prøveoverflaten. Forstørrelsen er forholdet mellom skanningsamplituden på bilderøret og skanningsamplituden på prøven, som kontinuerlig kan endres fra titalls ganger til hundretusenvis av ganger. Skanneelektronmikroskopet krever ikke en veldig tynn prøve; bildet har en sterk tredimensjonal effekt; den kan bruke informasjon som sekundære elektroner, absorberte elektroner og røntgenstråler generert av interaksjonen mellom elektronstrålen og stoffet for å analysere sammensetningen av stoffet.
Elektronkanonen og kondensatorlinsen til et skanningselektronmikroskop er omtrent de samme som i et transmisjonselektronmikroskop, men for å gjøre elektronstrålen tynnere legges en objektivlinse og en astigmatisator under kondensatorlinsen, og to sett med gjensidig vinkelrette skannestråler er installert inne i objektivlinsen. Spole. Prøvekammeret under objektivlinsen er utstyrt med et prøvetrinn som kan bevege seg, rotere og vippe.
