Optisk prinsipp og anvendelsesområde for elektronmikroskop
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 minimumsavstanden mellom to tilstøtende punkter som det kan løse. I 1970-årene var oppløsningen til transmisjonselektronmikroskopet omtrent 0,3 nanometer (oppløsningen til det menneskelige øyet er omtrent 0,1 mm). Nå overstiger den maksimale forstørrelsen av elektronmikroskopet 3 millioner ganger, og 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 oppløsningen til elektronmikroskopet 50 nanometer, som var omtrent ti ganger oppløsningen 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 en oppløsning på 3 nanometer med suksess utviklet i 1958, og et stort elektronmikroskop med en oppløsning på 0.3 nanometer ble produsert i 1979. Selv om elektronmikroskopets oppløsningsevne er langt bedre enn det optiske mikroskopet, er det vanskelig å observere levende organismer fordi elektronmikroskopet må fungere under vakuumforhold, og bestrålingen av elektronstrålen vil også føre til at de biologiske prøvene blir skadet av stråling. Andre spørsmål, som forbedring av lysstyrken til elektronkanonen og kvaliteten på elektronlinsen, skal fortsatt studeres. 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 300-700 nanometer, mens bølgelengden til elektronstrålen er relatert til akselerasjonsspenningen. Når akselerasjonsspenningen er 50-100 kV, er bølgelengden til elektronstrålen 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: linserør, vakuumsystem og strømskap. 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 er sammensatt av en høyspenningsgenerator, en magnetiseringsstrømstabilisator og ulike justeringskontrollenheter.
Elektronlinsen er den viktigste komponenten i elektronmikroskopet. Den bruker et romelektrisk felt eller magnetfelt som er symmetrisk med aksen til linsehylsen for å bøye elektronbanen til aksen for å danne et fokus, og dens funksjon er lik den til en konveks glasslinse for å fokusere strålen, så det er kalt en elektronisk linse. De fleste moderne elektronmikroskoper bruker elektromagnetiske linser, som fokuserer elektroner gjennom et sterkt magnetfelt generert av en veldig stabil likestrømseksitasjonsstrøm som går gjennom en spole med polstykker.
Elektronpistolen er sammensatt av wolfram varm katode, gitter og katode.
stykker. Den kan sende ut og danne elektronstråler med jevn hastighet, så stabiliteten til akselerasjonsspenningen må ikke være mindre enn en ti tusendel.
Elektronmikroskoper kan deles inn i transmisjonselektronmikroskoper i henhold til deres strukturer og bruksområder.
Mikroskoper, skanningselektronmikroskoper og emisjonselektronmikroskoper osv. 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.
Transmisjonselektronmikroskopet er oppkalt etter at elektronstrålen trenger inn i prøven og deretter forstørrer bildet med en elektronlinse. 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. Deler av prøven som er tynnere eller mindre tett blir mindre spredt av elektronstrålen, slik at flere elektroner passerer gjennom objektivmembranen for å delta i avbildningen 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 transmisjonselektronmikroskoplinsen er elektronkanonen, og elektronene sendes ut av den varme wolframkatoden, og elektronstrålen fokuseres av den første og andre kondensatorlinsen. Etter å ha passert gjennom prøven, blir elektronstrålen avbildet på det mellomliggende speilet av objektivlinsen, og deretter forstørret trinnvis av 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; å endre brennvidden til det mellomliggende speilet kan få et elektronmikroskopisk bilde på en liten del av samme prøve
og elektrondiffraksjonsbilder. For å kunne studere tykkere metallskiveprøver, har Electron Optics Laboratory i Dulos, Frankrike utviklet et ultrahøyspent elektronmikroskop med en akselererende spenning på 3500 kV.
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 den fluorescerende skjermen for bilderøret. Avbøyningsspolen til kineskopet fortsetter å skanne synkront med elektronstrålen på overflaten av prøven, slik at den fluorescerende skjermen til kineskopet viser det topografiske bildet av prøveoverflaten, som ligner på arbeidsprinsippet til en industriell TV.
Oppløsningen til et skanningselektronmikroskop bestemmes først og fremst 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. Skanneelektronmikroskopi krever ikke veldig tynne prøver; bildet har en sterk tredimensjonal effekt; den kan bruke informasjon som sekundære elektroner, absorberte elektroner og røntgenstråler generert av samspillet mellom elektronstråler og stoffer for å analysere sammensetningen av stoffer.
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 en prøveplate som kan flyttes, snus og vippes.
