Výhody elektrónovej mikroskopie oproti svetelnej mikroskopii
Elektrónový mikroskop, optický mikroskop, princíp zobrazovania podobnosti a rozdiely
Elektrónový mikroskop je prístroj, ktorý na princípe elektrónovej optiky nahrádza svetelný lúč a optickú šošovku elektrónovým lúčom a elektrónovou šošovkou, takže jemnú štruktúru hmoty je možné zobraziť pri veľmi veľkom zväčšení.
Rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je vyjadrená malou vzdialenosťou medzi dvoma susednými bodmi, ktorú dokáže rozlíšiť. V 1970 rokoch mali transmisné elektrónové mikroskopy rozlíšenie asi 0,3 nanometrov (ľudské oko má rozlišovaciu schopnosť asi 0,1 milimetra). Teraz je maximálne zväčšenie elektrónového mikroskopu viac ako 3 milióny krát a maximálne zväčšenie optického mikroskopu je asi 2000 krát, takže atómy určitých ťažkých kovov a úhľadne usporiadanú atómovú mriežku v kryštáloch možno priamo pozorovať cez elektrónový mikroskop.
V roku 1931 Knorr-Bremse a Ruska v Nemecku upravili vysokonapäťový osciloskop s výbojovým zdrojom elektrónov so studenou katódou a tromi elektrónovými šošovkami a získali viac ako desaťkrát zväčšený obraz, ktorý potvrdil možnosť zväčšovania zobrazenia elektrónovým mikroskopom. . . V roku 1932, po Ruskovom vylepšení, dosahovala rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu 50 nanometrov, čo bol asi desaťnásobok rozlišovacej schopnosti vtedajšieho optického mikroskopu, takže elektrónový mikroskop začal pútať pozornosť ľudí.
V 1940 rokoch 20. storočia Hill v USA kompenzoval rotačnú asymetriu elektrónovej šošovky astigmatizmom, čo znamenalo nový prelom v rozlišovacej schopnosti elektrónového mikroskopu a postupne sa dostalo na modernú úroveň. V Číne bol v roku 1958 úspešne vyvinutý transmisný elektrónový mikroskop s rozlíšením 3 nanometre a v roku 1979 bol vyrobený veľkorozmerný elektrónový mikroskop s rozlíšením 0,3 nanometrov.
Hoci rozlišovacia schopnosť elektrónových mikroskopov je oveľa lepšia ako u optických mikroskopov, je ťažké pozorovať živé organizmy, pretože elektrónové mikroskopy musia pracovať vo vákuu a ožarovanie elektrónových lúčov tiež spôsobí radiačné poškodenie biologických vzoriek. Ďalšie otázky, ako je zlepšenie jasu elektrónového dela a kvalita elektrónovej šošovky, je tiež potrebné ďalej študovať.
Rozlišovacia schopnosť je dôležitým ukazovateľom elektrónového mikroskopu, ktorý súvisí s uhlom dopadajúceho kužeľa a vlnovou dĺžkou elektrónového lúča prechádzajúceho vzorkou. Vlnová dĺžka viditeľného svetla je približne 300 až 700 nanometrov, pričom vlnová dĺžka elektrónového lúča súvisí s urýchľujúcim napätím. Keď je urýchľovacie napätie 50-100 kV, vlnová dĺžka elektrónového lúča je približne 0.0053-0,0037 nm. Keďže vlnová dĺžka elektrónového lúča je oveľa menšia ako vlnová dĺžka viditeľného svetla, aj keď je uhol kužeľa elektrónového lúča len 1 percento uhla optického mikroskopu, rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je stále oveľa lepšia ako uhol kužeľa. optického mikroskopu.
Elektrónový mikroskop sa skladá z troch častí: tubusu šošovky, vákuového systému a napájacej skrine. Tubus objektívu obsahuje hlavne elektrónovú pištoľ, elektrónovú šošovku, držiak vzorky, fluorescenčnú clonu a mechanizmus fotoaparátu, ktoré sú zvyčajne zostavené do valca zhora nadol; vákuový systém sa skladá z mechanickej vákuovej pumpy, difúznej pumpy a vákuového ventilu atď. Plynové potrubie je spojené s tubusom šošovky; napájacia skriňa sa skladá z vysokonapäťového generátora, stabilizátora budiaceho prúdu a rôznych nastavovacích a riadiacich jednotiek.
Elektrónová šošovka je dôležitou súčasťou tubusu elektrónového mikroskopu. Využíva priestorové elektrické pole alebo magnetické pole symetrické k osi hlavne na ohýbanie trajektórie elektrónov k osi na vytvorenie ohniska. Jeho funkcia je podobná ako u sklenenej konvexnej šošovky na zaostrenie lúča, preto sa nazýva elektrónová šošovka. . Väčšina moderných elektrónových mikroskopov používa elektromagnetické šošovky, ktoré sústreďujú elektróny silným magnetickým poľom generovaným veľmi stabilným jednosmerným budiacim prúdom cez cievku s pólovou pätkou.
Elektrónové delo je komponent zložený z horúcej katódy s volfrámovým vláknom, mriežky a katódy. Môže emitovať a vytvárať elektrónový lúč s rovnomernou rýchlosťou, takže stabilita urýchľovacieho napätia nie je menšia ako 1/10,000.
Elektrónové mikroskopy možno podľa štruktúry a použitia rozdeliť na transmisné elektrónové mikroskopy, skenovacie elektrónové mikroskopy, reflexné elektrónové mikroskopy a emisné elektrónové mikroskopy. Transmisné elektrónové mikroskopy sa často používajú na pozorovanie tých štruktúr jemných materiálov, ktoré nemožno rozlíšiť bežnými mikroskopmi; rastrovacie elektrónové mikroskopy sa používajú najmä na pozorovanie morfológie pevných povrchov a môžu sa tiež kombinovať s röntgenovými difraktometrami alebo elektrónovými energetickými spektrometrami na vytváranie elektrónov. Mikrosondy na analýzu zloženia materiálu; Emisná elektrónová mikroskopia na štúdium povrchov samovyžarujúcich elektrónov.
Projekčný elektrónový mikroskop je pomenovaný podľa toho, že elektrónový lúč preniká vzorkou a potom používa elektrónovú šošovku na zobrazenie a zväčšenie. Jeho optická dráha je podobná dráhe optického mikroskopu. V tomto elektrónovom mikroskope je kontrast detailov obrazu vytvorený rozptylom elektrónového lúča atómami vzorky. V tenších alebo menej hustých častiach vzorky sa elektrónový lúč rozptyľuje menej, takže cez otvor objektívu prejde viac elektrónov, zúčastňujú sa na zobrazovaní a na obrázku sa javia svetlejšie. Naopak, hrubšie alebo hustejšie časti vzorky sa na obrázku javia tmavšie. Ak je vzorka príliš hrubá alebo príliš hustá, absorbovaním energie elektrónového lúča sa kontrast obrazu zhorší alebo dokonca poškodí alebo zničí.
Horná časť trubice transmisného elektrónového mikroskopu je elektrónové delo, elektróny sú emitované horúcou katódou s volfrámovým vláknom, prechádzajú cez laser a druhé dve kondenzátorové šošovky zaostrujú elektrónový lúč. Po prechode cez vzorku sa elektrónový lúč zobrazí na strednom zrkadle šošovkou objektívu a potom sa krok za krokom zväčší cez medziľahlé zrkadlo a projekčné zrkadlo a potom sa zobrazí na fluorescenčnej obrazovke alebo fotografickej suchej platni.
Stredné zrkadlo upravuje hlavne budiaci prúd a zväčšenie sa dá plynule meniť od desaťnásobku po státisíckrát; zmenou ohniskovej vzdialenosti stredného zrkadla možno získať obrazy elektrónového mikroskopu a obrazy elektrónovej difrakcie na malých častiach tej istej vzorky. . Na štúdium hrubších vzoriek kovových plátkov vyvinulo francúzske laboratórium Dulos Electron Optics Laboratory ultravysokonapäťový elektrónový mikroskop s urýchľovacím napätím 3500 kV. Schéma štruktúry rastrovacieho elektrónového mikroskopu
Elektrónový lúč rastrovacieho elektrónového mikroskopu neprechádza cez vzorku, ale iba skenuje povrch vzorky, aby excitoval sekundárne elektróny. Scintilačný kryštál umiestnený vedľa vzorky prijíma tieto sekundárne elektróny a moduluje intenzitu elektrónového lúča obrazovky po zosilnení, čím mení jas na obrazovke obrazovky. Vychyľovací strmeň obrazovky udržiava synchrónne skenovanie s elektrónovým lúčom na povrchu vzorky, takže fluorescenčná obrazovka obrazovky zobrazuje topografický obraz povrchu vzorky, ktorý je podobný princípu fungovania priemyselnej televízie.
Rozlíšenie rastrovacieho elektrónového mikroskopu je určené hlavne priemerom elektrónového lúča na povrchu vzorky. Zväčšenie je pomer amplitúdy skenovania na obrazovke k amplitúde skenovania na vzorke, ktorá sa môže plynule meniť od desaťnásobku po státisíckrát. Rastrovací elektrónový mikroskop nevyžaduje veľmi tenké vzorky; obraz má silný trojrozmerný efekt; môže analyzovať zloženie hmoty pomocou informácií, ako sú sekundárne elektróny, absorbované elektróny a röntgenové lúče generované interakciou elektrónových lúčov s hmotou.
Elektrónové delo a kondenzátor rastrovacieho elektrónového mikroskopu sú približne rovnaké ako u transmisného elektrónového mikroskopu, ale aby bol elektrónový lúč tenší, sú pod kondenzátor pridané šošovky objektívu a astigmatizmus a dve sady rastrovacích elektrónov ktoré sú na seba kolmé, sú inštalované vo vnútri šošovky objektívu. cievka. V komôrke na vzorky pod šošovkou objektívu je umiestnený stojan na vzorky, ktorý možno posúvať, otáčať a nakláňať.
