Ako elektrónový mikroskop zväčšuje predmety
Elektrónový mikroskop je prístroj, ktorý využíva elektrónové lúče a elektrónové šošovky namiesto svetelných lúčov a optických šošoviek na zobrazenie jemných štruktúr látok pri veľmi vysokých zväčšeniach na princípe elektrónovej optiky.
Rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je reprezentovaná minimálnou vzdialenosťou medzi dvoma susednými bodmi, ktorú dokáže rozlíšiť. V 1970 rokoch mali transmisné elektrónové mikroskopy rozlíšenie asi 0,3 nanometrov (rozlišovacia schopnosť ľudského oka je asi 0,1 milimetra). Teraz maximálne zväčšenie elektrónového mikroskopu presahuje 3 milióny krát, zatiaľ čo maximálne zväčšenie optického mikroskopu je asi 2000 krát, takže atómy niektorých ťažkých kovov a úhľadne usporiadané atómové mriežky v kryštáli možno priamo pozorovať cez elektrónový mikroskop. .
V roku 1931 Knorr-Bremse a Ruska z Nemecka vybavili vysokonapäťový osciloskop so zdrojom elektrónov so studenou katódou a tromi elektrónovými šošovkami a získali obraz zväčšený viac ako desaťkrát, čo potvrdilo možnosť zväčšeného zobrazovania elektrónovým mikroskopom. V roku 1932, po Ruskovom vylepšení, dosahovala rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu 50 nanometrov, teda asi desaťnásobok rozlišovacej schopnosti optického mikroskopu v tom čase, takže elektrónový mikroskop sa začal dostávať do povedomia ľudí.
V 1940 rokoch Hill v Spojených štátoch použil astigmatizér na kompenzáciu rotačnej asymetrie elektrónovej šošovky, 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 veľký elektrónový mikroskop s rozlíšením 0,3 nanometra.
Hoci rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je oveľa lepšia ako rozlišovacia schopnosť optického mikroskopu, je ťažké pozorovať živé organizmy, pretože elektrónový mikroskop musí pracovať vo vákuu a ožiarenie elektrónovým lúčom tiež spôsobí, že biologické vzorky byť poškodený žiarením. Ďalšie otázky, ako je zlepšenie jasu elektrónového dela a kvalita elektrónovej šošovky, je tiež potrebné ďalej študovať.
Rozlišovacia schopnosť je dôležitým ukazovateľom elektrónovej mikroskopie, ktorý súvisí s uhlom dopadajúceho kužeľa a vlnovou dĺžkou elektrónového lúča prechádzajúceho vzorkou. Vlnová dĺžka viditeľného svetla je asi {{0}} nanometrov, zatiaľ čo vlnová dĺžka elektrónových lúčov súvisí s urýchľujúcim napätím. Keď je urýchľovacie napätie 50-100 kV, vlnová dĺžka elektrónového lúča je približne 0.0053-0,0037 nanometrov. 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 optického mikroskopu.
Elektrónový mikroskop sa skladá z troch častí: tubus šošovky, vákuový systém a napájacia skrinka. Tubus objektívu obsahuje hlavne elektrónové pištole, elektrónové šošovky, držiaky vzoriek, fluorescenčné obrazovky a kamerové mechanizmy. Tieto komponenty sú zvyčajne zostavené do stĺpca zhora nadol; vákuový systém sa skladá z mechanických vákuových čerpadiel, difúznych čerpadiel a vákuových ventilov. Plynové potrubie je spojené s tubusom šošovky; Napájacia skriňa sa skladá z vysokonapäťového generátora, stabilizátora budiaceho prúdu a rôznych nastavovacích riadiacich jednotiek.
Elektrónová šošovka je najdôležitejšou súčasťou tubusu šošovky elektrónového mikroskopu. Využíva priestorové elektrické pole alebo magnetické pole symetrické k osi tubusu šošovky na ohýbanie dráhy elektrónov k osi, aby sa vytvorilo ohnisko. Jeho funkcia je podobná funkcii sklenenej konvexnej šošovky na zaostrenie lúča, preto sa nazýva elektrón. šošovka. Väčšina moderných elektrónových mikroskopov používa elektromagnetické šošovky, ktoré zaostrujú elektróny prostredníctvom silného magnetického poľa generovaného veľmi stabilným jednosmerným budiacim prúdom prechádzajúcim cievkou s pólovými nástavcami.
Elektrónové delo je komponent pozostávajúci z horúcej katódy s volfrámovým vláknom, mriežky a katódy. Dokáže vyžarovať a vytvárať elektrónový lúč s rovnomernou rýchlosťou, preto sa vyžaduje, aby stabilita urýchľovacieho napätia nebola menšia ako jedna desaťtisícina.
Elektrónové mikroskopy možno podľa štruktúry a použitia rozdeliť na transmisné elektrónové mikroskopy, rastrovacie elektrónové mikroskopy, reflexné elektrónové mikroskopy a emisné elektrónové mikroskopy. Transmisné elektrónové mikroskopy sa často používajú na pozorovanie štruktúr jemných materiálov, ktoré nemožno rozlíšiť bežnými mikroskopmi; skenovacie elektrónové mikroskopy sa používajú hlavne na pozorovanie morfológie pevných povrchov a môžu sa tiež kombinovať s röntgenovými difraktometrami alebo elektrónovými energetickými spektrometrami na vytvorenie elektronických mikrosond na analýzu zloženia materiálu; emisná elektrónová mikroskopia na štúdium povrchov samovyžarujúcich elektrónov.
Transmisný elektrónový mikroskop je pomenovaný podľa toho, že elektrónový lúč prenikne do vzorky a následne zväčší obraz pomocou elektrónovej šošovky. Jeho optická dráha je podobná dráhe optického mikroskopu. V tomto type elektrónového mikroskopu sa kontrast v detaile obrazu vytvára rozptylom elektrónového lúča atómami vzorky. Tenšia časť vzorky alebo časť vzorky s nižšou hustotou má menší rozptyl elektrónového lúča, takže cez clonu objektívu prechádza viac elektrónov a podieľa sa na zobrazovaní a na obrázku sa javia ako jasnejšie. 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 sa dokonca poškodí alebo zničí.
Vrch tubusu šošovky transmisného elektrónového mikroskopu je elektrónové delo. Elektróny sú emitované horúcou katódou volfrámu a elektrónové lúče sú zaostrené prvým a druhým kondenzátorom. Po prechode cez vzorku sa elektrónový lúč zobrazí na strednom zrkadle šošovkou objektívu a potom sa krok za krokom zväčší cez stredné zrkadlo a projekčné zrkadlo a potom sa zobrazí na fluorescenčnej obrazovke alebo fotokoherentnej doske.
Zväčšenie medzizrkadla je možné plynule meniť od desaťnásobku až po stotisícnásobok, a to najmä úpravou budiaceho prúdu; zmenou ohniskovej vzdialenosti stredného zrkadla je možné získať elektrónové mikroskopické obrazy a elektrónové difrakčné obrazy 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. Schematický diagram štruktúry rastrovacieho elektrónového mikroskopu
Elektrónový lúč rastrovacieho elektrónového mikroskopu neprechádza cez vzorku, ale iba sníma a excituje sekundárne elektróny na povrchu vzorky. Scintilačný kryštál umiestnený vedľa vzorky prijíma tieto sekundárne elektróny, zosilňuje a moduluje intenzitu elektrónového lúča obrazovky, čím mení jas na obrazovke obrazovky. Vychyľovacia cievka 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 TV. .
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. Skenovacia elektrónová mikroskopia nevyžaduje veľmi tenké vzorky; obraz má silný trojrozmerný efekt; môže použiť informácie, ako sú sekundárne elektróny, absorbované elektróny a röntgenové lúče generované interakciou medzi elektrónovými lúčmi a látkami, na analýzu zloženia látok.
Elektrónové delo a kondenzorová šošovka rastrovacieho elektrónového mikroskopu sú približne rovnaké ako šošovky transmisného elektrónového mikroskopu, ale aby bol elektrónový lúč tenší, sú pod kondenzorovú šošovku pridané šošovky objektívu a astigmatizér a dve sady vo vnútri šošovky objektívu sú inštalované vzájomne kolmé skenovacie lúče. cievka. Vzorková komora pod šošovkou objektívu je vybavená vzorkovým stolíkom, ktorý sa môže pohybovať, otáčať a nakláňať.
