Optický princíp a rozsah použitia elektrónového mikroskopu
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 bolo rozlíšenie transmisného elektrónového mikroskopu asi 0,3 nanometrov (rozlíšenie ľudského oka je asi 0,1 mm). Teraz maximálne zväčšenie elektrónového mikroskopu presahuje 3 milióny krát a 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 premontovali 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 rozlíšenie elektrónového mikroskopu dosiahlo 50 nanometrov, čo bolo asi desaťnásobok rozlíšenia vtedajšieho optického mikroskopu, 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 nanometrov. Hoci rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je oveľa lepšie ako optický mikroskop, je ťažké pozorovať živé organizmy, pretože elektrónový mikroskop musí pracovať vo vákuu a ožiarenie elektrónovým lúčom tiež spôsobí poškodenie biologických vzoriek žiarením. Ďalšie otázky, ako je zlepšenie jasu elektrónovej pištole a kvalita elektrónovej šošovky, je ešte potrebné 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 asi 300-700 nanometrov, zatiaľ čo 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 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 elektrónového mikroskopu. Využíva priestorové elektrické pole alebo magnetické pole symetrické k osi tubusu šošovky na ohýbanie trajektórie elektrónov k osi, aby sa vytvorilo ohnisko, a jeho funkcia je podobná ako pri sklenenej konvexnej šošovke na zaostrenie lúča, takže je nazývaná elektronická šošovka. Väčšina moderných elektrónových mikroskopov používa elektromagnetické šošovky, ktoré sústreďujú elektróny prostredníctvom silného magnetického poľa generovaného veľmi stabilným jednosmerným budiacim prúdom prechádzajúcim cievkou s pólovými nástavcami.
Elektrónové delo sa skladá z volfrámovej horúcej katódy, mriežky a katódy.
kusov. Dokáže vyžarovať a vytvárať elektrónové lúče 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.
Mikroskopy, rastrovacie elektrónové mikroskopy a emisné elektrónové mikroskopy atď. Transmisné elektrónové mikroskopy sa často používajú na pozorovanie štruktúr jemných materiálov, ktoré nemožno rozlíšiť bežnými mikroskopmi; rastrovacie 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 je kontrast v detaile obrazu vytvorený rozptylom elektrónového lúča atómami vzorky. Časti vzorky, ktoré sú tenšie alebo menej husté, sú menej rozptýlené elektrónovým lúčom, takže cez clonu objektívu prejde viac elektrónov, aby sa podieľali na zobrazovaní a na obrázku sa javili svetlejšie. Naopak, hrubšie alebo hustejšie časti vzorky sa javia na obrázku tmavšie. Ak je vzorka príliš hrubá alebo príliš hustá, absorbovaním energie elektrónového lúča sa kontrast obrazu zhorší, alebo sa dokonca poškodí alebo zničí.
Horná časť tubusu šošovky transmisného elektrónového mikroskopu je elektrónové delo a elektróny sú emitované horúcou katódou volfrámu a elektrónový lúč je zaostrený prvou a druhou kondenzorovou šošovkou. Po prechode cez vzorku sa elektrónový lúč zobrazí na medziľahlom zrkadle šošovkou objektívu a potom sa krok za krokom zväčší pomocou medziľahlého zrkadla a projekčného zrkadla 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 medziľahlého zrkadla možno získať elektrónový mikroskopický obraz na malej časti tej istej vzorky
a elektrónové difrakčné obrazy. Aby bolo možné študovať vzorky hrubších kovových plátkov, laboratórium elektrónovej optiky v Dulos vo Francúzsku vyvinulo ultravysokonapäťový elektrónový mikroskop s urýchľovacím napätím 3500 kV.
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 fluorescenčnej obrazovke obrazovky. Vychyľovacia cievka kineskopu zachováva synchrónne skenovanie s elektrónovým lúčom na povrchu vzorky, takže fluorescenčná obrazovka kineskopu zobrazuje topografický obraz povrchu vzorky, ktorý je podobný princípu fungovania priemyselnej televízie.
Rozlíšenie rastrovacieho elektrónového mikroskopu je primárne určené 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 skenovacieho 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 možno posúvať, otáčať a nakláňať.
