Optični princip in področje uporabe elektronskega mikroskopa
Elektronski mikroskop je instrument, ki uporablja elektronske žarke in elektronske leče namesto svetlobnih žarkov in optičnih leč za slikanje finih struktur snovi pri zelo velikih povečavah na podlagi načela elektronske optike.
Ločljivost elektronskega mikroskopa je predstavljena z najmanjšo razdaljo med dvema sosednjima točkama, ki ju lahko loči. Leta 1970s je bila ločljivost transmisijskega elektronskega mikroskopa približno 0,3 nanometra (ločljivost človeškega očesa je približno 0,1 mm). Zdaj največja povečava elektronskega mikroskopa presega 3-milijonkrat, največja povečava optičnega mikroskopa pa približno 2000-krat, tako da lahko atome nekaterih težkih kovin in lepo razporejene atomske mreže v kristalu neposredno opazujemo skozi elektronski mikroskop. .
Leta 1931 sta Knorr-Bremse in Ruska iz Nemčije predelala visokonapetostni osciloskop z virom elektronov s hladno katodo in tremi elektronskimi lečami ter dobila več kot desetkrat povečano sliko, kar je potrdilo možnost slikanja z elektronskim mikroskopom. Leta 1932 je po Ruskovi izboljšavi ločljivost elektronskega mikroskopa dosegla 50 nanometrov, kar je bila približno desetkratna ločljivost takratnega optičnega mikroskopa, zato je elektronski mikroskop začel dobivati pozornost ljudi.
Leta 1940 je Hill v Združenih državah uporabil astigmatizer za kompenzacijo rotacijske asimetrije elektronske leče, kar je naredilo nov preboj v ločljivosti elektronskega mikroskopa in postopoma doseglo sodobno raven. Na Kitajskem so leta 1958 uspešno razvili presevni elektronski mikroskop z ločljivostjo 3 nanometrov, leta 1979 pa so izdelali veliki elektronski mikroskop z ločljivostjo 0.3 nanometrov. Čeprav je ločljivost elektronskega mikroskopa veliko boljši kot pri optičnem mikroskopu, je težko opazovati žive organizme, ker mora elektronski mikroskop delovati v vakuumskih pogojih, obsevanje elektronskega žarka pa bo povzročilo tudi poškodbe bioloških vzorcev zaradi sevanja. Druga vprašanja, kot je izboljšanje svetlosti elektronskega topa in kakovost elektronske leče, je treba še preučiti. Ločljivost je pomemben kazalnik elektronskega mikroskopa, ki je povezan z vpadnim kotom stožca in valovno dolžino elektronskega žarka, ki prehaja skozi vzorec. Valovna dolžina vidne svetlobe je približno 300-700 nanometrov, medtem ko je valovna dolžina žarka elektronov povezana s pospeševalno napetostjo. Ko je pospeševalna napetost 50-100 kV, je valovna dolžina elektronskega žarka približno 0.0053-0.0037 nanometrov. Ker je valovna dolžina elektronskega žarka veliko manjša od valovne dolžine vidne svetlobe, tudi če je kot stožca elektronskega žarka le 1 odstotek kota optičnega mikroskopa, je ločljivost elektronskega mikroskopa še vedno veliko večja od optičnega mikroskopa. Elektronski mikroskop je sestavljen iz treh delov: tulca leče, vakuumskega sistema in napajalne omarice. Cev objektiva vključuje predvsem elektronske puške, elektronske leče, držala za vzorce, fluorescentne zaslone in mehanizme fotoaparata. Te komponente so običajno sestavljene v stolpec od zgoraj navzdol; vakuumski sistem je sestavljen iz mehanskih vakuumskih črpalk, difuzijskih črpalk in vakuumskih ventilov. Plinovod je povezan s tulcem leče; napajalna omarica je sestavljena iz visokonapetostnega generatorja, stabilizatorja vzbujalnega toka in različnih regulacijskih enot.
Elektronska leča je najpomembnejša komponenta cevi elektronskega mikroskopa. Uporablja vesoljsko električno polje ali magnetno polje, ki je simetrično glede na os tulca leče, da upogne pot elektronov na os, da oblikuje žarišče, njegova funkcija pa je podobna funkciji steklene konveksne leče za fokusiranje žarka, torej je imenujemo elektronska leča. Večina sodobnih elektronskih mikroskopov uporablja elektromagnetne leče, ki fokusirajo elektrone skozi močno magnetno polje, ki ga ustvari zelo stabilen enosmerni vzbujalni tok, ki poteka skozi tuljavo s poloma.
Elektronska pištola je sestavljena iz volframove vroče katode, mreže in katode.
kosov. Lahko oddaja in tvori elektronske žarke z enakomerno hitrostjo, zato mora biti stabilnost pospeševalne napetosti najmanj ena desettisočinka.
Elektronske mikroskope lahko razdelimo na transmisijske elektronske mikroskope glede na njihovo strukturo in uporabo.
Mikroskopi, vrstični elektronski mikroskopi in emisijski elektronski mikroskopi itd. Transmisijski elektronski mikroskopi se pogosto uporabljajo za opazovanje finih materialnih struktur, ki jih običajni mikroskopi ne morejo razločiti; vrstični elektronski mikroskopi se večinoma uporabljajo za opazovanje morfologije trdnih površin in jih je mogoče kombinirati tudi z rentgenskimi difraktometri ali spektrometri elektronske energije za oblikovanje elektronskih mikrosond za analizo materialne sestave; emisijska elektronska mikroskopija za preučevanje samoemisivnih elektronskih površin.
Transmisijski elektronski mikroskop je dobil ime po tem, da elektronski žarek prodre v vzorec in nato poveča sliko z elektronsko lečo. Njegova optična pot je podobna poti optičnega mikroskopa. Pri tej vrsti elektronskega mikroskopa se kontrast v podrobnostih slike ustvari z sipanjem elektronskega žarka na atomih vzorca. Deli vzorca, ki so tanjši ali manj gosti, so manj razpršeni z elektronskim žarkom, tako da gre več elektronov skozi objektivno diafragmo, da sodelujejo pri slikanju in so videti svetlejši na sliki. Nasprotno pa so debelejši ali gostejši deli vzorca na sliki videti temnejši. Če je vzorec predebel ali pregost, se bo kontrast slike poslabšal ali celo poškodoval ali uničil zaradi absorpcije energije elektronskega žarka.
Zgornji del cevi leče transmisijskega elektronskega mikroskopa je elektronska pištola, elektrone oddaja volframova vroča katoda, elektronski žarek pa fokusirata prva in druga zbiralna leča. Po prehodu skozi vzorec se elektronski žarek prikaže na vmesnem zrcalu z lečo objektiva, nato pa se korak za korakom poveča z vmesnim zrcalom in projekcijskim zrcalom, nato pa se posname na fluorescentnem zaslonu ali fotokoherentni plošči.
Povečavo vmesnega zrcala je mogoče nenehno spreminjati od desetkrat do stotisočkrat, predvsem s prilagajanjem vzbujalnega toka; s spreminjanjem goriščne razdalje vmesnega zrcala lahko dobimo elektronsko mikroskopsko sliko na majhnem delu istega vzorca
in slike elektronske difrakcije. Da bi lahko proučevali debelejše vzorce kovinskih rezin, je Laboratorij za elektronsko optiko v Dulosu v Franciji razvil ultravisokonapetostni elektronski mikroskop s pospeševalno napetostjo 3500 kV.
Elektronski žarek vrstičnega elektronskega mikroskopa ne prehaja skozi vzorec, ampak samo skenira in vzbudi sekundarne elektrone na površini vzorca. Scintilacijski kristal, nameščen poleg vzorca, sprejme te sekundarne elektrone, ojača in modulira intenzivnost elektronskega žarka slikovne cevi ter tako spremeni svetlost na fluorescentnem zaslonu slikovne cevi. Odklonska tuljava kineskopa še naprej skenira sinhrono z elektronskim žarkom na površini vzorca, tako da fluorescenčni zaslon kineskopa prikazuje topografsko sliko površine vzorca, kar je podobno principu delovanja industrijskega televizorja.
Ločljivost vrstičnega elektronskega mikroskopa je v prvi vrsti določena s premerom elektronskega žarka na površini vzorca. Povečava je razmerje med amplitudo skeniranja na slikovni cevi in amplitudo skeniranja na vzorcu, ki se lahko nenehno spreminja od desetkrat do stotisočkrat. Vrstična elektronska mikroskopija ne zahteva zelo tankih vzorcev; slika ima močan tridimenzionalni učinek; za analizo sestave snovi lahko uporablja informacije, kot so sekundarni elektroni, absorbirani elektroni in rentgenski žarki, ki nastanejo pri interakciji med elektronskimi žarki in snovmi.
Elektronski top in zbiralna leča vrstičnega elektronskega mikroskopa sta približno enaki kot pri transmisijskem elektronskem mikroskopu, vendar sta za tanjši elektronski žarek pod zbiralno lečo dodana leča objektiva in astigmatizer ter dva niza medsebojno pravokotni skenirni žarki so nameščeni znotraj leče objektiva. tuljava. Komora za vzorčenje pod lečo objektiva je opremljena z mizico za vzorčenje, ki jo je mogoče premikati, obračati in nagibati.
