Fordele ved elektronmikroskopi vs lysmikroskopi
Et elektronmikroskop er et instrument, der bruger elektronstråler og elektronlinser i stedet for lysstråler og optiske linser til at afbilde stoffers fine strukturer ved meget høje forstørrelser baseret på princippet om elektronoptik.
Et elektronmikroskops opløsningsevne er repræsenteret ved den lille afstand mellem to tilstødende punkter, som det kan opløse. I 1970erne havde transmissionselektronmikroskoper en opløsning på omkring 0,3 nanometer (det menneskelige øjes opløsningsevne er omkring 0,1 millimeter). Nu overstiger den maksimale forstørrelse af elektronmikroskopet 3 millioner gange, mens den maksimale forstørrelse af det optiske mikroskop er omkring 2000 gange, så atomerne af nogle tungmetaller og de pænt arrangerede atomgitre i krystallen kan observeres direkte gennem elektronmikroskopet .
I 1931 ombyggede Knorr-Bremse og Ruska fra Tyskland et højspændingsoscilloskop med en kold katodeudladningselektronkilde og tre elektronlinser og opnåede et billede forstørret mere end ti gange, hvilket bekræftede muligheden for elektronmikroskopforstørret billeddannelse. I 1932, efter Ruskas forbedring, nåede elektronmikroskopets opløsningsevne 50 nanometer, omkring ti gange opløsningsevnen for det optiske mikroskop på det tidspunkt, så elektronmikroskopet begyndte at få folks opmærksomhed.
I 1940erne brugte Hill i USA en astigmatisator til at kompensere for rotationsasymmetrien i elektronlinsen, hvilket gjorde et nyt gennembrud i elektronmikroskopets opløsningsevne og gradvist nåede det moderne niveau. I Kina blev et transmissionselektronmikroskop med succes udviklet i 1958 med en opløsning på 3 nanometer, og i 1979 blev der fremstillet et stort elektronmikroskop med en opløsning på 0,3 nanometer.
Selvom elektronmikroskopets opløsningsevne er langt overlegen i forhold til det optiske mikroskop, er det vanskeligt at observere levende organismer, fordi elektronmikroskopet skal arbejde under vakuumforhold, og bestrålingen af elektronstråler vil også forårsage strålingsskader på biologiske prøver . Andre spørgsmål, såsom forbedring af lysstyrken af elektronkanonen og kvaliteten af elektronlinsen, skal også undersøges yderligere.
Opløsningskraft er et vigtigt indeks for elektronmikroskop, som er relateret til den indfaldende keglevinkel og bølgelængde af elektronstrålen, der passerer gennem prøven. Bølgelængden af synligt lys er omkring {{0}} nanometer, mens bølgelængden af elektronstråler er relateret til accelerationsspændingen. Når accelerationsspændingen er 50-100 kV, er elektronstrålens bølgelængde omkring 0.0053-0.0037 nanometer. Da elektronstrålens bølgelængde er meget mindre end bølgelængden af synligt lys, selvom elektronstrålens keglevinkel kun er 1 procent af det optiske mikroskops, er elektronmikroskopets opløsningsevne stadig langt bedre end den. af det optiske mikroskop.
Elektronmikroskopet består af tre dele: linserør, vakuumsystem og strømforsyningskabinet. Linserøret omfatter hovedsageligt elektronkanoner, elektronlinser, prøveholdere, fluorescerende skærme og kameramekanismer. Disse komponenter er normalt samlet i en søjle fra top til bund; Vakuumsystemet er sammensat af mekaniske vakuumpumper, diffusionspumper og vakuumventiler. Gasrørledningen er forbundet med linserøret; elskabet er sammensat af en højspændingsgenerator, en magnetiseringsstrømstabilisator og forskellige justeringskontrolenheder.
Elektronlinsen er en vigtig del af elektronmikroskopets linsecylinder. Den bruger et rumelektrisk felt eller magnetfelt, der er symmetrisk til linsecylinderens akse til at bøje elektronsporet til aksen for at danne et fokus. Dens funktion svarer til en konveks glaslinse til at fokusere strålen, så den kaldes en elektronisk linse. . De fleste moderne elektronmikroskoper bruger elektromagnetiske linser, som fokuserer elektroner gennem et stærkt magnetfelt genereret af en meget stabil DC-excitationsstrøm, der passerer gennem en spole med polsko.
Elektronkanonen er sammensat af wolfram varm katode, gitter og katode. Den kan udsende og danne en elektronstråle med en ensartet hastighed, så stabiliteten af accelerationsspændingen er påkrævet at være ikke mindre end en titusindedel.
Elektronmikroskoper kan opdeles i transmissionselektronmikroskoper, scanningselektronmikroskoper, refleksionselektronmikroskoper og emissionselektronmikroskoper i henhold til deres strukturer og anvendelser. Transmissionselektronmikroskoper bruges ofte til at observere de fine materialestrukturer, som ikke kan løses med almindelige mikroskoper; scanningselektronmikroskoper bruges hovedsageligt til at observere morfologien af faste overflader og kan også kombineres med røntgendiffraktometre eller elektronenergispektrometre for at danne elektroniske mikroprober til materialesammensætningsanalyse; emissionselektronmikroskopi til undersøgelse af selvemitterende elektronoverflader.
Projektionselektronmikroskopet er opkaldt efter, at elektronstrålen trænger ind i prøven og derefter forstørrer billedet med elektronlinsen. Dens optiske vej ligner den for et optisk mikroskop. I denne type elektronmikroskop skabes kontrasten i billeddetaljerne ved spredning af elektronstrålen af prøvens atomer. Den tyndere eller lavere tæthedsdel af prøven har mindre elektronstrålespredning, så flere elektroner passerer gennem den objektive membran og deltager i billeddannelsen og fremstår lysere på billedet. Omvendt ser tykkere eller tættere dele af prøven mørkere ud på billedet. Hvis prøven er for tyk eller for tæt, vil kontrasten i billedet forringes, eller endda blive beskadiget eller ødelagt ved at absorbere elektronstrålens energi.
Toppen af transmissionselektronmikroskopets linseløb er elektronkanonen. Elektronerne udsendes af den varme wolframkatode og passerer gennem *, og de to andre kondensatorer fokuserer elektronstrålen. Efter at have passeret gennem prøven afbildes elektronstrålen på det mellemliggende spejl af objektivlinsen og forstørres derefter trin for trin gennem det mellemliggende spejl og projektionsspejlet og derefter afbildet på den fluorescerende skærm eller den fotokohærente plade.
Forstørrelsen af det mellemliggende spejl kan løbende ændres fra titusinder til hundredtusindvis af gange hovedsageligt gennem justering af excitationsstrømmen; ved at ændre brændvidden af det mellemliggende spejl, kan elektronmikroskopiske billeder og elektrondiffraktionsbilleder opnås på de små dele af den samme prøve. For at studere tykkere metalskiveprøver udviklede det franske Dulos Electron Optics Laboratory et ultrahøjspændingselektronmikroskop med en accelererende spænding på 3500 kV. Skematisk diagram af scanningselektronmikroskopstruktur
Scanningselektronmikroskopets elektronstråle passerer ikke gennem prøven, men scanner og exciterer kun sekundære elektroner på prøvens overflade. Scintillationskrystallen placeret ved siden af prøven modtager disse sekundære elektroner, forstærker og modulerer billedrørets elektronstråleintensitet og ændrer derved lysstyrken på billedrørets skærm. Afbøjningsspolen af billedrøret holder synkron scanning med elektronstrålen på overfladen af prøven, så billedrørets fluorescerende skærm viser det topografiske billede af prøveoverfladen, hvilket svarer til arbejdsprincippet for et industrielt tv .
Opløsningen af et scanningselektronmikroskop bestemmes hovedsageligt af diameteren af elektronstrålen på prøveoverfladen. Forstørrelsen er forholdet mellem scanningsamplituden på billedrøret og scanningsamplituden på prøven, som kontinuerligt kan ændres fra titusinder til hundredtusindvis af gange. Scanning elektronmikroskopi kræver ikke meget tynde prøver; billedet har en stærk tredimensionel effekt; den kan bruge information såsom sekundære elektroner, absorberede elektroner og røntgenstråler genereret af interaktionen mellem elektronstråler og stoffer til at analysere sammensætningen af stoffer.
Elektronkanonen og kondensatorlinsen i scanningselektronmikroskopet er nogenlunde de samme som transmissionselektronmikroskopets, men for at gøre elektronstrålen tyndere tilføjes en objektivlinse og en astigmatisator under kondensatorlinsen, og to sæt af gensidigt vinkelrette scanningsstråler er installeret inde i objektivlinsen. spole. Prøvekammeret under objektivlinsen er udstyret med et prøvetrin, der kan bevæge sig, rotere og vippe.
