Optisk princip og anvendelsesområde for elektronmikroskop
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.
Opløsningsevnen af et elektronmikroskop er repræsenteret ved den mindste afstand mellem to tilstødende punkter, som det kan opløse. I 1970erne var opløsningen af transmissionselektronmikroskopet omkring 0,3 nanometer (det menneskelige øjes opløsning er omkring 0,1 mm). Nu overstiger den maksimale forstørrelse af elektronmikroskopet 3 millioner gange, og 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 opløsning 50 nanometer, hvilket var omkring ti gange opløsningen af 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 en opløsning på 3 nanometer med succes udviklet i 1958, og et stort elektronmikroskop med en opløsning på 0.3 nanometer blev fremstillet i 1979. Selvom elektronmikroskopets opløsningsevne er langt bedre end det optiske mikroskop, er det svært at observere levende organismer, fordi elektronmikroskopet skal arbejde under vakuumforhold, og bestrålingen af elektronstrålen vil også medføre, at de biologiske prøver bliver beskadiget af stråling. Andre spørgsmål, såsom forbedring af lysstyrken af elektronkanonen og kvaliteten af elektronlinsen, skal stadig undersøges. 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 300-700 nanometer, mens elektronstrålens bølgelængde 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. Elektronmikroskop består af tre dele: linserør, vakuumsystem og strømskab. 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 den vigtigste komponent i elektronmikroskopets cylinder. Den bruger et rumelektrisk felt eller magnetfelt, der er symmetrisk til linsecylinderens akse til at bøje elektronbanen til aksen for at danne et fokus, og dets funktion ligner en konveks glaslinse til at fokusere strålen, så det er kaldet 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 polstykker.
Elektronkanonen er sammensat af wolfram varm katode, gitter og katode.
stykker. Det kan udsende og danne elektronstråler med ensartet hastighed, så stabiliteten af accelerationsspændingen er påkrævet at være ikke mindre end en ti tusindedel.
Elektronmikroskoper kan opdeles i transmissionselektronmikroskoper i henhold til deres strukturer og anvendelser.
Mikroskoper, scanningselektronmikroskoper og emissionselektronmikroskoper osv. 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.
Transmissionselektronmikroskopet er opkaldt efter, at elektronstrålen trænger ind i prøven og derefter forstørrer billedet med en elektronlinse. Dens optiske vej ligner den for et optisk mikroskop. I denne type elektronmikroskop skabes kontrasten i billeddetaljerne ved spredning af elektronstrålen af prøvens atomer. Dele af prøven, der er tyndere eller mindre tæt, bliver mindre spredt af elektronstrålen, så flere elektroner passerer gennem objektivmembranen for at deltage 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 transmissionselektronmikroskoplinserøret er elektronkanonen, og elektronerne udsendes af den varme wolframkatode, og elektronstrålen fokuseres af den første og anden kondensatorlinse. Efter at have passeret gennem prøven, afbildes elektronstrålen på det mellemliggende spejl af objektivlinsen og forstørres derefter trin for trin af 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; ændring af brændvidden af det mellemliggende spejl kan få et elektronmikroskopisk billede på en lille del af den samme prøve
og elektrondiffraktionsbilleder. For at kunne studere tykkere metalskiveprøver har Electron Optics Laboratory i Dulos, Frankrig udviklet et ultrahøjspændingselektronmikroskop med en accelererende spænding på 3500 kV.
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 fluorescerende skærm. Kineskopets afbøjningsspole bliver ved med at scanne synkront med elektronstrålen på overfladen af prøven, så kineskopets fluorescerende skærm viser det topografiske billede af prøveoverfladen, hvilket svarer til arbejdsprincippet for et industrielt fjernsyn.
Opløsningen af et scanningselektronmikroskop bestemmes primært 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 et scanningselektronmikroskop er nogenlunde de samme som i et transmissionselektronmikroskop, men for at gøre elektronstrålen tyndere, tilføjes en objektivlinse og en astigmatisator under kondensatorlinsen, og to sæt gensidigt vinkelrette scanningsstråler er installeret inde i objektivlinsen. spole. Prøvekammeret under objektivlinsen er udstyret med et prøvetrin, der kan flyttes, drejes og vippes.
