Hur förstorar ett elektronmikroskop objekt
Ett elektronmikroskop är ett instrument som använder elektronstrålar och elektronlinser istället för ljusstrålar och optiska linser för att avbilda ämnens fina strukturer i mycket höga förstoringar baserat på principen om elektronoptik.
Upplösningsförmågan hos ett elektronmikroskop representeras av det minsta avståndet mellan två angränsande punkter som det kan lösa. På 1970-talet hade transmissionselektronmikroskop en upplösning på cirka 0,3 nanometer (det mänskliga ögats upplösningsförmåga är cirka 0,1 millimeter). Nu överstiger den maximala förstoringen av elektronmikroskopet 3 miljoner gånger, medan den maximala förstoringen av det optiska mikroskopet är cirka 2000 gånger, så atomerna av vissa tungmetaller och de prydligt arrangerade atomgittren i kristallen kan observeras direkt genom elektronmikroskopet .
År 1931 monterade Knorr-Bremse och Ruska i Tyskland om ett högspänningsoscilloskop med en kallkatodurladdningselektronkälla och tre elektronlinser och fick en bild som förstorades mer än tio gånger, vilket bekräftade möjligheten till förstorad avbildning med elektronmikroskop. 1932, efter Ruskas förbättring, nådde elektronmikroskopets upplösningsförmåga 50 nanometer, ungefär tio gånger upplösningsförmågan hos det optiska mikroskopet vid den tiden, så elektronmikroskopet började få folks uppmärksamhet.
På 1940-talet använde Hill i USA en astigmatisator för att kompensera rotationsasymmetrin hos elektronlinsen, vilket gjorde ett nytt genombrott i elektronmikroskopets upplösningsförmåga och gradvis nådde den moderna nivån. I Kina utvecklades framgångsrikt ett transmissionselektronmikroskop 1958 med en upplösning på 3 nanometer, och 1979 tillverkades ett stort elektronmikroskop med en upplösning på 0,3 nanometer.
Även om elektronmikroskopets upplösningsförmåga är mycket bättre än det optiska mikroskopets, är det svårt att observera levande organismer eftersom elektronmikroskopet måste arbeta under vakuumförhållanden, och bestrålningen av elektronstrålen kommer också att få de biologiska proverna att skadas av strålning. Andra frågor, såsom förbättringen av ljusstyrkan hos elektronkanonen och kvaliteten på elektronlinsen, behöver också studeras ytterligare.
Upplösningsförmåga är en viktig indikator för elektronmikroskopi, som är relaterad till den infallande konvinkeln och våglängden hos elektronstrålen som passerar genom provet. Våglängden för synligt ljus är ungefär {{0}} nanometer, medan våglängden för elektronstrålar är relaterad till accelerationsspänningen. När accelerationsspänningen är 50-100 kV är elektronstrålens våglängd cirka 0.0053-0.0037 nanometer. Eftersom elektronstrålens våglängd är mycket mindre än våglängden för synligt ljus, även om konvinkeln på elektronstrålen bara är 1 procent av det optiska mikroskopets, är upplösningsförmågan hos elektronmikroskopet fortfarande mycket överlägsen den. av det optiska mikroskopet.
Elektronmikroskop består av tre delar: linshylsa, vakuumsystem och strömförsörjningsskåp. Linsröret innehåller huvudsakligen elektronkanoner, elektronlinser, provhållare, fluorescerande skärmar och kameramekanismer. Dessa komponenter är vanligtvis sammansatta i en kolumn från topp till botten; Vakuumsystemet består av mekaniska vakuumpumpar, diffusionspumpar och vakuumventiler. Gasledningen är ansluten till linshylsan; Elskåpet består av en högspänningsgenerator, en magnetiseringsströmstabilisator och olika justeringsstyrenheter.
Elektronlinsen är den viktigaste delen av elektronmikroskopets linshylsa. Den använder ett elektriskt rymdfält eller magnetfält som är symmetriskt till linscylinderns axel för att böja elektronspåret till axeln för att bilda ett fokus. Dess funktion liknar den hos en konvex glaslins för att fokusera strålen, så den kallas elektron. lins. De flesta moderna elektronmikroskop använder elektromagnetiska linser, som fokuserar elektroner genom ett starkt magnetfält som genereras av en mycket stabil DC-excitationsström som passerar genom en spole med polskor.
Elektronpistolen är en komponent som består av en varm katod av volframfilament, ett galler och en katod. Den kan sända ut och bilda en elektronstråle med en enhetlig hastighet, så stabiliteten hos accelerationsspänningen måste vara inte mindre än en tiotusendel.
Elektronmikroskop kan delas in i transmissionselektronmikroskop, svepelektronmikroskop, reflektionselektronmikroskop och emissionselektronmikroskop enligt deras strukturer och användningsområden. Transmissionselektronmikroskop används ofta för att observera de fina materialstrukturerna som inte kan lösas upp med vanliga mikroskop; svepelektronmikroskop används huvudsakligen för att observera morfologin hos fasta ytor, och kan även kombineras med röntgendiffraktometrar eller elektronenergispektrometrar för att bilda elektroniska mikrosonder för analys av materialsammansättning; emissionselektronmikroskopi för studiet av självemitterande elektronytor.
Transmissionselektronmikroskopet är uppkallat efter att elektronstrålen penetrerar provet och sedan förstorar bilden med elektronlinsen. Dess optiska väg liknar den för ett optiskt mikroskop. I denna typ av elektronmikroskop skapas kontrasten i bilddetalj genom spridningen av elektronstrålen av atomerna i provet. Den tunnare eller lägre densitetsdelen av provet har mindre elektronstrålespridning, så att fler elektroner passerar genom objektivets membran och deltar i avbildningen och ser ljusare ut i bilden. Omvänt ser tjockare eller tätare delar av provet mörkare ut i bilden. Om provet är för tjockt eller för tätt kommer kontrasten i bilden att försämras, eller till och med skadas eller förstöras genom att absorbera elektronstrålens energi.
Den övre delen av transmissionselektronmikroskopets linshylsa är en elektronpistol. Elektronerna emitteras av den heta volframkatoden, och elektronstrålarna fokuseras av den första och andra kondensorn. Efter att ha passerat genom provet avbildas elektronstrålen på den mellanliggande spegeln av objektivlinsen, och förstoras sedan steg för steg genom den mellanliggande spegeln och projektionsspegeln och avbildas sedan på den fluorescerande skärmen eller den fotokoherenta plattan.
Förstoringen av den mellanliggande spegeln kan kontinuerligt ändras från tiotals gånger till hundratusentals gånger, huvudsakligen genom justering av excitationsströmmen; genom att ändra brännvidden på den mellanliggande spegeln kan elektronmikroskopiska bilder och elektrondiffraktionsbilder erhållas på de små delarna av samma prov. För att studera tjockare metallskivor utvecklade franska Dulos Electron Optics Laboratory ett ultrahögspänningselektronmikroskop med en accelererande spänning på 3500 kV. Schematiskt diagram av svepelektronmikroskopstruktur
Elektronstrålen i svepelektronmikroskopet passerar inte genom provet, utan skannar och exciterar endast sekundära elektroner på provets yta. Scintillationskristallen som placeras bredvid provet tar emot dessa sekundära elektroner, förstärker och modulerar elektronstråleintensiteten hos bildröret, och ändrar därigenom ljusstyrkan på bildrörets skärm. Bildrörets avböjningsspole håller synkron scanning med elektronstrålen på ytan av provet, så att bildrörets fluorescerande skärm visar den topografiska bilden av provytan, vilket liknar arbetsprincipen för en industriell TV .
Upplösningen för ett svepelektronmikroskop bestäms huvudsakligen av diametern på elektronstrålen på provytan. Förstoringen är förhållandet mellan scanningsamplituden på bildröret och scanningsamplituden på provet, som kontinuerligt kan ändras från tiotals gånger till hundratusentals gånger. Svepelektronmikroskopi kräver inte mycket tunna prover; bilden har en stark tredimensionell effekt; den kan använda information som sekundära elektroner, absorberade elektroner och röntgenstrålar som genereras av interaktionen mellan elektronstrålar och ämnen för att analysera ämnens sammansättning.
Elektronkanonen och kondensorlinsen i svepelektronmikroskopet är ungefär desamma som i transmissionselektronmikroskopet, men för att göra elektronstrålen tunnare läggs en objektivlins och en astigmatisator till under kondensorlinsen, och två uppsättningar av ömsesidigt vinkelräta skanningsstrålar är installerade inuti objektivlinsen. spole. Provkammaren under objektivlinsen är utrustad med ett provbord som kan röra sig, rotera och luta.
