Optisk princip och tillämpningsområde för elektronmikroskop
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 1970s var upplösningen för transmissionselektronmikroskopet cirka 0,3 nanometer (upplösningen för det mänskliga ögat är cirka 0,1 mm). Nu överstiger den maximala förstoringen av elektronmikroskopet 3 miljoner gånger, och 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 upplösning 50 nanometer, vilket var ungefär tio gånger upplösningen för 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 med en upplösning på 3 nanometer 1958, och ett stort elektronmikroskop med en upplösning på 0.3 nanometer tillverkades 1979. Även om elektronmikroskopets upplösningsförmåga är mycket bättre än det optiska mikroskopet är det svårt att observera levande organismer eftersom elektronmikroskopet behöver arbeta under vakuumförhållanden, och bestrålningen av elektronstrålen kommer också att orsaka att de biologiska proverna skadas av strålning. Andra frågor, såsom förbättringen av ljusstyrkan hos elektronkanonen och kvaliteten på elektronlinsen, återstår fortfarande att studera. Upplösningsförmåga är ett viktigt index för elektronmikroskop, som är relaterat till den infallande konvinkeln och våglängden hos elektronstrålen som passerar genom provet. Våglängden för synligt ljus är ungefär 300-700 nanometer, medan våglängden för elektronstrålen 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 elskåp. 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 komponenten i elektronmikroskopets cylinder. Den använder ett elektriskt rymdfält eller magnetfält som är symmetriskt till linscylinderns axel för att böja elektronbanan till axeln för att bilda ett fokus, och dess funktion liknar den för en konvex glaslins för att fokusera strålen, så det är kallas en elektronisk 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 polstycken.
Elektronpistolen är sammansatt av volfram varm katod, galler och katod.
bitar. Den kan sända ut och bilda elektronstrålar med jämn hastighet, så stabiliteten hos accelerationsspänningen måste vara inte mindre än en tiotusendel.
Elektronmikroskop kan delas in i transmissionselektronmikroskop enligt deras strukturer och användningsområden.
Mikroskop, svepelektronmikroskop och emissionselektronmikroskop etc. Transmissionselektronmikroskop används ofta för att observera de fina materialstrukturer 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 en elektronlins. 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. Delar av provet som är tunnare eller mindre täta sprids mindre av elektronstrålen, så att fler elektroner passerar genom objektivets membran för att delta 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 elektronkanonen, och elektronerna emitteras av den heta volframkatoden, och elektronstrålen fokuseras av de första och andra kondensorlinserna. Efter att ha passerat genom provet avbildas elektronstrålen på den mellanliggande spegeln av objektivlinsen och förstoras sedan steg för steg av 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; att ändra brännvidden på mellanspegeln kan få en elektronmikroskopisk bild på en liten del av samma prov
och elektrondiffraktionsbilder. För att kunna studera tjockare metallskivor har Elektronoptiklaboratoriet i Dulos, Frankrike, utvecklat ett ultrahögspänningselektronmikroskop med en accelererande spänning på 3500 kV.
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 i bildröret och ändrar därigenom ljusstyrkan på bildrörets fluorescerande skärm. Kineskopets avböjningsspole fortsätter att skanna synkront med elektronstrålen på ytan av provet, så att kineskopets fluorescerande skärm visar den topografiska bilden av provytan, vilket liknar arbetsprincipen för en industriell TV.
Upplösningen hos ett svepelektronmikroskop bestäms i första hand 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 ett svepelektronmikroskop är ungefär desamma som i ett transmissionselektronmikroskop, 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 flyttas, vridas och lutas.
