Fördelar med elektronmikroskopi kontra ljusmikroskopi
Elektronmikroskop optiskt mikroskop avbildning princip likheter och skillnader
Elektronmikroskop är ett instrument som ersätter ljusstråle och optisk lins med elektronstråle och elektronlins enligt principen om elektronoptik, så att materiens fina struktur kan avbildas under mycket hög förstoring.
Upplösningsförmågan hos ett elektronmikroskop uttrycks av det lilla avståndet mellan två intilliggande punkter som det kan lösa upp. På 1970-talet hade transmissionselektronmikroskop en upplösning på cirka 0,3 nanometer (det mänskliga ögat har en upplösningsförmåga på cirka 0,1 millimeter). Nu är den maximala förstoringen av elektronmikroskop mer än 3 miljoner gånger, och den maximala förstoringen av optiskt mikroskop är cirka 2000 gånger, så atomerna av vissa tungmetaller och det prydligt arrangerade atomgittret i kristaller kan observeras direkt genom elektronmikroskop.
1931 modifierade Knorr-Bremse och Ruska i Tyskland ett högspänningsoscilloskop med en kallkatodurladdningselektronkälla och tre elektronlinser, och fick en förstorad bild mer än tio gånger, vilket bekräftade möjligheten att förstora avbildningen med ett elektronmikroskop . . 1932, efter Ruskas förbättring, nådde elektronmikroskopets upplösningsförmåga 50 nanometer, vilket var ungefär tio gånger upplösningsförmågan hos det optiska mikroskopet vid den tiden, så elektronmikroskopet började dra till sig folks uppmärksamhet.
På 1940-talet kompenserade Hill i USA för elektronlinsens rotationsasymmetri med en astigmatiker, 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 storskaligt elektronmikroskop med en upplösning på 0,3 nanometer tillverkades 1979.
Även om upplösningsförmågan hos elektronmikroskop är mycket bättre än hos optiska mikroskop, är det svårt att observera levande organismer eftersom elektronmikroskop behöver arbeta under vakuumförhållanden, och bestrålningen av elektronstrålar kommer också att orsaka strålningsskador på biologiska prover. Andra frågor, såsom förbättringen av ljusstyrkan hos elektronkanonen och kvaliteten på elektronlinsen, behöver också studeras ytterligare.
Upplösningsförmågan är en viktig indikator på elektronmikroskopet, som är relaterad till den infallande konvinkeln och våglängden hos elektronstrålen som passerar genom provet. Våglängden för synligt ljus är cirka 300 till 700 nanometer, medan våglängden på elektronstrålen är relaterad till accelerationsspänningen. När accelerationsspänningen är 50-100 kV är elektronstrålens våglängd cirka 0.0053-0.0037 nm. Eftersom elektronstrålens våglängd är mycket mindre än våglängden för synligt ljus, även om konvinkeln på elektronstrålen bara är 1 procent av den för ett optiskt mikroskop, är upplösningsförmågan hos ett elektronmikroskop fortfarande mycket överlägsen den. av ett optiskt mikroskop.
Elektronmikroskopet består av tre delar: linsröret, vakuumsystemet och strömförsörjningsskåpet. Linshylsan innehåller huvudsakligen elektronpistol, elektronlins, provhållare, fluorescerande skärm och kameramekanism, som vanligtvis är sammansatta till en cylinder från topp till botten; vakuumsystemet består av mekanisk vakuumpump, diffusionspump och vakuumventil, etc. Gasledningen är ansluten till linscylindern; strömförsörjningsskåpet består av en högspänningsgenerator, en magnetiseringsströmstabilisator och olika justerings- och styrenheter.
Elektronlinsen är en viktig del av elektronmikroskopets cylinder. Den använder ett rumsligt elektriskt fält eller magnetfält som är symmetriskt till cylinderns axel för att böja elektronbanan till axeln för att bilda fokus. Dess funktion liknar den för en konvex glaslins för att fokusera strålen, så den kallas en elektronlins. . De flesta moderna elektronmikroskop använder elektromagnetiska linser, som fokuserar elektronerna genom ett starkt magnetfält som genereras av en mycket stabil DC-excitationsström genom en spole med en polsko.
Elektronpistolen är en komponent som består av en varm katod av volframfilament, ett galler och en katod. Den kan avge och bilda en elektronstråle med jämn hastighet, så stabiliteten hos accelerationsspänningen är inte mindre än 1/10,000.
Elektronmikroskop kan delas in i transmissionselektronmikroskop, svepelektronmikroskop, reflektionselektronmikroskop och emissionselektronmikroskop enligt deras struktur och användning. Transmissionselektronmikroskop används ofta för att observera de fina materialstrukturer som inte kan särskiljas med vanliga mikroskop; svepelektronmikroskop används främst för att observera morfologin hos fasta ytor, och kan även kombineras med röntgendiffraktometrar eller elektronenergispektrometrar för att bilda elektroner. Mikrosonder för analys av materialsammansättning; Emissionselektronmikroskopi för studie av självemitterande elektronytor.
Projektionselektronmikroskopet är uppkallat efter att elektronstrålen penetrerar provet och sedan använder elektronlinsen för att avbilda och förstora. Dess optiska väg liknar den för ett optiskt mikroskop. I detta elektronmikroskop skapas kontrasten mellan bilddetaljer genom spridningen av elektronstrålen av atomerna i provet. Tunnare eller mindre täta delar av provet sprider elektronstrålen mindre, så att fler elektroner passerar genom objektivets öppning, 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.
Överdelen av transmissionselektronmikroskopröret är elektronkanonen, elektronerna emitteras av volframfilamentets heta katod, passerar genom lasern och de andra två kondensorlinserna fokuserar elektronstrålen. 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 fotografiska torra plattan.
Den mellanliggande spegeln justerar huvudsakligen excitationsströmmen, och förstoringen kan kontinuerligt ändras från tiotals gånger till hundratusentals gånger; genom att ändra mellanspegelns brännvidd kan elektronmikroskopbilder och elektrondiffraktionsbilder erhållas på små delar av samma prov. . För att studera tjockare metallskivor har det franska Dulos Electron Optics Laboratory utvecklat ett ultrahögspänningselektronmikroskop med en accelererande spänning på 3500 kV. Svepelektronmikroskop strukturschematisk
Elektronstrålen i ett svepelektronmikroskop passerar inte genom provet, utan skannar bara av provets yta för att excitera sekundära elektroner. En scintillationskristall placerad bredvid provet tar emot dessa sekundära elektroner och modulerar intensiteten av elektronstrålen i bildröret efter förstärkning, och ändrar därigenom ljusstyrkan på bildrörets skärm. Bildrörets avböjningsok fortsätter att skanna synkront med elektronstrålen på provytan, så att bildrörets fluorescerande skärm visar den topografiska bilden av provytan, vilket liknar arbetsprincipen för industriell television.
Upplösningen för ett svepelektronmikroskop bestäms huvudsakligen av diametern på elektronstrålen på provets yta. Förstoringen är förhållandet mellan scanningsamplituden på bildröret och scanningsamplituden på provet, som kontinuerligt kan ändras från tiotals gånger till hundratusentals gånger. Svepelektronmikroskop kräver inte mycket tunna prover; bilden har en stark tredimensionell effekt; den kan analysera materiens sammansättning med hjälp av information som sekundära elektroner, absorberade elektroner och röntgenstrålar som genereras av elektronstrålars interaktion med materia.
Elektronkanonen och kondensorn i svepelektronmikroskopet är ungefär desamma som i transmissionselektronmikroskopet, men för att göra elektronstrålen tunnare läggs en objektivlins och en astigmatist till under kondensorn och två uppsättningar svepelektroner. som är vinkelräta mot varandra installeras inuti objektivlinsen. spole. Provkammaren under objektivlinsen rymmer provbordet som kan flyttas, roteras och lutas.
