Преимущества электронной микроскопии по сравнению со световой микроскопией
Электронный микроскоп, оптический микроскоп, принцип визуализации, сходства и различия
Электронный микроскоп — это прибор, который заменяет световой луч и оптическую линзу электронным лучом и электронной линзой в соответствии с принципом электронной оптики, так что тонкую структуру вещества можно отобразить при очень большом увеличении.
Разрешающая способность электронного микроскопа выражается малым расстоянием между двумя соседними точками, которое он может разрешить. В 1970-х годах просвечивавшие электронные микроскопы имели разрешение около 0,3 нанометра (человеческий глаз имеет разрешающую способность около 0,1 миллиметра). Теперь максимальное увеличение электронного микроскопа составляет более 3 миллионов раз, а максимальное увеличение оптического микроскопа составляет около 2000 раз, поэтому атомы некоторых тяжелых металлов и аккуратно расположенную атомную решетку в кристаллах можно непосредственно наблюдать через электронный микроскоп.
В 1931 году Кнорр-Бремзе и Руска в Германии модифицировали высоковольтный осциллограф с разрядным источником электронов с холодным катодом и тремя электронными линзами и получили увеличенное изображение более чем в десять раз, что подтвердило возможность увеличения изображения с помощью электронного микроскопа. . . В 1932 году, после усовершенствования Руска, разрешающая способность электронного микроскопа достигла 50 нанометров, что примерно в десять раз превышало разрешающую способность оптического микроскопа того времени, поэтому электронный микроскоп начал привлекать внимание людей.
В 1940-х годах Хилл в США компенсировал вращательную асимметрию электронной линзы астигматиком, что совершило новый прорыв в разрешающей способности электронного микроскопа и постепенно достигло современного уровня. В Китае в 1958 г. был успешно разработан просвечивающий электронный микроскоп с разрешением 3 нм, а в 1979 г. был изготовлен крупногабаритный электронный микроскоп с разрешением 0,3 нм.
Хотя разрешающая способность электронных микроскопов намного лучше, чем у оптических микроскопов, наблюдать за живыми организмами сложно, поскольку электронные микроскопы должны работать в условиях вакуума, а облучение электронными лучами также вызывает радиационное повреждение биологических образцов. Другие вопросы, такие как улучшение яркости электронной пушки и качество электронной линзы, также нуждаются в дальнейшем изучении.
Разрешающая способность является важным показателем электронного микроскопа, который связан с углом падения конуса и длиной волны электронного луча, проходящего через образец. Длина волны видимого света составляет от 300 до 700 нанометров, а длина волны электронного луча связана с ускоряющим напряжением. При ускоряющем напряжении 50-100 кВ длина волны электронного пучка составляет около 0,0053-0,0037 нм. Поскольку длина волны электронного луча намного меньше, чем длина волны видимого света, даже если угол конусности электронного луча составляет всего 1 процент от угла конусности оптического микроскопа, разрешающая способность электронного микроскопа все же намного превосходит разрешающую способность электронного микроскопа. оптического микроскопа.
Электронный микроскоп состоит из трех частей: тубуса объектива, вакуумной системы и блока питания. Тубус объектива в основном включает электронную пушку, электронную линзу, держатель образца, флуоресцентный экран и механизм камеры, которые обычно собираются в цилиндр сверху вниз; вакуумная система состоит из механического вакуумного насоса, диффузионного насоса, вакуумного клапана и т. д. Газопровод соединяется с оправой объектива; шкаф электропитания состоит из высоковольтного генератора, стабилизатора тока возбуждения и различных блоков регулировки и управления.
Электронная линза является важной частью тубуса электронного микроскопа. Он использует пространственное электрическое поле или магнитное поле, симметричное оси ствола, чтобы искривить траекторию электрона к оси, чтобы сформировать фокус. Его функция аналогична функции стеклянной выпуклой линзы для фокусировки луча, поэтому она называется электронной линзой. . В большинстве современных электронных микроскопов используются электромагнитные линзы, которые фокусируют электроны сильным магнитным полем, создаваемым очень стабильным постоянным током возбуждения через катушку с полюсным башмаком.
Электронная пушка представляет собой компонент, состоящий из горячего катода с вольфрамовой нитью, сетки и катода. Он может излучать и формировать электронный пучок с постоянной скоростью, поэтому стабильность ускоряющего напряжения составляет не менее 1/10,000.
Электронные микроскопы можно разделить на просвечивающие электронные микроскопы, сканирующие электронные микроскопы, отражательные электронные микроскопы и эмиссионные электронные микроскопы в соответствии с их структурой и назначением. Трансмиссионные электронные микроскопы часто используются для наблюдения за тонкими структурами материалов, которые невозможно различить с помощью обычных микроскопов; сканирующие электронные микроскопы в основном используются для наблюдения за морфологией твердых поверхностей, а также могут быть объединены с рентгеновскими дифрактометрами или спектрометрами энергии электронов для формирования электронов. Микрозонды для анализа состава материалов; Эмиссионная электронная микроскопия для изучения самоизлучающих электронных поверхностей.
Проекционный электронный микроскоп назван в честь того, что электронный луч проникает в образец, а затем использует электронную линзу для изображения и увеличения. Его оптический путь аналогичен пути оптического микроскопа. В этом электронном микроскопе контрастность деталей изображения создается за счет рассеяния электронного луча на атомах образца. В более тонких или менее плотных частях образца электронный пучок рассеивается меньше, поэтому больше электронов проходит через апертуру объектива, участвует в построении изображения и выглядит на изображении ярче. И наоборот, более толстые или плотные участки образца выглядят на изображении темнее. Если образец слишком толстый или слишком плотный, контрастность изображения ухудшится или даже будет повреждена или разрушена из-за поглощения энергии электронного луча.
Верхняя часть трубки трансмиссионного электронного микроскопа представляет собой электронную пушку, электроны испускаются горячим катодом с вольфрамовой нитью, проходят через лазер, а вторые две линзы конденсора фокусируют электронный пучок. Пройдя через образец, электронный пучок отображается на промежуточном зеркале с помощью объектива, затем шаг за шагом увеличивается через промежуточное зеркало и проекционное зеркало, а затем отображается на флуоресцентном экране или фотопластинке.
Промежуточное зеркало в основном регулирует ток возбуждения, а увеличение может непрерывно изменяться от десятков до сотен тысяч раз; изменяя фокусное расстояние промежуточного зеркала, можно получать электронно-микроскопические изображения и изображения дифракции электронов на крошечных частях одного и того же образца. . Для исследования более толстых металлических срезов французская лаборатория электронной оптики Dulos разработала сверхвысоковольтный электронный микроскоп с ускоряющим напряжением 3500 кВ. Схема структуры сканирующего электронного микроскопа
Электронный луч сканирующего электронного микроскопа не проходит через образец, а только сканирует поверхность образца, возбуждая вторичные электроны. Сцинтилляционный кристалл, помещенный рядом с образцом, принимает эти вторичные электроны и модулирует интенсивность электронного пучка кинескопа после усиления, тем самым изменяя яркость на экране кинескопа. Отклоняющее коромысло кинескопа продолжает сканировать синхронно с электронным лучом на поверхности образца, так что флуоресцентный экран кинескопа отображает топографическое изображение поверхности образца, что аналогично принципу работы промышленного телевидения.
Разрешение сканирующего электронного микроскопа в основном определяется диаметром электронного луча на поверхности образца. Увеличение — это отношение амплитуды сканирования на кинескопе к амплитуде сканирования на образце, которое может непрерывно изменяться от десятков до сотен тысяч раз. Сканирующий электронный микроскоп не требует очень тонких образцов; изображение обладает сильным трехмерным эффектом; он может анализировать состав вещества, используя такую информацию, как вторичные электроны, поглощенные электроны и рентгеновские лучи, генерируемые взаимодействием электронных лучей с веществом.
Электронная пушка и конденсор сканирующего электронного микроскопа примерно такие же, как у трансмиссионного электронного микроскопа, но для того, чтобы сделать электронный пучок тоньше, под конденсором добавляются объектив и астигматик, а также два набора сканирующих электронов. которые перпендикулярны друг другу, установлены внутри объектива. катушка. В камере для образцов под объективом находится столик для образцов, который можно перемещать, поворачивать и наклонять.
