Состав электронного микроскопа История развития электронного микроскопа
Компоненты электронного микроскопа
Источник электронов: это катод, который испускает свободные электроны, а кольцеобразный анод ускоряет электроны. Разность напряжений между катодом и анодом должна быть очень большой, обычно от нескольких тысяч вольт до трех миллионов вольт.
Электроны: Используется для фокусировки электронов. Как правило, используются магнитные линзы, а иногда также используются электростатические линзы. Функция электронной линзы такая же, как у оптической линзы в оптическом микроскопе. Фокус оптической линзы фиксирован, но фокус электронной линзы можно регулировать, поэтому в электронном микроскопе нет подвижной системы линз, как в оптическом микроскопе.
Вакуумное устройство: Вакуумное устройство используется для обеспечения состояния вакуума внутри микроскопа, чтобы электроны не поглощались и не отклонялись на своем пути.
Держатель образцов: образцы можно стабильно размещать на держателе образцов. Кроме того, часто существуют устройства, которые можно использовать для смены образца (такие как перемещение, вращение, нагрев, охлаждение, удлинение и т. д.).
Детектор: сигнал или вторичный сигнал, используемый для сбора электронов. Проекцию образца можно получить непосредственно с помощью просвечивающего электронного микроскопа (трансмиссионная электронная микроскопия ПЭМ). Электроны проходят через образец в этом микроскопе, поэтому образец должен быть очень тонким. Атомный вес атомов, составляющих образец, напряжение, при котором электроны ускоряются, и желаемое разрешение определяют толщину образца. Толщина образца может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Чем выше атомная масса и ниже напряжение, тем тоньше должен быть образец.
Изменяя систему линз объектива, можно напрямую увеличивать изображение в фокусе объектива. Отсюда можно получить изображения электронной дифракции. Используя это изображение, можно проанализировать кристаллическую структуру образца.
Принцип композиции электронного микроскопа
Электронный микроскоп состоит из трех частей: корпуса объектива, вакуумной системы и блока питания. Корпус объектива в основном включает в себя электронные пушки, электронные линзы, держатели образцов, флуоресцентные экраны и механизмы камеры. Эти компоненты обычно собираются в колонну сверху вниз; вакуумная система состоит из механических вакуумных насосов, диффузионных насосов и вакуумных клапанов. Газопровод соединяется с оправой объектива; силовой шкаф состоит из генератора высокого напряжения, стабилизатора тока возбуждения и различных блоков управления регулировкой.
Электронная линза является наиболее важной частью тубуса объектива электронного микроскопа. Он использует пространственное электрическое поле или магнитное поле, симметричное оси оправы объектива, чтобы согнуть дорожку электрона к оси, чтобы сформировать фокус. Его функция аналогична функции стеклянной выпуклой линзы для фокусировки луча, поэтому он называется электронным. объектив. В большинстве современных электронных микроскопов используются электромагнитные линзы, которые фокусируют электроны с помощью сильного магнитного поля, создаваемого очень стабильным постоянным током возбуждения, проходящим через катушку с полюсными башмаками.
Электронная пушка представляет собой компонент, состоящий из горячего катода с вольфрамовой нитью, сетки и катода. Он может излучать и формировать электронный пучок с равномерной скоростью, поэтому требуется стабильность ускоряющего напряжения не менее одной десятитысячной.
Электронные микроскопы можно разделить на просвечивающие электронные микроскопы, сканирующие электронные микроскопы, отражательные электронные микроскопы и эмиссионные электронные микроскопы в зависимости от их конструкции и использования. Просвечивающие электронные микроскопы часто используются для наблюдения за тонкими структурами материалов, которые не могут быть разрешены обычными микроскопами; сканирующие электронные микроскопы в основном используются для наблюдения за морфологией твердых поверхностей, а также могут быть объединены с рентгеновскими дифрактометрами или электронно-энергетическими спектрометрами для формирования электронных микросфер. Они образуются в результате рассеяния электронного луча атомами образца. Более тонкая часть образца или часть образца с более низкой плотностью имеет меньшее рассеяние электронного пучка, поэтому больше электронов проходит через диафрагму объектива и участвует в формировании изображения, а также 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 тубуса объектива трансмиссионного электронного микроскопа представляет собой электронную пушку. Электроны испускаются вольфрамовым горячим катодом, а электронные пучки фокусируются первым и вторым конденсаторами. 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 фотокогерентной пластине.
Увеличение промежуточного зеркала может плавно изменяться от десятков до сотен тысяч раз в основном за счет регулировки тока возбуждения; 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.
Электронный луч сканирующего электронного микроскопа не проходит через образец, а только сканирует и возбуждает вторичные электроны на поверхности образца. Сцинтилляционный кристалл, расположенный рядом с образцом, принимает эти вторичные электроны, усиливает и модулирует интенсивность электронного пучка кинескопа, тем самым изменяя яркость на экране кинескопа. Отклоняющая катушка кинескопа поддерживает синхронное сканирование с электронным лучом на поверхности образца, так что флуоресцентный экран кинескопа отображает топографическое изображение поверхности образца, что аналогично принципу работы промышленного телевизора. .
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. Сканирующая электронная микроскопия не требует очень тонких образцов; изображение обладает сильным трехмерным эффектом; он может использовать такую информацию, как вторичные электроны, поглощенные электроны и рентгеновские лучи, генерируемые взаимодействием электронных пучков и веществ, для анализа состава веществ.
Электронная пушка и конденсор сканирующего электронного микроскопа примерно такие же, как и в просвечивающем электронном микроскопе, но для того, чтобы сделать электронный пучок тоньше, под конденсором добавляются объектив и астигматизатор, а также два набора внутри объектива установлены взаимно перпендикулярные сканирующие лучи. катушка. Камера для образцов под объективом оснащена предметным столиком, который может перемещаться, вращаться и наклоняться.
Использование электронных микроскопов
Электронные микроскопы можно разделить на просвечивающие электронные микроскопы, сканирующие электронные микроскопы, отражательные электронные микроскопы и эмиссионные электронные микроскопы в зависимости от их конструкции и использования. Просвечивающие электронные микроскопы часто используются для наблюдения за тонкими структурами материалов, которые не могут быть разрешены обычными микроскопами; сканирующие электронные микроскопы в основном используются для наблюдения за морфологией твердых поверхностей, а также могут быть объединены с рентгеновскими дифрактометрами или электронно-энергетическими спектрометрами для формирования электронных микрозондов для анализа состава материалов; эмиссионная электронная микроскопия для изучения самоизлучающих электронных поверхностей.
Просвечивающий электронный микроскоп назван в честь того, что электронный луч проникает в образец, а затем увеличивает изображение с помощью электронной линзы. Его оптический путь аналогичен пути оптического микроскопа. В электронном микроскопе этого типа контраст в деталях изображения создается за счет рассеяния электронного луча атомами образца. Более тонкая часть образца или часть образца с более низкой плотностью имеет меньшее рассеяние электронного пучка, поэтому больше электронов проходит через диафрагму объектива и участвует в формировании изображения, а также 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.
