Преимущества электронной и оптической микроскопии
Субмикроскоп — это инструмент, который использует электронные лучи и линзы вместо световых лучей и оптических линз, основанный на принципах электронной оптики, для изображения тонких структур материи при очень большом увеличении.
Разрешение электронного микроскопа определяется небольшим расстоянием между двумя соседними точками, которые он может различить. В 1970 с разрешение просвечивающей электронной микроскопии составляло около 0,3 нанометра (разрешение человеческого глаза составляло около 0,1 миллиметра). В настоящее время электронные микроскопы имеют увеличение более 3 миллионов раз, а оптические микроскопы — около 2000 раз. Таким образом, электронные микроскопы позволяют непосредственно наблюдать аккуратно расположенную атомную решетку в атомах и кристаллах некоторых тяжелых металлов.
В 1931 году Кнорр и Руска из Германии модифицировали высоковольтный осциллограф с разрядным источником электронов с холодным катодом и тремя электронными линзами и получили изображения, увеличенные более чем в десять раз, подтвердив возможность получения изображений с увеличением электронного микроскопа. В 1932 году, с усовершенствованием Руски, разрешение электронных микроскопов достигло 50 нанометров, что примерно в десять раз превышало разрешение оптических микроскопов того времени. В результате электронные микроскопы начали привлекать внимание.
В 1940х Хилл в США компенсировал вращательную асимметрию электронных линз с помощью астигматизатора, что привело к новому прорыву в разрешающей способности электронных микроскопов и постепенно достигло современного уровня. В Китае в 1958 г. был успешно разработан трансмиссионный электронный микроскоп с разрешением 3 нанометра. В 1979 г. был разработан также большой электронный микроскоп с разрешением 0,3 нанометра.
Хотя разрешающая способность электронных микроскопов намного превосходит разрешающую способность оптических микроскопов, в них трудно наблюдать живые организмы из-за необходимости работать в условиях вакуума, а облучение электронным лучом также может вызвать радиационное повреждение биологических образцов. Другие вопросы, такие как улучшение яркости электронной пушки и качества электронных линз, также требуют дальнейших исследований.
Разрешение является важным показателем электронной микроскопии, которое связано с углом падающего конуса и длиной волны электронного луча, проходящего через образец. Длина волны видимого света составляет около {{0}} нанометров, а длина волны электронного луча связана с ускоряющим напряжением. Когда ускоряющее напряжение составляет 50-100 кВ, длина волны электронного луча составляет около 0,0053-0,0037 нанометров. Благодаря тому, что длина волны электронного луча намного меньше, чем у видимого света, даже если угол конуса электронного луча составляет всего 1% от угла оптического микроскопа, разрешающая способность электронного микроскопа все равно намного лучше. чем у оптического микроскопа.
Электронный микроскоп состоит из трех частей: трубки, вакуумной системы и силового шкафа. Цилиндр зеркала в основном состоит из таких компонентов, как электронная пушка, электронная линза, держатель образца, флуоресцентный экран и фотомеханизм, которые обычно собираются в цилиндр сверху вниз; Вакуумная система состоит из механического вакуумного насоса, диффузионного насоса и вакуумного клапана, которые соединены с зеркальной трубкой через отводящий трубопровод; Силовой шкаф состоит из высоковольтного генератора, стабилизатора тока возбуждения и различных блоков регулирования и управления.
Дополнительная линза — важный компонент тубуса электронного микроскопа. Он использует пространственное электрическое или магнитное поле, симметричное оси трубки, для изгиба траектории электрона к оси, образуя фокус. Ее функция аналогична функции стеклянной выпуклой линзы для фокусировки светового луча, поэтому ее называют электронной линзой. В большинстве современных электронных микроскопов используются электромагнитные линзы, которые фокусируют электроны с помощью сильного магнитного поля, создаваемого стабильным постоянным током возбуждения, проходящим через катушку с полюсными башмаками.
Электронная пушка представляет собой компонент, состоящий из горячего катода из вольфрамовой проволоки, затвора и катода. Он может излучать и формировать электронные пучки с одинаковой скоростью, поэтому стабильность ускоряющего напряжения должна быть не менее одной тысячной.
