Преимущества электронных микроскопов по сравнению со световыми микроскопами
Электронный микроскоп — это прибор, который использует электронные лучи и электронные линзы вместо световых лучей и оптических линз для изображения тонких структур веществ при очень большом увеличении на основе принципа электронной оптики.
Разрешающая способность электронного микроскопа определяется малым расстоянием между двумя соседними точками, которое он может разрешить. В 1970-х годах просвечивающие электронные микроскопы имели разрешение около 0,3 нанометра (разрешающая способность человеческого глаза составляет около 0,1 миллиметра). Теперь максимальное увеличение электронного микроскопа превышает 3 миллиона раз, а максимальное увеличение оптического микроскопа составляет около 2000 раз, поэтому атомы некоторых тяжелых металлов и аккуратно расположенные атомные решетки в кристалле можно непосредственно наблюдать через электронный микроскоп. .
В 1931 году Кнорр-Бремзе и Руска из Германии переоборудовали высоковольтный осциллограф с источником электронов разряда с холодным катодом и тремя электронными линзами и получили изображение, увеличенное более чем в десять раз, что подтвердило возможность получения изображения с увеличением 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 годах Хилл в США применил астигматизатор для компенсации вращательной асимметрии электронной линзы, 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 большой электронный микроскоп с разрешением 0,3 нм.
Хотя разрешающая способность электронного микроскопа намного выше, чем у оптического микроскопа, наблюдать за живыми организмами сложно, поскольку электронный микроскоп должен 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 около {{0}} нанометров, а длина волны электронного пучка 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 длины волны видимого света, даже если угол конусности электронного луча составляет всего 1 процент от угла конусности оптического микроскопа, разрешающая способность электронного микроскопа все равно намного превосходит разрешающую способность электронного микроскопа. оптического 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 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 она называется электронной линзой. . 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 состоит из вольфрамового горячего катода, 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 соответствии с их структурой и назначением. 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.
Проекционный 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 меньшей 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.
В верхней части тубуса объектива трансмиссионного электронного микроскопа находится электронная пушка. Электроны испускаются вольфрамовым горячим катодом и проходят через *, а вторые два конденсатора 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 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. Принципиальная схема структуры сканирующего электронного микроскопа
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. Сканирующий электронный микроскоп не требует очень тонкого образца; изображение обладает сильным трехмерным эффектом; он может использовать такую информацию, как вторичные электроны, поглощенные электроны и рентгеновские лучи, генерируемые взаимодействием между электронным пучком и веществом, для анализа состава вещества.
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.
