Comparația beneficiilor microscopiei electronice și luminoase
Puterea de rezoluție a unui microscop electronic este reprezentată de distanța mică dintre două puncte adiacente pe care le poate rezolva. În anii 1970, microscoapele electronice cu transmisie aveau o rezoluție de aproximativ 0,3 nanometri (puterea de rezoluție a ochiului uman este de aproximativ 0,1 milimetri). Acum, mărirea maximă a microscopului electronic depășește de 3 milioane de ori, în timp ce mărirea maximă a microscopului optic este de aproximativ 2000 de ori, astfel încât atomii unor metale grele și rețelele atomice ordonate din cristal pot fi observați direct prin microscopul electronic. .
În 1931, Knorr-Bremse și Ruska din Germania au reinstalat un osciloscop de înaltă tensiune cu o sursă de electroni cu descărcare catod rece și trei lentile de electroni și au obținut o imagine mărită de mai mult de zece ori, ceea ce a confirmat posibilitatea imagisticii mărite la microscopul electronic. În 1932, după îmbunătățirea lui Ruska, puterea de rezoluție a microscopului electronic a ajuns la 50 de nanometri, de aproximativ zece ori puterea de rezoluție a microscopului optic la acea vreme, astfel încât microscopul electronic a început să primească atenția oamenilor.
În anii 1940, Hill din Statele Unite a folosit un astigmatizator pentru a compensa asimetria de rotație a lentilei electronice, ceea ce a făcut o nouă descoperire în puterea de rezoluție a microscopului electronic și a ajuns treptat la nivelul modern. În China, un microscop electronic cu transmisie a fost dezvoltat cu succes în 1958, cu o rezoluție de 3 nanometri, iar în 1979 a fost fabricat un microscop electronic mare cu o rezoluție de 0,3 nanometri.
Deși puterea de rezoluție a microscopului electronic este mult mai bună decât cea a microscopului optic, este dificil de observat organismele vii, deoarece microscopul electronic trebuie să funcționeze în condiții de vid, iar iradierea fasciculului de electroni va determina, de asemenea, probele biologice să fi deteriorat de radiații. Alte probleme, cum ar fi îmbunătățirea luminozității tunului cu electroni și calitatea lentilei cu electroni, trebuie, de asemenea, studiate în continuare.
Puterea de rezoluție este un indicator important al microscopiei electronice, care este legat de unghiul conului incident și de lungimea de undă a fasciculului de electroni care trece prin eșantion. Lungimea de undă a luminii vizibile este de aproximativ {{0}} nanometri, în timp ce lungimea de undă a fasciculelor de electroni este legată de tensiunea de accelerare. Când tensiunea de accelerare este de 50-100 kV, lungimea de undă a fasciculului de electroni este de aproximativ 0,0053-0,0037 nanometri. Deoarece lungimea de undă a fasciculului de electroni este mult mai mică decât lungimea de undă a luminii vizibile, chiar dacă unghiul conului fasciculului de electroni este de numai 1% din cel al microscopului optic, puterea de rezoluție a microscopului electronic este încă mult superioară celei. a microscopului optic.
Microscopul electronic este format din trei părți: butoiul lentilei, sistemul de vid și dulapul de alimentare. Butoiul obiectivului include în principal pistoale cu electroni, lentile cu electroni, suporturi pentru mostre, ecrane fluorescente și mecanisme de cameră. Aceste componente sunt de obicei asamblate într-o coloană de sus în jos; sistemul de vid este compus din pompe de vid mecanice, pompe de difuzie și supape de vid. Conducta de gaz este conectată cu cilindrul lentilei; dulapul de putere este compus dintr-un generator de înaltă tensiune, un stabilizator de curent de excitație și diverse unități de control de reglare.
Lentila electronică este o parte importantă a lentilei microscopului electronic. Utilizează un câmp electric spațial sau un câmp magnetic simetric față de axa cilindrului lentilei pentru a îndoi pista electronilor spre axă pentru a forma un focar. Funcția sa este similară cu cea a unei lentile convexe din sticlă pentru a focaliza fasciculul, așa că se numește lentilă electronică. . Cele mai multe microscoape electronice moderne folosesc lentile electromagnetice, care focalizează electronii printr-un câmp magnetic puternic generat de un curent de excitație DC foarte stabil care trece printr-o bobină cu pantofi poli.
Tunul de electroni este o componentă formată dintr-un catod fierbinte cu filament de wolfram, o grilă și un catod. Poate emite și forma un fascicul de electroni cu o viteză uniformă, astfel încât stabilitatea tensiunii de accelerare trebuie să fie nu mai mică de o zece miimi.
Microscoapele electronice pot fi împărțite în microscoape electronice cu transmisie, microscoape electronice cu scanare, microscoape electronice cu reflexie și microscoape electronice cu emisie în funcție de structurile și utilizările lor. Microscoapele electronice cu transmisie sunt adesea folosite pentru a observa structurile materiale fine care nu pot fi rezolvate de microscoape obișnuite; microscoapele electronice cu scanare sunt utilizate în principal pentru a observa morfologia suprafețelor solide și pot fi, de asemenea, combinate cu difractometre cu raze X sau spectrometre de energie electronică pentru a forma Microsonde electronice pentru analiza compoziției materialelor; microscopia electronică cu emisie pentru studiul suprafețelor de electroni autoemițători.
Microscopul electronic cu transmisie este numit după ce fasciculul de electroni pătrunde în probă și apoi mărește imaginea cu lentila de electroni. Calea sa optică este similară cu cea a unui microscop optic. În acest tip de microscop electronic, contrastul în detaliile imaginii este creat de împrăștierea fasciculului de electroni de către atomii probei. Partea mai subțire sau cu densitate mai mică a probei are mai puțină împrăștiere a fasciculului de electroni, astfel încât mai mulți electroni trec prin diafragma obiectiv și participă la imagini și apar mai strălucitori în imagine. În schimb, părțile mai groase sau mai dense ale eșantionului apar mai întunecate în imagine. Dacă proba este prea groasă sau prea densă, contrastul imaginii se va deteriora sau chiar va fi deteriorat sau distrus prin absorbția energiei fasciculului de electroni.
cel
Partea superioară a coloanei microscopului electronic de transmisie este tunul de electroni, electronii sunt emiși de catodul fierbinte de tungsten, trec prin primul, iar a doua două oglinzi de condensator concentrează fasciculul de electroni. După trecerea prin eșantion, fasciculul de electroni este imaginat pe oglinda intermediară de către lentila obiectivului, apoi este mărit pas cu pas prin oglinda intermediară și oglinda de proiecție, apoi imaginează pe ecranul fluorescent sau pe placa fotocoerentă.
Mărirea oglinzii intermediare poate fi schimbată continuu de la zeci de ori la sute de mii de ori, în principal prin reglarea curentului de excitație; prin modificarea distanței focale a oglinzii intermediare, imaginile microscopice electronice și imaginile cu difracția electronică pot fi obținute pe părțile minuscule ale aceleiași probe. Pentru a studia mostre de metal mai groase, Laboratorul francez de optică electronică Dulos a dezvoltat un microscop electronic de ultraînaltă tensiune cu o tensiune de accelerare de 3500 kV. Schema schematică a structurii microscopului electronic cu scanare
Fasciculul de electroni al microscopului electronic cu scanare nu trece prin eșantion, ci doar scanează și excită electroni secundari de pe suprafața probei. Cristalul de scintilație plasat lângă probă primește acești electroni secundari, amplifică și modulează intensitatea fasciculului de electroni al tubului de imagine, modificând astfel luminozitatea ecranului tubului de imagine. Bobina de deviere a tubului de imagine păstrează scanarea sincronă cu fasciculul de electroni de pe suprafața probei, astfel încât ecranul fluorescent al tubului de imagine afișează imaginea topografică a suprafeței probei, care este similară cu principiul de funcționare al unui televizor industrial. .
Rezoluția unui microscop electronic cu scanare este determinată în principal de diametrul fasciculului de electroni de pe suprafața probei. Mărirea este raportul dintre amplitudinea de scanare de pe tubul de imagine și amplitudinea de scanare de pe eșantion, care poate fi schimbat continuu de la zeci de ori la sute de mii de ori. Microscopia electronică cu scanare nu necesită mostre foarte subțiri; imaginea are un efect tridimensional puternic; poate folosi informații precum electroni secundari, electroni absorbiți și razele X generate de interacțiunea dintre fasciculele de electroni și substanțe pentru a analiza compoziția substanțelor.
Tunul de electroni și lentila condensatorului microscopului electronic cu scanare sunt aproximativ aceleași cu cele ale microscopului electronic cu transmisie, dar pentru a face fasciculul de electroni mai subțire, se adaugă o lentilă obiectiv și un astigmatizator sub lentila condensatorului și două seturi de în interiorul lentilei obiectivului sunt instalate fascicule de scanare reciproc perpendiculare. bobina. Camera de probă de sub obiectivul este echipată cu o etapă de probă care se poate mișca, roti și înclina.
