Jak elektronový mikroskop zvětšuje předměty
Elektronový mikroskop je přístroj, který využívá elektronové paprsky a elektronové čočky místo světelných paprsků a optických čoček k zobrazení jemných struktur látek při velmi velkém zvětšení na principu elektronové optiky.
Rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu je reprezentována minimální vzdáleností mezi dvěma sousedními body, kterou dokáže rozlišit. V 1970 letech měly transmisní elektronové mikroskopy rozlišení asi 0,3 nanometrů (rozlišovací schopnost lidského oka je asi 0,1 milimetru). Nyní maximální zvětšení elektronového mikroskopu přesahuje 3 milionkrát, zatímco maximální zvětšení optického mikroskopu je asi 2000krát, takže atomy některých těžkých kovů a úhledně uspořádané atomové mřížky v krystalu lze přímo pozorovat elektronovým mikroskopem. .
V roce 1931 Knorr-Bremse a Ruska z Německa přeinstalovali vysokonapěťový osciloskop se zdrojem elektronů se studenou katodou a třemi elektronovými čočkami a získali obraz zvětšený více než desetkrát, což potvrdilo možnost zobrazení zvětšeného elektronovým mikroskopem. V roce 1932, po Ruskově vylepšení, dosáhla rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu 50 nanometrů, tedy asi desetinásobku rozlišovací schopnosti optického mikroskopu v té době, takže se elektronový mikroskop začal dostávat do povědomí lidí.
Ve 1940 letech použil Hill ve Spojených státech astigmatizér ke kompenzaci rotační asymetrie elektronové čočky, což znamenalo nový průlom v rozlišovací schopnosti elektronového mikroskopu a postupně dosáhlo moderní úrovně. V Číně byl v roce 1958 úspěšně vyvinut transmisní elektronový mikroskop s rozlišením 3 nanometry a v roce 1979 byl vyroben velký elektronový mikroskop s rozlišením 0,3 nanometru.
Přestože rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu je mnohem lepší než rozlišovací schopnost optického mikroskopu, je obtížné pozorovat živé organismy, protože elektronový mikroskop musí pracovat ve vakuu a ozařování elektronového paprsku také způsobí, že biologické vzorky být poškozen radiací. Další otázky, jako je zlepšení jasu elektronového děla a kvalita elektronové čočky, je také třeba dále studovat.
Rozlišovací schopnost je důležitým indikátorem elektronové mikroskopie, který souvisí s úhlem dopadajícího kužele a vlnovou délkou elektronového paprsku procházejícího vzorkem. Vlnová délka viditelného světla je asi {{0}} nanometrů, zatímco vlnová délka elektronových paprsků souvisí s urychlujícím napětím. Když je urychlovací napětí 50-100 kV, je vlnová délka elektronového paprsku asi 0.0053-0,0037 nanometrů. Protože vlnová délka elektronového paprsku je mnohem menší než vlnová délka viditelného světla, i když je úhel kužele elektronového paprsku pouze 1 procento úhlu optického mikroskopu, rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu je stále mnohem lepší než optického mikroskopu.
Elektronový mikroskop se skládá ze tří částí: tubusu čočky, vakuového systému a napájecí skříně. Tubus objektivu obsahuje především elektronové děla, elektronové čočky, držáky vzorků, fluorescenční stínítka a mechanismy fotoaparátu. Tyto součásti jsou obvykle sestaveny do sloupce shora dolů; vakuový systém se skládá z mechanických vývěv, difuzních vývěv a vakuových ventilů. Plynové potrubí je spojeno s tubusem objektivu; napájecí skříň se skládá z vysokonapěťového generátoru, stabilizátoru budícího proudu a různých nastavovacích řídicích jednotek.
Elektronová čočka je nejdůležitější částí tubusu čočky elektronového mikroskopu. Využívá prostorové elektrické pole nebo magnetické pole symetrické k ose tubusu čočky k ohnutí dráhy elektronů k ose za účelem vytvoření ohniska. Jeho funkce je podobná jako u skleněné konvexní čočky pro zaostření paprsku, proto se nazývá elektron. objektiv. Většina moderních elektronových mikroskopů používá elektromagnetické čočky, které zaostřují elektrony prostřednictvím silného magnetického pole generovaného velmi stabilním stejnosměrným budicím proudem procházejícím cívkou s pólovými nástavci.
Elektronová tryska je součást skládající se z žhavé katody s wolframovým vláknem, mřížky a katody. Může emitovat a tvořit elektronový paprsek s rovnoměrnou rychlostí, takže je potřeba, aby stabilita urychlovacího napětí nebyla menší než jedna desetitisícina.
Elektronové mikroskopy lze podle struktury a použití rozdělit na transmisní elektronové mikroskopy, rastrovací elektronové mikroskopy, odrazové elektronové mikroskopy a emisní elektronové mikroskopy. Transmisní elektronové mikroskopy se často používají k pozorování jemných struktur materiálu, které nelze rozlišit běžnými mikroskopy; rastrovací elektronové mikroskopy se používají hlavně k pozorování morfologie pevných povrchů a lze je také kombinovat s rentgenovými difraktometry nebo elektronovými energetickými spektrometry za účelem vytvoření elektronických mikrosond pro analýzu složení materiálu; emisní elektronová mikroskopie pro studium povrchů samoemitujících elektronů.
Transmisní elektronový mikroskop je pojmenován podle toho, že elektronový paprsek proniká vzorkem a poté zvětšuje obraz pomocí elektronové čočky. Jeho optická dráha je podobná jako u optického mikroskopu. U tohoto typu elektronového mikroskopu je kontrast v detailu obrazu vytvářen rozptylem elektronového paprsku atomy vzorku. Tenčí část vzorku nebo část vzorku s nižší hustotou má menší rozptyl elektronového paprsku, takže přes clonu objektivu projde více elektronů a účastní se zobrazování a na obrázku se jeví jako jasnější. Naopak tlustší nebo hustší části vzorku vypadají na obrázku tmavší. Pokud je vzorek příliš tlustý nebo příliš hustý, kontrast obrazu se zhorší, nebo se dokonce poškodí nebo zničí absorbcí energie elektronového paprsku.
Horní část tubusu čočky transmisního elektronového mikroskopu je elektronová pistole. Elektrony jsou emitovány wolframovou žhavou katodou a elektronové paprsky jsou fokusovány prvním a druhým kondenzátorem. Po průchodu vzorkem se elektronový paprsek zobrazí na mezilehlém zrcadle čočkou objektivu a poté se krok za krokem zvětší přes mezilehlé zrcadlo a projekční zrcadlo a poté se zobrazí na fluorescenčním stínítku nebo fotokoherentní desce.
Zvětšení středního zrcadla lze plynule měnit od desítek až po statisíce krát především úpravou budícího proudu; změnou ohniskové vzdálenosti mezilehlého zrcadla lze získat elektronové mikroskopické obrazy a elektronové difrakční obrazy na malých částech stejného vzorku. Za účelem studia silnějších vzorků kovových plátků vyvinula francouzská laboratoř Dulos Electron Optics Laboratory ultravysokonapěťový elektronový mikroskop s urychlovacím napětím 3500 kV. Schematické schéma struktury rastrovacího elektronového mikroskopu
Elektronový paprsek rastrovacího elektronového mikroskopu neprochází vzorkem, ale pouze snímá a excituje sekundární elektrony na povrchu vzorku. Scintilační krystal umístěný vedle vzorku přijímá tyto sekundární elektrony, zesiluje a moduluje intenzitu elektronového paprsku obrazovky, čímž mění jas na obrazovce obrazovky. Vychylovací cívka obrazovky udržuje synchronní skenování s elektronovým paprskem na povrchu vzorku, takže fluorescenční stínítko obrazovky zobrazuje topografický obraz povrchu vzorku, který je podobný principu činnosti průmyslové televize. .
Rozlišení rastrovacího elektronového mikroskopu je určeno především průměrem elektronového paprsku na povrchu vzorku. Zvětšení je poměr amplitudy skenování na obrazovce k amplitudě skenování na vzorku, který lze plynule měnit od desítek po stovky tisíckrát. Rastrovací elektronová mikroskopie nevyžaduje velmi tenké vzorky; obraz má silný trojrozměrný efekt; může používat informace, jako jsou sekundární elektrony, absorbované elektrony a rentgenové záření generované interakcí mezi elektronovými paprsky a látkami, k analýze složení látek.
Elektronové dělo a kondenzorová čočka rastrovacího elektronového mikroskopu jsou zhruba stejné jako u transmisního elektronového mikroskopu, ale aby byl elektronový paprsek tenčí, je pod kondenzorovou čočku přidána čočka objektivu a astigmatizér a dvě sady uvnitř čočky objektivu jsou instalovány vzájemně kolmé skenovací paprsky. cívka. Vzorková komora pod čočkou objektivu je vybavena vzorkovým stolkem, který se může pohybovat, otáčet a naklánět.
