Optický princip a rozsah použití elektronového mikroskopu
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 1970s bylo rozlišení transmisního elektronového mikroskopu asi 0,3 nanometrů (rozlišení lidského oka je asi 0,1 mm). Nyní maximální zvětšení elektronového mikroskopu přesahuje 3 milionykrát a 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, což bylo asi desetinásobek rozlišení 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 nanometrů. Přestože rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu je daleko lepší než u optického mikroskopu je obtížné pozorovat živé organismy, protože elektronový mikroskop musí pracovat ve vakuu a ozáření elektronovým paprskem také způsobí poškození biologických vzorků zářením. Další otázky, jako je zlepšení jasu elektronového děla a kvalita elektronové čočky, je ještě třeba studovat. Rozlišovací schopnost je důležitým ukazatelem elektronového mikroskopu, který souvisí s úhlem dopadajícího kužele a vlnovou délkou elektronového paprsku procházejícího vzorkem. Vlnová délka viditelného světla je asi 300-700 nanometrů, zatímco vlnová délka elektronového paprsku souvisí s urychlujícím napětím. Když je urychlovací napětí 50-100 kV, vlnová délka elektronového paprsku je 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, difúzních 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 součástí tubusu elektronového mikroskopu. Využívá prostorové elektrické pole nebo magnetické pole symetrické k ose tubusu čočky k ohnutí trajektorie elektronů k ose k vytvoření ohniska a jeho funkce je podobná jako u skleněné konvexní čočky k zaostření paprsku, takže je nazývaná elektronická čočka. 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 se skládá z wolframové žhavé katody, mřížky a katody.
kousky. Může emitovat a tvořit elektronové paprsky s rovnoměrnou rychlostí, takže stabilita urychlovacího napětí musí být minimálně jedna desetitisícina.
Elektronové mikroskopy lze podle struktury a použití rozdělit na transmisní elektronové mikroskopy.
Mikroskopy, rastrovací elektronové mikroskopy a emisní elektronové mikroskopy atd. Transmisní elektronové mikroskopy se často používají k pozorování jemných struktur materiálů, 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. Části vzorku, které jsou tenčí nebo méně husté, jsou méně rozptýleny elektronovým paprskem, takže přes clonu objektivu projde více elektronů, aby se účastnily zobrazování a vypadaly na snímku jasnější. Naopak tlustší nebo hustší části vzorku se na obrázku jeví tmavší. Pokud je vzorek příliš tlustý nebo příliš hustý, kontrast obrazu se zhorší, nebo se dokonce poškodí nebo zničí absorbcí energie elektronového paprsku.
Vršek tubusu čočky transmisního elektronového mikroskopu je elektronové dělo a elektrony jsou emitovány wolframovou žhavou katodou a elektronový paprsek je zaostřen první a druhou kondenzorovou čočkou. Po průchodu vzorkem se elektronový paprsek zobrazí na mezilehlém zrcadle čočkou objektivu a poté se krok za krokem zvětší pomocí mezilehlého zrcadla a projekčního zrcadla 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 elektronově mikroskopický obraz na malé části stejného vzorku
a elektronové difrakční obrazy. Aby bylo možné studovat vzorky silnějších kovových plátků, vyvinula laboratoř elektronové optiky v Dulosu ve Francii ultravysokonapěťový elektronový mikroskop s urychlovacím napětím 3500 kV.
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 fluorescenční obrazovce obrazovky. Vychylovací cívka kineskopu udržuje skenování synchronně s elektronovým paprskem na povrchu vzorku, takže fluorescenční stínítko kineskopu zobrazuje topografický obraz povrchu vzorku, což je podobné principu činnosti průmyslové televize.
Rozlišení rastrovacího elektronového mikroskopu je primárně určeno 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 lze posouvat, otáčet a naklánět.
