Výhody elektronové mikroskopie vs. světelná mikroskopie
Elektronový mikroskop optický mikroskop princip zobrazování podobnosti a rozdíly
Elektronový mikroskop je přístroj, který na principu elektronové optiky nahrazuje světelný paprsek a optickou čočku elektronovým paprskem a elektronovou čočkou, takže jemnou strukturu hmoty lze zobrazit při velmi velkém zvětšení.
Rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu je vyjádřena malou vzdáleností mezi dvěma sousedními body, kterou dokáže rozlišit. V 1970 letech měly transmisní elektronové mikroskopy rozlišení asi 0,3 nanometrů (lidské oko má rozlišovací schopnost asi 0,1 milimetru). Nyní je maximální zvětšení elektronového mikroskopu více než 3 milionkrát a maximální zvětšení optického mikroskopu je asi 2000krát, takže atomy určitých těžkých kovů a úhledně uspořádanou atomovou mřížku v krystalech lze přímo pozorovat elektronovým mikroskopem.
V roce 1931 upravili Knorr-Bremse a Ruska v Německu vysokonapěťový osciloskop s výbojovým zdrojem elektronů se studenou katodou a třemi elektronovými čočkami a získali více než desetkrát zvětšený obraz, který potvrdil možnost zvětšování zobrazení elektronovým mikroskopem. . . V roce 1932, po Ruskově vylepšení, dosáhla rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu 50 nanometrů, což byl asi desetinásobek rozlišovací schopnosti optického mikroskopu v té době, takže elektronový mikroskop začal přitahovat pozornost lidí.
Ve 1940 letech 20. století Hill ve Spojených státech kompenzoval rotační asymetrii elektronové čočky astigmatismem, 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 velkorozměrový elektronový mikroskop s rozlišením 0,3 nanometru.
Přestože je rozlišovací schopnost elektronových mikroskopů daleko lepší než optických mikroskopů, je obtížné pozorovat živé organismy, protože elektronové mikroskopy musí pracovat ve vakuu a ozařování elektronových paprsků také způsobí radiační poškození biologických vzorků. Další otázky, jako je zlepšení jasu elektronového děla a kvalita elektronové čočky, je také třeba dále 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 až 700 nanometrů, přičemž vlnová délka elektronového paprsku souvisí s urychlujícím napětím. Když je urychlovací napětí 50-100 kV, je vlnová délka elektronového paprsku asi 0.0053-0,0037 nm. 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, je rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu stále mnohem lepší než optického mikroskopu.
Elektronový mikroskop se skládá ze tří částí: čočkového tubusu, vakuového systému a napájecí skříně. Tubus objektivu obsahuje především elektronovou pistoli, elektronovou čočku, držák vzorku, fluorescenční stínítko a mechanismus fotoaparátu, které jsou obvykle sestaveny do válce shora dolů; vakuový systém se skládá z mechanické vývěvy, difuzní vývěvy a vakuového ventilu atd. Plynové potrubí je spojeno s tubusem čočky; napájecí skříň se skládá z vysokonapěťového generátoru, stabilizátoru budícího proudu a různých nastavovacích a řídicích jednotek.
Elektronová čočka je důležitou součástí tubusu elektronového mikroskopu. Využívá prostorové elektrické pole nebo magnetické pole symetrické k ose hlavně k ohnutí trajektorie elektronu k ose pro vytvoření ohniska. Jeho funkce je podobná jako u skleněné konvexní čočky pro zaostření paprsku, proto se nazývá elektronová čočka. . Většina moderních elektronových mikroskopů používá elektromagnetické čočky, které zaostřují elektrony silným magnetickým polem generovaným velmi stabilním stejnosměrným budicím proudem cívkou s pólovou patkou.
Elektronová tryska je součást skládající se z horké katody s wolframovým vláknem, mřížky a katody. Může emitovat a tvořit elektronový paprsek s rovnoměrnou rychlostí, takže stabilita urychlovacího napětí není menší než 1/10,000.
Elektronové mikroskopy lze podle konstrukce 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 těch 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 vzniku elektronů. Mikrosondy pro analýzu složení materiálu; Emisní elektronová mikroskopie pro studium povrchů samoemitujících elektronů.
Projekční elektronový mikroskop je pojmenován podle toho, jak elektronový paprsek proniká vzorkem a poté využívá elektronovou čočku k zobrazení a zvětšení. Jeho optická dráha je podobná jako u optického mikroskopu. V tomto elektronovém mikroskopu vzniká kontrast detailů obrazu rozptylem elektronového paprsku atomy vzorku. Tenčí nebo méně husté části vzorku se elektronový paprsek rozptyluje méně, takže otvorem objektivu projde více elektronů, účastní se zobrazování a na snímku se jeví jako 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 dokonce poškodí nebo zničí absorbcí energie elektronového paprsku.
Vršek tubusu transmisního elektronového mikroskopu je elektronové dělo, elektrony jsou emitovány žhavou katodou s wolframovým vláknem, procházejí laserem a druhé dvě kondenzátorové čočky zaostřují elektronový paprsek. 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 fluorescenční obrazovce nebo fotografické suché desce.
Mezilehlé zrcadlo upravuje především budicí proud a zvětšení lze plynule měnit od desítek až po stovky tisíckrát; změnou ohniskové vzdálenosti mezilehlého zrcadla lze získat obrazy elektronového mikroskopu a obrazy elektronové difrakce na malých částech stejného vzorku. . Za účelem studia silnějších vzorků kovových plátků vyvinula francouzská laboratoř elektronové optiky Dulos elektronový mikroskop ultravysokého napětí s urychlovacím napětím 3500 kV. Schéma struktury rastrovacího elektronového mikroskopu
Elektronový paprsek rastrovacího elektronového mikroskopu neprochází vzorkem, ale pouze skenuje povrch vzorku za účelem excitace sekundárních elektronů. Scintilační krystal umístěný vedle vzorku přijímá tyto sekundární elektrony a moduluje intenzitu elektronového paprsku obrazovky po zesílení, čímž mění jas na obrazovce obrazovky. Vychylovací třmen obrazovky udržuje skenování synchronně s elektronovým paprskem na povrchu vzorku, takže fluorescenční stínítko obrazovky zobrazuje topografický obraz povrchu vzorku, což je podobné principu fungování 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 elektronový mikroskop nevyžaduje velmi tenké vzorky; obraz má silný trojrozměrný efekt; dokáže analyzovat složení hmoty pomocí informací, jako jsou sekundární elektrony, absorbované elektrony a rentgenové záření generované interakcí elektronových paprsků s hmotou.
Elektronové dělo a kondenzátor rastrovacího elektronového mikroskopu jsou zhruba stejné jako u transmisního elektronového mikroskopu, ale aby byl elektronový paprsek tenčí, jsou pod kondenzátor přidány čočky objektivu a astigmatismus a dvě sady rastrovacích elektronů které jsou na sebe kolmé, jsou instalovány uvnitř čočky objektivu. cívka. V komůrce na vzorky pod čočkou objektivu je umístěn stojan na vzorky, který lze posouvat, otáčet a naklánět.
