Az elektronmikroszkóp optikai elve és alkalmazási köre
Az elektronmikroszkóp olyan műszer, amely fénysugarak és optikai lencsék helyett elektronnyalábokat és elektronlencséket használ az anyagok finom szerkezetének felvételére nagyon nagy nagyítással az elektronoptika elve alapján.
Az elektronmikroszkóp felbontóképességét a két szomszédos pont közötti minimális távolság képviseli, amelyet képes felbontani. A 1970s években a transzmissziós elektronmikroszkóp felbontása körülbelül 0,3 nanométer volt (az emberi szem felbontása körülbelül 0,1 mm). Most az elektronmikroszkóp maximális nagyítása meghaladja a 3 milliószorosát, az optikai mikroszkóp maximális nagyítása pedig körülbelül 2000-szeres, így egyes nehézfémek atomjai és a kristályban szépen elrendezett atomrácsok közvetlenül megfigyelhetők az elektronmikroszkópon keresztül. .
1931-ben a német Knorr-Bremse és Ruska átszereltek egy nagyfeszültségű oszcilloszkópot hidegkatódos kisülésű elektronforrással és három elektronlencsével, és több mint tízszeres nagyítású képet kaptak, ami megerősítette az elektronmikroszkópos nagyítású képalkotás lehetőségét. 1932-ben Ruska fejlesztése után az elektronmikroszkóp felbontása elérte az 50 nanométert, ami körülbelül tízszerese volt az akkori optikai mikroszkóp felbontásának, így az elektronmikroszkóp elkezdte felkelteni az emberek figyelmét.
Az 1940-es években az Egyesült Államokban Hill asztigmatizálót használt az elektronlencse forgási aszimmetriájának kompenzálására, amely új áttörést hozott az elektronmikroszkóp felbontóképességében, és fokozatosan elérte a modern szintet. Kínában 1958-ban sikeresen kifejlesztettek egy 3 nanométeres felbontású transzmissziós elektronmikroszkópot, 1979-ben pedig egy 0,3 nanométeres nagyméretű elektronmikroszkópot. Bár az elektronmikroszkóp felbontóképessége kb. sokkal jobb, mint az optikai mikroszkópé, nehéz megfigyelni az élő szervezeteket, mert az elektronmikroszkópnak vákuumkörülmények között kell működnie, és az elektronsugár besugárzása a biológiai minták sugárzás általi károsodását is okozza. Más kérdések, mint például az elektronágyú fényerejének és az elektronlencse minőségének javítása, még tanulmányozásra várnak. A felbontóképesség az elektronmikroszkóp egyik fontos mutatója, amely a mintán áthaladó elektronsugár beeső kúpszögéhez és hullámhosszához kapcsolódik. A látható fény hullámhossza körülbelül 300-700 nanométer, míg az elektronsugár hullámhossza a gyorsító feszültséghez kapcsolódik. Ha a gyorsító feszültség 50-100 kV, akkor az elektronsugár hullámhossza körülbelül 0.0053-0,0037 nanométer. Mivel az elektronnyaláb hullámhossza sokkal kisebb, mint a látható fény hullámhossza, még ha az elektronnyaláb kúpszöge csak 1 százaléka az optikai mikroszkópénak, az elektronmikroszkóp felbontóképessége még mindig sokkal jobb, mint a látható fényé. az optikai mikroszkópról. Az elektronmikroszkóp három részből áll: lencsecsőből, vákuumrendszerből és tápegységből. Az objektívcső főleg elektronágyúkat, elektronlencséket, mintatartókat, fluoreszkáló képernyőket és kameramechanizmusokat tartalmaz. Ezeket az alkatrészeket általában fentről lefelé oszlopba szerelik össze; a vákuumrendszer mechanikus vákuumszivattyúkból, diffúziós szivattyúkból és vákuumszelepekből áll. A gázvezeték a lencsecsővel van összekötve; a tápszekrény egy nagyfeszültségű generátorból, egy gerjesztőáram-stabilizátorból és különböző beállító vezérlőegységekből áll.
Az elektronlencse az elektronmikroszkóp hengerének legfontosabb eleme. A lencsecső tengelyére szimmetrikus térbeli elektromos mezőt vagy mágneses mezőt használ az elektronpályának a tengelyhez való hajlítására, hogy fókuszt alkosson, és funkciója hasonló az üvegkonvex lencsékéhez a sugár fókuszálásához, tehát elektronikus lencsének hívják. A legtöbb modern elektronmikroszkóp elektromágneses lencséket használ, amelyek az elektronokat erős mágneses mezőn keresztül fókuszálják, amelyet egy nagyon stabil egyenáramú gerjesztőáram generál, amely egy pólusdarabokkal ellátott tekercsen halad át.
Az elektronágyú volfrám forró katódból, rácsból és katódból áll.
darabok. Egyenletes sebességgel képes elektronsugarat kibocsátani és alkotni, ezért a gyorsítófeszültség stabilitása nem lehet kevesebb, mint egy tízezred.
Az elektronmikroszkópok felépítésük és felhasználásuk szerint transzmissziós elektronmikroszkópokra oszthatók.
Mikroszkópok, pásztázó elektronmikroszkópok és emissziós elektronmikroszkópok stb. Transzmissziós elektronmikroszkópokat gyakran használnak olyan finom anyagszerkezetek megfigyelésére, amelyeket közönséges mikroszkópokkal nem lehet felbontani; a pásztázó elektronmikroszkópokat főként szilárd felületek morfológiájának megfigyelésére használják, és kombinálhatók röntgendiffraktométerekkel vagy elektronenergia-spektrométerekkel is, így elektronikus mikroszondákat hoznak létre az anyagösszetétel elemzéséhez; emissziós elektronmikroszkópia önkibocsátó elektronfelületek tanulmányozására.
A transzmissziós elektronmikroszkóp nevét arról kapta, hogy az elektronsugár áthatol a mintán, majd elektronlencsével felnagyítja a képet. Optikai útja hasonló az optikai mikroszkópéhoz. Az ilyen típusú elektronmikroszkópban a képrészletek kontrasztja az elektronnyalábnak a minta atomjai általi szórásával jön létre. A minta vékonyabb vagy kevésbé sűrű részeit kevésbé szórja szét az elektronsugár, így több elektron halad át az objektív membránon, hogy részt vegyen a képalkotásban, és világosabbnak tűnjön a képen. Ezzel szemben a minta vastagabb vagy sűrűbb részei sötétebbnek tűnnek a képen. Ha a minta túl vastag vagy túl sűrű, akkor a kép kontrasztja romlik, sőt az elektronsugár energiájának elnyelésével megsérül vagy tönkremegy.
A transzmissziós elektronmikroszkóp lencséjének teteje az elektronágyú, és az elektronokat a volfrám forró katód bocsátja ki, az elektronsugarat pedig az első és a második kondenzátorlencse fókuszálja. A mintán való áthaladás után az elektronsugarat az objektívlencse a közbenső tükörre leképezi, majd a közbenső tükör és a vetítőtükör lépésről lépésre felnagyítja, majd a fluoreszcens képernyőn vagy a fotokoherens lemezen leképezi.
A közbenső tükör nagyítása főként a gerjesztőáram beállításával folyamatosan, tízszeresről százezerszeresére változtatható; a közbenső tükör gyújtótávolságának megváltoztatásával elektronmikroszkópos képet kaphatunk ugyanannak a mintának egy apró részén
és elektrondiffrakciós képek. A vastagabb fémszeletminták tanulmányozása érdekében a franciaországi Dulosban található Elektronoptikai Laboratórium kifejlesztett egy 3500 kV-os gyorsítófeszültségű ultra-nagyfeszültségű elektronmikroszkópot.
A pásztázó elektronmikroszkóp elektronsugara nem halad át a mintán, hanem csak a minta felületén lévő másodlagos elektronokat pásztázza és gerjeszti. A minta mellett elhelyezett szcintillációs kristály fogadja ezeket a másodlagos elektronokat, erősíti és modulálja a képcső elektronnyaláb intenzitását, ezáltal megváltoztatja a képcső fluoreszcens képernyőjének fényerejét. A kineskóp eltérítő tekercse folyamatosan szinkronban pásztáz a minta felületén lévő elektronsugárral, így a kineszkóp fluoreszcens képernyőjén a minta felületének topográfiai képe jelenik meg, ami hasonló az ipari televízió működési elveihez.
A pásztázó elektronmikroszkóp felbontását elsősorban a minta felületén lévő elektronnyaláb átmérője határozza meg. A nagyítás a képcső pásztázási amplitúdójának és a mintán lévő pásztázási amplitúdó aránya, amely folyamatosan változtatható tízszeresről százezerszeresére. A pásztázó elektronmikroszkópia nem igényel túl vékony mintákat; a képnek erős háromdimenziós hatása van; az anyagok összetételének elemzéséhez felhasználhatja az olyan információkat, mint a másodlagos elektronok, az elnyelt elektronok és az elektronsugarak és az anyagok közötti kölcsönhatás által generált röntgensugárzás.
A pásztázó elektronmikroszkóp elektronágyúja és kondenzátorlencséje nagyjából megegyezik a transzmissziós elektronmikroszkópéval, de az elektronnyaláb vékonyabbá tétele érdekében a kondenzátorlencse alá egy objektívlencsét és egy asztigmatizálót helyeznek, és két készlet egymásra merőleges pásztázó nyalábokat helyeznek el az objektív belsejében. tekercs. Az objektívlencse alatti mintakamra mozgatható, forgatható és dönthető mintaasztallal van felszerelve.
