Az elektronmikroszkópok előnyei a fénymikroszkópokkal szemben
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 kis távolság képviseli, amelyet fel tud oldani. Az 1970 s-ben a transzmissziós elektronmikroszkópok felbontása körülbelül 0,3 nanométer volt (az emberi szem felbontóképessége körülbelül 0,1 milliméter). Most az elektronmikroszkóp maximális nagyítása meghaladja a 3 milliószorosát, míg az optikai mikroszkóp maximális nagyítása 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 nagyítás lehetőségét. 1932-ben Ruska fejlesztése után az elektronmikroszkóp felbontóképessége elérte az 50 nanométert, az akkori optikai mikroszkóp felbontóképességének mintegy tízszeresét, 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 nagyméretű, 0,3 nanométeres felbontású elektronmikroszkópot készítettek.
Bár az elektronmikroszkóp felbontóképessége messze meghaladja az optikai mikroszkópét, az élő szervezeteket nehéz megfigyelni, mert az elektronmikroszkópnak vákuum körülmények között kell működnie, és az elektronsugarak besugárzása is sugárzási károsodást okoz a biológiai mintákban. . Egyéb kérdések, mint például az elektronágyú fényerejének és az elektronlencse minőségének javítása szintén további vizsgálatra szorul.
A felbontóképesség az elektronmikroszkóp egyik fontos mutatója, amely a mintán áthaladó elektronsugár beeső kúpszögéhez és hullámhosszához kapcsolódik. A látható fény hullámhossza körülbelül {{0}} nanométer, míg az elektronsugarak hullámhossza a gyorsító feszültséghez kapcsolódik. Ha a gyorsító feszültség 50-100 kV, 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 lencsecsőjének fontos része. A lencsecső tengelyére szimmetrikus térbeli elektromos mezőt vagy mágneses mezőt használ, hogy az elektronpályát a tengelyhez hajlítsa a fókusz kialakításához. Funkciója hasonló az üveg domború lencsékéhez, amelyek a sugarat fókuszálják, ezért elektronikus lencsének nevezik. . A legtöbb modern elektronmikroszkóp elektromágneses lencséket használ, amelyek a pólussarukkal ellátott tekercsen áthaladó nagyon stabil egyenáramú gerjesztőáram által generált erős mágneses mezőn keresztül fókuszálják az elektronokat.
Az elektronágyú volfrám forró katódból, rácsból és katódból áll. Egyenletes sebességű elektronsugarat tud kibocsátani és alkotni, ezért a gyorsító feszültség stabilitása nem lehet kevesebb tízezreléknél.
Az elektronmikroszkópok felépítésük és felhasználásuk szerint transzmissziós elektronmikroszkópokra, pásztázó elektronmikroszkópokra, reflexiós elektronmikroszkópokra és emissziós elektronmikroszkópokra oszthatók. 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 projekciós elektronmikroszkóp nevét arról kapta, hogy az elektronsugár áthatol a mintán, majd az 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 kisebb sűrűségű részén kisebb az elektronsugár szórása, így több elektron halad át az objektív membránon és vesz részt a képalkotásban, és világosabbnak tűnik 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. Az elektronokat a volfrám forró katód bocsátja ki, és áthalad a *-on, a második két kondenzátor pedig fókuszálja az elektronnyalábot. A mintán való áthaladás után az elektronsugarat az objektívlencse a közbenső tükörre leképezi, majd a közbenső tükrön és a vetítőtükörön keresztül lépésről lépésre felnagyítja, majd leképezi a fluoreszcens képernyőn vagy a fotokoherens lemezen.
A közbenső tükör nagyítása főként a gerjesztőáram beállításával folyamatosan, tízszeresről százezerszeresére változtatható; a közbenső tükör gyújtótávolságának változtatásával ugyanannak a mintának az apró részein elektronmikroszkópos képeket és elektrondiffrakciós képeket kaphatunk. Vastagabb fémszelet minták vizsgálatára a francia Dulos Electron Optics Laboratory kifejlesztett egy 3500 kV-os gyorsítófeszültségű ultra-nagyfeszültségű elektronmikroszkópot. A pásztázó elektronmikroszkóp szerkezetének sematikus diagramja
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 képernyőjének fényerejét. A képcső eltérítő tekercse szinkron pásztázást tart az elektronsugárral a minta felületén, így a képcső fluoreszkáló képernyője megjeleníti a minta felületének topográfiai képét, ami hasonló az ipari TV 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 elektronmikroszkóp nem igényel túl vékony mintát; a képnek erős háromdimenziós hatása van; az anyag összetételének elemzéséhez olyan információkat használhat fel, mint a másodlagos elektronok, elnyelt elektronok és az elektronsugár és az anyag 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 objektívlencsét és 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.
