Az elektronmikroszkópia előnyei a fénymikroszkóppal szemben
Az elektronmikroszkóp optikai mikroszkóp képalkotási elvének hasonlóságai és különbségei
Az elektronmikroszkóp egy olyan műszer, amely az elektronoptika elve szerint a fénysugarat és az optikai lencsét elektronsugárral és elektronlencsével helyettesíti, így az anyag finom szerkezete nagyon nagy nagyítás mellett is leképezhető.
Az elektronmikroszkóp felbontóképességét a két szomszédos pont közötti kis távolság fejezi ki, 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). Jelenleg az elektronmikroszkóp maximális nagyítása több mint 3 milliószoros, az optikai mikroszkópé pedig körülbelül 2000-szeres, így egyes nehézfémek atomjai és a kristályokban jól elrendezett atomrács közvetlenül megfigyelhető elektronmikroszkóppal.
1931-ben a németországi Knorr-Bremse és Ruska egy hidegkatódos kisülésű elektronforrással és három elektronlencsével ellátott nagyfeszültségű oszcilloszkópot módosítottak, és több mint tízszeres nagyítást kaptak, ami megerősítette az elektronmikroszkópos képfelnagyítás lehetőségét. . . 1932-ben Ruska fejlesztése után az elektronmikroszkóp felbontóképessége elérte az 50 nanométert, ami körülbelül tízszerese volt az akkori optikai mikroszkópénak, így az elektronmikroszkóp elkezdte felkelteni az emberek figyelmét.
Az 1940-es években Hill az Egyesült Államokban asztigmatistával kompenzálta az elektronlencse forgási aszimmetriáját, ami 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 elektronmikroszkópok felbontása jóval jobb, mint az optikai mikroszkópoké, az élő szervezetek megfigyelése nehézkes, mert az elektronmikroszkópoknak vákuumkörülmények között kell működniük, 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 fontos mutatója, amely a mintán áthaladó elektronsugár beeső kúpszögével és hullámhosszával függ össze. A látható fény hullámhossza körülbelül 300-700 nanométer, míg az elektronsugár hullámhossza a gyorsító feszültséghez kapcsolódik. Ha a gyorsító feszültség 50-100 kV, az elektronsugár hullámhossza körülbelül 0.0053-0,0037 nm. Mivel az elektronnyaláb hullámhossza sokkal kisebb, mint a látható fény hullámhossza, még ha az elektronnyaláb kúpszöge csak 1 százaléka egy optikai mikroszkópénak, az elektronmikroszkóp felbontóképessége még mindig sokkal jobb, mint a látható fényé. egy optikai mikroszkópból.
Az elektronmikroszkóp három részből áll: a lencsecsőből, a vákuumrendszerből és a tápegységből. A lencsecső főleg elektronpisztolyt, elektronlencsét, mintatartót, fluoreszkáló képernyőt és kameramechanizmust tartalmaz, amelyeket általában fentről lefelé hengerré szerelnek össze; a vákuumrendszer mechanikus vákuumszivattyúból, diffúziós szivattyúból és vákuumszelepből áll, stb. A gázvezeték a lencsecsővel van összekötve; a tápegység szekrény egy nagyfeszültségű generátorból, egy gerjesztőáram-stabilizátorból és különböző beállító- és vezérlőegységekből áll.
Az elektronlencse az elektronmikroszkóp hengerének fontos része. A hordó tengelyére szimmetrikus térbeli elektromos mezőt vagy mágneses mezőt használ az elektron pályájának a tengelyhez való hajlítására a fókusz kialakítása érdekében. Funkciója hasonló az üvegkonvex lencsékéhez a sugár fókuszálására, ezért elektronlencsének nevezik. . A legtöbb modern elektronmikroszkóp elektromágneses lencséket használ, amelyek egy pólussaruval ellátott tekercsen keresztül nagyon stabil egyenáramú gerjesztőáram által generált erős mágneses térrel fókuszálják az elektronokat.
Az elektronágyú egy wolframszálas forró katódból, egy rácsból és egy katódból álló alkatrész. Egyenletes sebességgel képes elektronsugarat kibocsátani és alkotni, így a gyorsító feszültség stabilitása nem kisebb, mint 1/10,000.
Az elektronmikroszkópok felépítésük és felhasználásuk szerint transzmissziós elektronmikroszkópokra, pásztázó elektronmikroszkópokra, reflexiós elektronmikroszkópokra és emissziós elektronmikroszkópokra oszthatók. Transzmissziós elektronmikroszkópokat gyakran használnak azon finom anyagszerkezetek megfigyelésére, amelyek közönséges mikroszkóppal nem különböztethetők meg; A pásztázó elektronmikroszkópokat főként szilárd felületek morfológiájának megfigyelésére használják, és röntgendiffraktométerekkel vagy elektronenergia-spektrométerekkel is kombinálhatók elektronok képzésére. Mikroszondák anyagösszetétel elemzéséhez; Emissziós elektronmikroszkópia önkibocsátó elektronfelületek vizsgálatára.
A projekciós elektronmikroszkóp nevét arról kapta, hogy az elektronsugár áthatol a mintán, majd az elektronlencsét használja a képalkotáshoz és a nagyításhoz. Optikai útja hasonló az optikai mikroszkópéhoz. Ebben az elektronmikroszkópban a képrészletek kontrasztja az elektronnyalábnak a minta atomjai általi szórásával jön létre. A minta vékonyabb vagy kevésbé sűrű részeinél az elektronsugár kevésbé szóródik, így több elektron halad át az objektív apertúrán, 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 cső teteje az elektronágyú, az elektronokat a volfrámszálas forró katód bocsátja ki, áthalad a lézeren, és a második két kondenzátorlencse fókuszálja az elektronsugarat. A mintán való áthaladás után az elektronsugarat az objektívlencse a közbenső tükörre leképezi, majd a közbenső tükörön és a vetítőtükörön keresztül lépésről lépésre felnagyítja, majd leképezi a fluoreszkáló képernyőn vagy fényképészeti szárazlemezen.
A közbenső tükör elsősorban a gerjesztőáramot állítja be, a nagyítás pedig folyamatosan változtatható tízszeresről százezerszeresére; a közbenső tükör gyújtótávolságának változtatásával ugyanannak a mintának az apró részein elektronmikroszkópos képeket és elektrondiffrakciós képeket kaphatunk. . Vastagabb fémszeletminták vizsgálatára a francia Dulos Electron Optics Laboratory kifejlesztett egy ultra-nagyfeszültségű elektronmikroszkópot, amelynek gyorsítófeszültsége 3500 kV. Pásztázó elektronmikroszkóp szerkezeti vázlata
A pásztázó elektronmikroszkóp elektronsugara nem halad át a mintán, hanem csak a minta felületét pásztázza a másodlagos elektronok gerjesztésére. A minta mellett elhelyezett szcintillációs kristály fogadja ezeket a másodlagos elektronokat, és erősítést követően modulálja a képcső elektronnyalábjának intenzitását, ezáltal megváltoztatja a képcső képernyőjének fényerejét. A képcső eltérítő jármája folyamatosan szinkronban pásztáz a minta felületén lévő elektronsugárral, így a képcső fluoreszkáló képernyőjén a mintafelület topográfiai képét jeleníti 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 elektronmikroszkóp nem igényel túl vékony mintákat; a képnek erős háromdimenziós hatása van; elemezni tudja az anyag összetételét olyan információk felhasználásával, mint a másodlagos elektronok, az elnyelt elektronok és az elektronsugarak anyaggal való kölcsönhatása által generált röntgensugárzás.
A pásztázó elektronmikroszkóp elektronágyúja és kondenzátora nagyjából megegyezik a transzmissziós elektronmikroszkópéval, de az elektronnyaláb vékonyabbá tétele érdekében a kondenzátor alá egy objektívlencsét és egy asztigmatistát, valamint két pásztázó elektronkészletet adnak. amelyek egymásra merőlegesek, az objektív belsejében vannak elhelyezve. tekercs. Az objektívlencse alatti mintakamrában található a mintaasztal, amely mozgatható, forgatható és dönthető.
