Elektronu mikroskopa optiskais princips un pielietojuma joma
Elektronu mikroskops ir instruments, kas izmanto elektronu starus un elektronu lēcas, nevis gaismas starus un optiskās lēcas, lai attēlotu vielu smalkās struktūras ļoti lielā palielinājumā, pamatojoties uz elektronu optikas principu.
Elektronu mikroskopa izšķiršanas jaudu attēlo minimālais attālums starp diviem blakus esošajiem punktiem, ko tas var izšķirt. 1970 s transmisijas elektronu mikroskopa izšķirtspēja bija aptuveni 0,3 nanometri (cilvēka acs izšķirtspēja ir aptuveni 0,1 mm). Tagad elektronu mikroskopa maksimālais palielinājums pārsniedz 3 miljonus reižu, un optiskā mikroskopa maksimālais palielinājums ir aptuveni 2000 reižu, tāpēc dažu smago metālu atomi un glīti sakārtotie atomu režģi kristālā var tikt tieši novēroti caur elektronu mikroskopu. .
1931. gadā vācieši Knorr-Bremse un Ruska pārinstalēja augstsprieguma osciloskopu ar aukstā katoda izlādes elektronu avotu un trīs elektronu lēcām, un ieguva attēlu, kas palielināts vairāk nekā desmit reizes, kas apstiprināja elektronu mikroskopa palielinātas attēlveidošanas iespēju. 1932. gadā pēc Ruska uzlabojumiem elektronu mikroskopa izšķirtspēja sasniedza 50 nanometrus, kas bija aptuveni desmit reizes lielāka par toreizējā optiskā mikroskopa izšķirtspēju, tāpēc elektronu mikroskops sāka pievērst cilvēku uzmanību.
194. gados {3}}Hils ASV izmantoja astigmatizatoru, lai kompensētu elektronu lēcas rotācijas asimetriju, kas radīja jaunu izrāvienu elektronu mikroskopa izšķirtspējā un pakāpeniski sasniedza mūsdienu līmeni. Ķīnā 1958. gadā veiksmīgi tika izstrādāts transmisijas elektronu mikroskops ar izšķirtspēju 3 nanometri, bet 1979. gadā tika ražots liels elektronu mikroskops ar izšķirtspēju 0,3 nanometri. Lai gan elektronu mikroskopa izšķirtspēja ir daudz labāk nekā optiskais mikroskops, ir grūti novērot dzīvos organismus, jo elektronu mikroskopam ir jādarbojas vakuuma apstākļos, un elektronu stara apstarošana arī izraisīs bioloģisko paraugu bojājumus ar starojumu. Citi jautājumi, piemēram, elektronu lielgabala spilgtuma un elektronu lēcas kvalitātes uzlabošana, vēl ir jāpēta. Izšķirtspēja ir svarīgs elektronu mikroskopa rādītājs, kas ir saistīts ar krītošā konusa leņķi un elektronu stara viļņa garumu, kas iet caur paraugu. Redzamās gaismas viļņa garums ir aptuveni 300-700 nanometri, savukārt elektronu stara viļņa garums ir saistīts ar paātrinājuma spriegumu. Kad paātrinājuma spriegums ir 50-100 kV, elektronu stara viļņa garums ir aptuveni 0.0053-0,0037 nanometri. Tā kā elektronu stara viļņa garums ir daudz mazāks par redzamās gaismas viļņa garumu, pat tad, ja elektronu stara konusa leņķis ir tikai 1 procents no optiskā mikroskopa izšķirtspējas, elektronu mikroskopa izšķirtspēja joprojām ir daudz labāka par to. no optiskā mikroskopa. Elektronu mikroskops sastāv no trim daļām: objektīva cilindra, vakuuma sistēmas un barošanas skapja. Objektīva stobrā galvenokārt ietilpst elektronu pistoles, elektronu lēcas, paraugu turētāji, dienasgaismas ekrāni un kameru mehānismi. Šīs sastāvdaļas parasti tiek saliktas kolonnā no augšas uz leju; Vakuuma sistēma sastāv no mehāniskiem vakuumsūkņiem, difūzijas sūkņiem un vakuuma vārstiem. Gāzes vads ir savienots ar lēcas mucu; barošanas skapis sastāv no augstsprieguma ģeneratora, ierosmes strāvas stabilizatora un dažādiem regulēšanas vadības blokiem.
Elektronu lēca ir vissvarīgākā sastāvdaļa elektronu mikroskopa stobrā. Tas izmanto kosmosa elektrisko lauku vai magnētisko lauku, kas ir simetrisks objektīva cilindra asij, lai saliektu elektronu trajektoriju pret asi, lai izveidotu fokusu, un tā funkcija ir līdzīga stikla izliektas lēcas funkcijai, lai fokusētu staru, tāpēc tā ir sauc par elektronisko objektīvu. Lielākajā daļā mūsdienu elektronu mikroskopu tiek izmantotas elektromagnētiskās lēcas, kas fokusē elektronus caur spēcīgu magnētisko lauku, ko rada ļoti stabila līdzstrāvas ierosmes strāva, kas iet caur spoli ar polu gabaliem.
Elektronu lielgabals sastāv no volframa karstā katoda, režģa un katoda.
gabaliem. Tas var izstarot un veidot elektronu starus ar vienmērīgu ātrumu, tāpēc paātrinājuma sprieguma stabilitātei ir jābūt ne mazākai par vienu desmittūkstošdaļu.
Elektronu mikroskopus var iedalīt transmisijas elektronu mikroskopos pēc to uzbūves un pielietojuma.
Mikroskopi, skenējošie elektronu mikroskopi un emisijas elektronu mikroskopi utt. Transmisijas elektronu mikroskopus bieži izmanto, lai novērotu smalkas materiāla struktūras, kuras nevar izšķirt ar parastajiem mikroskopiem; skenējošos elektronu mikroskopus galvenokārt izmanto, lai novērotu cieto virsmu morfoloģiju, un tos var arī kombinēt ar rentgenstaru difraktometriem vai elektronu enerģijas spektrometriem, lai izveidotu elektroniskas mikrozondes materiālu sastāva analīzei; emisijas elektronu mikroskopija pašemitāro elektronu virsmu izpētei.
Transmisijas elektronu mikroskops ir nosaukts pēc tam, kad elektronu stars iekļūst paraugā un pēc tam palielina attēlu ar elektronu lēcu. Tā optiskais ceļš ir līdzīgs optiskajam mikroskopam. Šāda veida elektronu mikroskopā attēla detaļu kontrastu rada parauga atomu elektronu stara izkliede. Parauga daļas, kas ir plānākas vai mazāk blīvas, ir mazāk izkliedētas ar elektronu staru, tādējādi vairāk elektronu iziet cauri objektīvai diafragmai, lai piedalītos attēlveidošanā un attēlā izskatītos gaišāki. Un otrādi, biezākas vai blīvākas parauga daļas attēlā šķiet tumšākas. Ja paraugs ir pārāk biezs vai pārāk blīvs, attēla kontrasts pasliktināsies vai pat tiks bojāts vai iznīcināts, absorbējot elektronu stara enerģiju.
Transmisijas elektronu mikroskopa lēcas stobra augšdaļa ir elektronu lielgabals, un elektronus izstaro volframa karstais katods, un elektronu staru fokusē pirmā un otrā kondensatora lēca. Pēc tam, kad elektronu stars ir izlaists cauri paraugam, objektīvs tiek attēlots uz starpposma spoguļa un pēc tam pakāpeniski tiek palielināts ar starpspoguļu un projekcijas spoguli, un pēc tam tiek attēlots uz fluorescējošā ekrāna vai fotokoherentās plāksnes.
Starpposma spoguļa palielinājumu var nepārtraukti mainīt no desmitiem reižu līdz simtiem tūkstošu reižu, galvenokārt regulējot ierosmes strāvu; mainot starpposma spoguļa fokusa attālumu, var iegūt elektronu mikroskopisku attēlu uz niecīgas tā paša parauga daļas
un elektronu difrakcijas attēli. Lai varētu pētīt biezākus metāla šķēlumu paraugus, elektronu optikas laboratorija Dulosā, Francijā, ir izstrādājusi īpaši augsta sprieguma elektronu mikroskopu ar paātrinājuma spriegumu 3500 kV.
Skenējošā elektronu mikroskopa elektronu stars neiziet cauri paraugam, bet tikai skenē un ierosina sekundāros elektronus uz parauga virsmas. Blakus paraugam novietotais scintilācijas kristāls saņem šos sekundāros elektronus, pastiprina un modulē attēla lampas elektronu stara intensitāti, tādējādi mainot attēla lampas fluorescējošā ekrāna spilgtumu. Kineskopa novirzes spole turpina skenēt sinhroni ar elektronu staru uz parauga virsmas, tādējādi kineskopa fluorescējošais ekrāns parāda parauga virsmas topogrāfisko attēlu, kas ir līdzīgs industriālā televizora darbības principam.
Skenējošā elektronu mikroskopa izšķirtspēju galvenokārt nosaka elektronu stara diametrs uz parauga virsmas. Palielinājums ir attēla caurules skenēšanas amplitūdas attiecība pret parauga skenēšanas amplitūdu, ko var nepārtraukti mainīt no desmitiem reižu līdz simtiem tūkstošu reižu. Skenējošajai elektronu mikroskopijai nav nepieciešami ļoti plāni paraugi; attēlam ir spēcīgs trīsdimensiju efekts; tā var izmantot informāciju, piemēram, sekundāros elektronus, absorbētos elektronus un rentgenstarus, ko rada elektronu staru un vielu mijiedarbība, lai analizētu vielu sastāvu.
Skenējošā elektronu mikroskopa elektronu lielgabals un kondensatora lēca ir aptuveni tādi paši kā transmisijas elektronu mikroskopam, taču, lai padarītu elektronu staru plānāku, zem kondensatora lēcas tiek pievienota objektīva lēca un astigmatizators, kā arī divi objektīva iekšpusē ir uzstādīti savstarpēji perpendikulāri skenēšanas stari. spole. Paraugu kamera zem objektīva ir aprīkota ar parauga skatuvi, kuru var pārvietot, pagriezt un noliekt.
