Prinsip optik dan skop penggunaan mikroskop elektron
Mikroskop elektron ialah instrumen yang menggunakan pancaran elektron dan kanta elektron dan bukannya pancaran cahaya dan kanta optik untuk imej struktur halus bahan pada pembesaran yang sangat tinggi berdasarkan prinsip optik elektron.
Kuasa penyelesaian mikroskop elektron diwakili oleh jarak minimum antara dua titik bersebelahan yang boleh diselesaikannya. Pada tahun 1970s, resolusi mikroskop elektron penghantaran ialah kira-kira 0.3 nanometer (peleraian mata manusia ialah kira-kira 0.1 mm). Sekarang pembesaran maksimum mikroskop elektron melebihi 3 juta kali, dan pembesaran maksimum mikroskop optik adalah kira-kira 2000 kali, jadi atom beberapa logam berat dan kekisi atom yang tersusun rapi dalam kristal boleh terus diperhatikan melalui mikroskop elektron. .
Pada tahun 1931, Knorr-Bremse dan Ruska dari Jerman memasang semula osiloskop voltan tinggi dengan sumber elektron nyahcas katod sejuk dan tiga kanta elektron, dan memperoleh imej yang diperbesarkan lebih daripada sepuluh kali ganda, yang mengesahkan kemungkinan pengimejan diperbesarkan mikroskop elektron. Pada tahun 1932, selepas penambahbaikan Ruska, resolusi mikroskop elektron mencapai 50 nanometer, iaitu kira-kira sepuluh kali resolusi mikroskop optik pada masa itu, jadi mikroskop elektron mula menerima perhatian orang ramai.
Pada 1940s, Hill di Amerika Syarikat menggunakan astigmatizer untuk mengimbangi asimetri putaran kanta elektron, yang membuat satu kejayaan baharu dalam kuasa penyelesaian mikroskop elektron dan secara beransur-ansur mencapai tahap moden. Di China, mikroskop elektron penghantaran dengan resolusi 3 nanometer telah berjaya dibangunkan pada tahun 1958, dan mikroskop elektron besar dengan resolusi 0.3 nanometer telah dihasilkan pada tahun 1979. Walaupun kuasa penyelesaian mikroskop elektron adalah jauh lebih baik daripada mikroskop optik, sukar untuk memerhati organisma hidup kerana mikroskop elektron perlu berfungsi di bawah keadaan vakum, dan penyinaran pancaran elektron juga akan menyebabkan sampel biologi rosak oleh sinaran. Isu lain, seperti peningkatan kecerahan pistol elektron dan kualiti kanta elektron, masih perlu dikaji. Kuasa penyelesaian ialah indeks penting mikroskop elektron, yang berkaitan dengan sudut kon kejadian dan panjang gelombang pancaran elektron yang melalui sampel. Panjang gelombang cahaya boleh dilihat ialah kira-kira 300-700 nanometer, manakala panjang gelombang pancaran elektron berkaitan dengan voltan pecutan. Apabila voltan pecutan ialah 50-100 kV, panjang gelombang rasuk elektron ialah kira-kira 0.0053-0.0037 nanometer. Oleh kerana panjang gelombang pancaran elektron jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya yang boleh dilihat, walaupun sudut kon pancaran elektron hanya 1 peratus daripada mikroskop optik, kuasa penyelesaian mikroskop elektron masih jauh lebih baik daripada itu. daripada mikroskop optik. Mikroskop elektron terdiri daripada tiga bahagian: tong kanta, sistem vakum dan kabinet kuasa. Tong kanta terutamanya termasuk senapang elektron, kanta elektron, pemegang sampel, skrin pendarfluor dan mekanisme kamera. Komponen ini biasanya dipasang ke dalam lajur dari atas ke bawah; sistem vakum terdiri daripada pam vakum mekanikal, pam resapan, dan injap vakum. Saluran paip gas disambungkan dengan tong kanta; kabinet kuasa terdiri daripada penjana voltan tinggi, penstabil arus pengujaan dan pelbagai unit kawalan pelarasan.
Kanta elektron adalah komponen terpenting dalam laras mikroskop elektron. Ia menggunakan medan elektrik ruang atau medan magnet yang simetri kepada paksi tong kanta untuk membengkokkan trajektori elektron ke paksi untuk membentuk fokus, dan fungsinya adalah serupa dengan kanta cembung kaca untuk memfokuskan rasuk, jadi ia adalah dipanggil kanta elektronik. Kebanyakan mikroskop elektron moden menggunakan kanta elektromagnet, yang memfokuskan elektron melalui medan magnet yang kuat yang dihasilkan oleh arus pengujaan DC yang sangat stabil melalui gegelung dengan kepingan tiang.
Pistol elektron terdiri daripada katod panas tungsten, grid dan katod.
kepingan. Ia boleh memancarkan dan membentuk rasuk elektron dengan kelajuan seragam, jadi kestabilan voltan pecutan diperlukan tidak kurang daripada satu persepuluh ribu.
Mikroskop elektron boleh dibahagikan kepada mikroskop elektron penghantaran mengikut struktur dan kegunaannya.
Mikroskop, Mikroskop Elektron Pengimbasan, dan Mikroskop Elektron Pelepasan, dsb. Mikroskop elektron penghantaran sering digunakan untuk memerhati struktur bahan halus yang tidak dapat diselesaikan oleh mikroskop biasa; mikroskop elektron pengimbasan digunakan terutamanya untuk memerhati morfologi permukaan pepejal, dan juga boleh digabungkan dengan difraktometer sinar-X atau spektrometer tenaga elektron untuk membentuk Mikroprob elektronik untuk analisis komposisi bahan; mikroskop elektron pelepasan untuk kajian permukaan elektron pemancar sendiri.
Mikroskop elektron penghantaran dinamakan sempena pancaran elektron menembusi sampel dan kemudian membesarkan imej dengan kanta elektron. Laluan optiknya adalah serupa dengan mikroskop optik. Dalam jenis mikroskop elektron ini, kontras dalam perincian imej dicipta oleh penyerakan pancaran elektron oleh atom sampel. Bahagian sampel yang lebih nipis atau kurang tumpat kurang bertaburan oleh pancaran elektron, supaya lebih banyak elektron melalui diafragma objektif untuk mengambil bahagian dalam pengimejan dan kelihatan lebih cerah dalam imej. Sebaliknya, bahagian sampel yang lebih tebal atau lebih padat kelihatan lebih gelap dalam imej. Jika sampel terlalu tebal atau terlalu padat, kontras imej akan merosot, malah rosak atau musnah dengan menyerap tenaga pancaran elektron.
Bahagian atas tong kanta mikroskop elektron penghantaran ialah pistol elektron, dan elektron dipancarkan oleh katod panas tungsten, dan pancaran elektron difokuskan oleh kanta pemeluwap pertama dan kedua. Selepas melalui sampel, pancaran elektron diimej pada cermin perantaraan oleh kanta objektif, dan kemudian diperbesarkan langkah demi langkah oleh cermin perantaraan dan cermin unjuran, dan kemudian diimej pada skrin pendarfluor atau plat fotokoheren.
Pembesaran cermin perantaraan boleh diubah secara berterusan daripada puluhan kali kepada ratusan ribu kali terutamanya melalui pelarasan arus pengujaan; menukar panjang fokus cermin perantaraan boleh mendapatkan imej mikroskopik elektron pada bahagian kecil sampel yang sama
dan imej pembelauan elektron. Untuk dapat mengkaji sampel kepingan logam yang lebih tebal, Makmal Optik Elektron di Dulos, Perancis telah membangunkan mikroskop elektron voltan ultra tinggi dengan voltan pecutan 3500 kV.
Rasuk elektron mikroskop elektron pengimbasan tidak melalui sampel, tetapi hanya mengimbas dan merangsang elektron sekunder pada permukaan sampel. Kristal kilauan yang diletakkan di sebelah sampel menerima elektron sekunder ini, menguatkan dan memodulasi keamatan pancaran elektron tiub gambar, dengan itu menukar kecerahan pada skrin pendarfluor tiub gambar. Gegelung pesongan kineskop terus mengimbas secara serentak dengan pancaran elektron pada permukaan sampel, supaya skrin pendarfluor kineskop memaparkan imej topografi permukaan sampel, yang serupa dengan prinsip kerja televisyen industri.
Resolusi mikroskop elektron pengimbasan ditentukan terutamanya oleh diameter pancaran elektron pada permukaan sampel. Pembesaran ialah nisbah amplitud pengimbasan pada tiub gambar kepada amplitud pengimbasan pada sampel, yang boleh ditukar secara berterusan daripada puluhan kali kepada ratusan ribu kali. Mengimbas mikroskop elektron tidak memerlukan sampel yang sangat nipis; imej mempunyai kesan tiga dimensi yang kuat; ia boleh menggunakan maklumat seperti elektron sekunder, elektron yang diserap, dan sinar-x yang dihasilkan oleh interaksi antara pancaran elektron dan bahan untuk menganalisis komposisi bahan.
Pistol elektron dan kanta pemeluwap bagi mikroskop elektron pengimbasan adalah lebih kurang sama dengan mikroskop elektron penghantaran, tetapi untuk menjadikan pancaran elektron lebih nipis, kanta objektif dan astigmatizer ditambah di bawah kanta pemeluwap, dan dua set rasuk imbasan saling berserenjang dipasang di dalam kanta objektif. gegelung. Ruang sampel di bawah kanta objektif dilengkapi dengan peringkat sampel yang boleh digerakkan, dipusing dan dicondongkan.
