Предимства на електронната микроскопия спрямо светлинната микроскопия
Електронен микроскоп, оптичен микроскоп, принцип на изобразяване, прилики и разлики
Електронният микроскоп е инструмент, който замества светлинния лъч и оптичната леща с електронен лъч и електронна леща според принципа на електронната оптика, така че фината структура на материята да може да бъде изобразена при много голямо увеличение.
Разделителната способност на електронния микроскоп се изразява чрез малкото разстояние между две съседни точки, които той може да раздели. През 1970 години трансмисионните електронни микроскопи са имали разделителна способност от около 0.3 нанометра (човешкото око има разделителна способност от около 0,1 милиметра). Сега максималното увеличение на електронния микроскоп е повече от 3 милиона пъти, а максималното увеличение на оптичния микроскоп е около 2000 пъти, така че атомите на определени тежки метали и спретнато подредената атомна решетка в кристалите могат да се наблюдават директно чрез електронен микроскоп.
През 1931 г. Knorr-Bremse и Ruska в Германия модифицират високоволтов осцилоскоп с електронен източник със студен катод и три електронни лещи и получават увеличено изображение повече от десет пъти, което потвърждава възможността за увеличаване на изображението с електронен микроскоп . . През 1932 г., след усъвършенстването на Руска, разделителната способност на електронния микроскоп достига 50 нанометра, което е около десет пъти повече от разделителната способност на оптичния микроскоп по това време, така че електронният микроскоп започва да привлича вниманието на хората.
През 1940 години Хил в Съединените щати компенсира ротационната асиметрия на електронната леща с астигматик, което прави нов пробив в разделителната способност на електронния микроскоп и постепенно достига съвременното ниво. В Китай през 1958 г. успешно е разработен трансмисионен електронен микроскоп с разделителна способност 3 нанометра, а през 1979 г. е направен широкомащабен електронен микроскоп с разделителна способност 0,3 нанометра.
Въпреки че разделителната способност на електронните микроскопи е много по-добра от тази на оптичните микроскопи, е трудно да се наблюдават живи организми, тъй като електронните микроскопи трябва да работят във вакуумни условия, а облъчването на електронни лъчи също ще причини радиационно увреждане на биологичните проби. Други въпроси, като подобряването на яркостта на електронния пистолет и качеството на електронните лещи, също трябва да бъдат допълнително проучени.
Разделителната способност е важен показател за електронния микроскоп, който е свързан с ъгъла на падащия конус и дължината на вълната на електронния лъч, преминаващ през пробата. Дължината на вълната на видимата светлина е около 300 до 700 нанометра, докато дължината на вълната на електронния лъч е свързана с ускоряващото напрежение. Когато ускоряващото напрежение е 50-100 kV, дължината на вълната на електронния лъч е около 0.0053-0.0037 nm. Тъй като дължината на вълната на електронния лъч е много по-малка от дължината на вълната на видимата светлина, дори ако ъгълът на конуса на електронния лъч е само 1 процент от този на оптичен микроскоп, разделителната способност на електронния микроскоп все още е много по-добра от тази на оптичен микроскоп.
Електронният микроскоп се състои от три части: тръба на лещата, вакуумна система и шкаф за захранване. Цевта на обектива включва главно електронен пистолет, електронна леща, държач за проба, флуоресцентен екран и механизъм на камерата, които обикновено се сглобяват в цилиндър отгоре надолу; вакуумната система се състои от механична вакуумна помпа, дифузионна помпа и вакуумен клапан и др. Газопроводът е свързан с цилиндъра на лещата; захранващият шкаф се състои от генератор за високо напрежение, стабилизатор на възбудителен ток и различни блокове за регулиране и управление.
Електронната леща е важна част от цевта на електронния микроскоп. Той използва пространствено електрическо поле или магнитно поле, симетрично на оста на цевта, за да огъне траекторията на електроните към оста, за да образува фокус. Функцията му е подобна на тази на стъклена изпъкнала леща за фокусиране на лъча, така че се нарича електронна леща. . Повечето съвременни електронни микроскопи използват електромагнитни лещи, които фокусират електроните чрез силно магнитно поле, генерирано от много стабилен постоянен ток на възбуждане през намотка с полюсна обувка.
Електронният пистолет е компонент, съставен от горещ катод с волфрамова жичка, решетка и катод. Той може да излъчва и образува електронен лъч с еднаква скорост, така че стабилността на ускоряващото напрежение е не по-малка от 1/10, 000.
Електронните микроскопи могат да бъдат разделени на трансмисионни електронни микроскопи, сканиращи електронни микроскопи, отразяващи електронни микроскопи и емисионни електронни микроскопи според тяхната структура и употреба. Трансмисионните електронни микроскопи често се използват за наблюдение на тези фини материални структури, които не могат да бъдат разграничени от обикновени микроскопи; сканиращите електронни микроскопи се използват главно за наблюдение на морфологията на твърди повърхности и могат също да се комбинират с рентгенови дифрактометри или спектрометри за електронна енергия за образуване на електрони. Микросонди за анализ на състава на материала; Емисионна електронна микроскопия за изследване на повърхности на самоизлъчващи електрони.
Проекционният електронен микроскоп е кръстен на това, че електронният лъч прониква в пробата и след това използва електронната леща за изображение и увеличение. Неговият оптичен път е подобен на този на оптичен микроскоп. В този електронен микроскоп контрастът на детайлите на изображението се създава от разсейването на електронния лъч от атомите на пробата. По-тънки или по-малко плътни части от пробата, електронният лъч се разпръсква по-малко, така че повече електрони преминават през отвора на обектива, участват в изображението и изглеждат по-ярки в изображението. Обратно, по-дебелите или по-плътни части от пробата изглеждат по-тъмни в изображението. Ако пробата е твърде дебела или твърде плътна, контрастът на изображението ще се влоши или дори ще бъде повреден или унищожен от абсорбирането на енергията на електронния лъч.
Горната част на тръбата на трансмисионния електронен микроскоп е електронният пистолет, електроните се излъчват от горещия катод с волфрамова нишка, преминават през лазера, а вторите две кондензаторни лещи фокусират електронния лъч. След преминаване през пробата, електронният лъч се изобразява върху междинното огледало от лещата на обектива и след това се увеличава стъпка по стъпка през междинното огледало и проекционното огледало и след това се изобразява върху флуоресцентния екран или фотографската суха плака.
Междинното огледало основно регулира тока на възбуждане и увеличението може непрекъснато да се променя от десетки пъти до стотици хиляди пъти; чрез промяна на фокусното разстояние на междинното огледало могат да се получат изображения от електронен микроскоп и електронна дифракция върху малки части от една и съща проба. . За да изследва по-дебели проби от метални срезове, френската лаборатория за електронна оптика Dulos разработи електронен микроскоп със свръхвисоко напрежение с ускоряващо напрежение от 3500 kV. Структурна схема на сканиращ електронен микроскоп
Електронният лъч на сканиращия електронен микроскоп не преминава през пробата, а само сканира повърхността на пробата, за да възбуди вторични електрони. Сцинтилационен кристал, поставен до пробата, приема тези вторични електрони и модулира интензитета на електронния лъч на кинескопа след усилване, като по този начин променя яркостта на екрана на кинескопа. Отклоняващото устройство на кинескопа продължава да сканира синхронно с електронния лъч върху повърхността на пробата, така че флуоресцентният екран на кинескопа показва топографското изображение на повърхността на пробата, което е подобно на работния принцип на индустриалната телевизия.
Разделителната способност на сканиращия електронен микроскоп се определя главно от диаметъра на електронния лъч на повърхността на пробата. Увеличението е съотношението на амплитудата на сканиране на кинескопа към амплитудата на сканиране на образеца, което може непрекъснато да се променя от десетки пъти до стотици хиляди пъти. Сканиращият електронен микроскоп не изисква много тънки проби; изображението има силен триизмерен ефект; може да анализира състава на материята, използвайки информация като вторични електрони, абсорбирани електрони и рентгенови лъчи, генерирани от взаимодействието на електронни лъчи с материята.
Електронният пистолет и кондензаторът на сканиращия електронен микроскоп са приблизително същите като тези на трансмисионния електронен микроскоп, но за да се направи електронният лъч по-тънък, под кондензатора се добавят обективна леща и астигматист и два комплекта сканиращи електрони които са перпендикулярни един на друг, са монтирани вътре в лещата на обектива. намотка. Камерата за проби под лещата на обектива съдържа щанда за проби, която може да се мести, завърта и накланя.
