Elektronimikroskopian edut valomikroskopiaan verrattuna
Elektronimikroskoopin optisen mikroskoopin kuvantamisperiaatteen yhtäläisyydet ja erot
Elektronimikroskooppi on instrumentti, joka korvaa valonsäteen ja optisen linssin elektronisäteellä ja elektronilinssillä elektronoptiikan periaatteen mukaisesti, jotta aineen hieno rakenne voidaan kuvata erittäin suurella suurennuksella.
Elektronimikroskoopin erotuskyky ilmaistaan kahden vierekkäisen pisteen välisellä pienellä etäisyydellä, jonka se pystyy erottamaan. Vuonna 197 0s transmissioelektronimikroskooppien resoluutio oli noin 0,3 nanometriä (ihmissilmän erotuskyky on noin 0,1 millimetriä). Nyt elektronimikroskoopin maksimisuurennus on yli 3 miljoonaa kertaa ja optisen mikroskoopin maksimisuurennus on noin 2000-kertainen, joten tiettyjen raskasmetallien atomit ja siististi järjestetty atomihila kiteissä voidaan tarkkailla suoraan elektronimikroskoopilla.
Vuonna 1931 Knorr-Bremse ja Ruska Saksassa modifioivat suurjänniteoskilloskooppia, jossa oli kylmäkatodipurkauselektronilähde ja kolme elektronilinssiä, ja saivat yli kymmenen kertaa suurennetun kuvan, mikä vahvisti mahdollisuuden suurentaa kuvaamista elektronimikroskoopilla. . . Vuonna 1932 Ruskan parannusten jälkeen elektronimikroskoopin erotuskyky saavutti 50 nanometriä, mikä oli noin kymmenen kertaa optisen mikroskoopin tuolloin erotuskyky, joten elektronimikroskooppi alkoi kiinnittää ihmisten huomion.
1940-luvulla Hill Yhdysvalloissa kompensoi elektronin linssin kiertoepäsymmetrian astigmaatilla, mikä teki uuden läpimurron elektronimikroskoopin erotuskyvyssä ja saavutti vähitellen nykyaikaisen tason. Kiinassa kehitettiin vuonna 1958 menestyksekkäästi 3 nanometrin resoluutiolla varustettu transmissioelektronimikroskooppi, ja vuonna 1979 valmistettiin laajamittainen elektronimikroskooppi, jonka resoluutio oli 0,3 nanometriä.
Vaikka elektronimikroskooppien erotuskyky on paljon parempi kuin optisten mikroskooppien, elävien organismien havainnointi on vaikeaa, koska elektronimikroskooppien on toimittava tyhjiöolosuhteissa, ja elektronisuihkujen säteilytys aiheuttaa myös säteilyvaurioita biologisille näytteille. Muitakin asioita, kuten elektronipistoolin kirkkauden ja elektronilinssin laadun parantamista, on myös tutkittava lisää.
Erotuskyky on tärkeä elektronimikroskoopin indikaattori, joka liittyy näytteen läpi kulkevan elektronisäteen tulevaan kartiokulmaan ja aallonpituuteen. Näkyvän valon aallonpituus on noin 300 - 700 nanometriä, kun taas elektronisäteen aallonpituus on suhteessa kiihdytysjännitteeseen. Kun kiihdytysjännite on 50-100 kV, elektronisuihkun aallonpituus on noin 0.0053-0.0037 nm. Koska elektronisäteen aallonpituus on paljon pienempi kuin näkyvän valon aallonpituus, vaikka elektronisäteen kartiokulma on vain 1 prosentti optisen mikroskoopin aallonpituudesta, elektronimikroskoopin erotuskyky on silti paljon parempi kuin sen. optisesta mikroskoopista.
Elektronimikroskooppi koostuu kolmesta osasta: linssiputkesta, tyhjiöjärjestelmästä ja virtalähteestä. Linssin piippu sisältää pääasiassa elektronipistoolin, elektronilinssin, näytetelineen, fluoresoivan näytön ja kameramekanismin, jotka on yleensä koottu sylinteriin ylhäältä alas; tyhjiöjärjestelmä koostuu mekaanisesta tyhjiöpumpusta, diffuusiopumpusta ja tyhjiöventtiilistä jne. Kaasuputki on yhdistetty linssin piippuun; teholähdekaappi koostuu suurjännitegeneraattorista, viritysvirran stabilisaattorista sekä erilaisista säätö- ja ohjausyksiköistä.
Elektronilinssi on tärkeä osa elektronimikroskoopin piippua. Se käyttää spatiaalista sähkökenttää tai magneettikenttää, joka on symmetrinen piipun akseliin nähden, elektronin liikeradan taivuttamiseksi akseliin kohdistuksen muodostamiseksi. Sen tehtävä on samanlainen kuin lasikuperalla linssillä säteen tarkentamiseksi, joten sitä kutsutaan elektronilinssiksi. . Useimmat nykyaikaiset elektronimikroskoopit käyttävät sähkömagneettisia linssejä, jotka fokusoivat elektronit vahvalla magneettikentällä, jonka tuottaa erittäin vakaa DC-viritysvirta napakengällä varustetun kelan läpi.
Elektronitykki on komponentti, joka koostuu volframifilamentin kuumakatodista, hilasta ja katodista. Se voi lähettää ja muodostaa elektronisuihkun tasaisella nopeudella, joten kiihdytysjännitteen stabiilius on vähintään 1/10,000.
Elektronimikroskoopit voidaan jakaa rakenteensa ja käyttötarkoituksensa mukaan transmissioelektronimikroskooppeihin, pyyhkäisyelektronimikroskooppeihin, heijastuselektronimikroskooppeihin ja emissioelektronimikroskooppeihin. Transmissioelektronimikroskooppeja käytetään usein tarkkailemaan niitä hienoja materiaalirakenteita, joita ei tavallisilla mikroskoopeilla voida erottaa; pyyhkäisyelektronimikroskooppeja käytetään pääasiassa kiinteiden pintojen morfologian tarkkailuun, ja ne voidaan myös yhdistää röntgendiffraktometreihin tai elektronienergiaspektrometreihin elektronien muodostamiseksi. Mikrokoettimet materiaalin koostumuksen analysointiin; Emissioelektronimikroskoopia itsesäteilevien elektronipintojen tutkimiseen.
Projektioelektronimikroskooppi on saanut nimensä siitä, että elektronisäde tunkeutuu näytteeseen ja käyttää sitten elektronilinssiä kuvaamiseen ja suurentamiseen. Sen optinen polku on samanlainen kuin optisen mikroskoopin. Tässä elektronimikroskoopissa kuvan yksityiskohtien kontrasti syntyy sirottamalla elektronisuihkua näytteen atomeista. Ohuet tai vähemmän tiheät näytteen osat, elektronisäde siroaa vähemmän, joten enemmän elektroneja kulkee objektiivin aukon läpi, osallistuu kuvantamiseen ja näyttää kirkkaammalta kuvassa. Sitä vastoin näytteen paksummat tai tiheämmät osat näyttävät tummemmilta kuvassa. Jos näyte on liian paksu tai liian tiheä, kuvan kontrasti heikkenee tai jopa vaurioituu tai tuhoutuu absorboimalla elektronisäteen energiaa.
Transmissioelektronimikroskoopin putken yläosa on elektronipistooli, elektronit emittoivat volframifilamentin kuumakatodin kautta, kulkevat laserin läpi ja kaksi toista kondensaattorilinssiä fokusoivat elektronisäteen. Sen jälkeen, kun elektronisäde on kulkenut näytteen läpi, se kuvataan välipeilillä objektiivin linssillä ja suurennetaan sitten vaiheittain välipeilin ja projektiopeilin läpi ja kuvataan sitten fluoresoivalle näytölle tai valokuvauskuivalevylle.
Välipeili säätää pääasiassa viritysvirtaa, ja suurennusta voidaan jatkuvasti muuttaa kymmenistä kertoista satoihin tuhansiin kertoihin; muuttamalla välipeilin polttoväliä voidaan saada elektronimikroskooppikuvia ja elektronidiffraktiokuvia saman näytteen pienistä osista. . Paksumpien metalliviipalenäytteiden tutkimiseksi ranskalainen Dulos Electron Optics Laboratory on kehittänyt ultrakorkeajänniteelektronimikroskoopin, jonka kiihdytysjännite on 3500 kV. Pyyhkäisyelektronimikroskoopin rakennekaavio
Pyyhkäisyelektronimikroskoopin elektronisäde ei kulje näytteen läpi, vaan skannaa vain näytteen pintaa sekundäärielektronien virittämiseksi. Näytteen viereen sijoitettu tuikekide vastaanottaa nämä sekundaariset elektronit ja moduloi kuvaputken elektronisuihkun intensiteettiä vahvistuksen jälkeen, mikä muuttaa kuvaputken näytön kirkkautta. Kuvaputken poikkeutuskela jatkaa pyyhkäisemistä synkronisesti näytteen pinnalla olevan elektronisuihkun kanssa siten, että kuvaputken fluoresoiva näyttö näyttää näytepinnan topografisen kuvan, joka on samanlainen kuin teollisuustelevision toimintaperiaate.
Pyyhkäisyelektronimikroskoopin resoluutio määräytyy pääasiassa näytteen pinnalla olevan elektronisäteen halkaisijan mukaan. Suurennus on kuvaputken skannausamplitudin suhde näytteen skannausamplitudiin, jota voidaan jatkuvasti muuttaa kymmenistä kertoista satoihin tuhansiin kertoja. Pyyhkäisyelektronimikroskooppi ei vaadi kovin ohuita näytteitä; kuvalla on vahva kolmiulotteinen vaikutus; se voi analysoida aineen koostumusta käyttämällä tietoja, kuten sekundäärielektroneja, absorboituneita elektroneja ja röntgensäteitä, jotka syntyvät elektronisuihkujen vuorovaikutuksesta aineen kanssa.
Pyyhkäisyelektronimikroskoopin elektronipyssy ja kondensaattori ovat suunnilleen samat kuin transmissioelektronimikroskoopin, mutta elektronisuihkun ohenemiseksi kondensaattorin alle on lisätty objektiivilinssi ja astigmaatikko sekä kaksi sarjaa pyyhkäisyelektroneja. jotka ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden, on asennettu objektiivin sisään. kela. Objektiivin alla olevassa näytekammiossa on näytepinta, jota voidaan siirtää, pyörittää ja kallistaa.
