Kuinka elektronimikroskooppi suurentaa esineitä
Elektronimikroskooppi on instrumentti, joka käyttää elektronisäteitä ja elektronilinssejä valonsäteiden ja optisten linssien sijaan kuvaamaan aineiden hienoja rakenteita erittäin suurilla suurennoksilla elektronoptiikan periaatteella.
Elektronimikroskoopin erotuskykyä edustaa kahden vierekkäisen pisteen välinen vähimmäisetäisyys, jonka se voi erottaa. 197 0s siirtoelektronimikroskooppien resoluutio oli noin 0,3 nanometriä (ihmissilmän erotuskyky on noin 0,1 millimetriä). Nyt elektronimikroskoopin maksimisuurennus ylittää 3 miljoonaa kertaa, kun taas optisen mikroskoopin suurin suurennus on noin 2000-kertainen, joten joidenkin raskasmetallien atomit ja kiteen siististi järjestetyt atomihilat voidaan tarkkailla suoraan elektronimikroskoopin läpi. .
Vuonna 1931 saksalaiset Knorr-Bremse ja Ruska varustivat korkeajänniteoskilloskoopin, jossa oli kylmäkatodipurkauselektronilähde ja kolme elektronilinssiä, ja saivat yli kymmenen kertaa suurennetun kuvan, mikä vahvisti elektronimikroskoopilla suurennetun kuvantamisen mahdollisuuden. Vuonna 1932 Ruskan parannusten jälkeen elektronimikroskoopin erotuskyky oli 50 nanometriä, noin kymmenen kertaa optisen mikroskoopin erotuskyky tuolloin, joten elektronimikroskooppi alkoi saada ihmisten huomion.
1940-luvulla Hill Yhdysvalloissa käytti hajautinta kompensoimaan elektronin linssin pyörimishäiriötä, mikä teki uuden läpimurron elektronimikroskoopin erotuskyvyssä ja saavutti vähitellen nykyaikaisen tason. Kiinassa kehitettiin vuonna 1958 menestyksekkäästi transmissioelektronimikroskooppi, jonka resoluutio oli 3 nanometriä, ja vuonna 1979 valmistettiin suuri elektronimikroskooppi, jonka resoluutio oli 0,3 nanometriä.
Vaikka elektronimikroskoopin erotuskyky on paljon parempi kuin optisen mikroskoopin, elävien organismien havainnointi on vaikeaa, koska elektronimikroskoopin on toimittava tyhjiöolosuhteissa ja elektronisuihkun säteilytys aiheuttaa myös biologisten näytteiden hajoamisen. vaurioitua säteilystä. Muitakin asioita, kuten elektronipistoolin kirkkauden ja elektronilinssin laadun parantamista, on myös tutkittava lisää.
Erotuskyky on tärkeä elektronimikroskopian indikaattori, joka liittyy näytteen läpi kulkevan elektronisäteen tulevaan kartiokulmaan ja aallonpituuteen. Näkyvän valon aallonpituus on noin {{0}} nanometriä, kun taas elektronisuihkun aallonpituus on suhteessa kiihdytysjännitteeseen. Kun kiihdytysjännite on 50-100 kV, elektronisuihkun aallonpituus on noin 0.0053-0.0037 nanometriä. 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: linssin piippu, tyhjiöjärjestelmä ja virtalähdekaappi. Linssin piippu sisältää pääasiassa elektronipistooleja, elektronilinssejä, näytetelineitä, fluoresoivia näyttöjä ja kameramekanismeja. Nämä komponentit kootaan yleensä pylvääksi ylhäältä alas; tyhjiöjärjestelmä koostuu mekaanisista tyhjiöpumpuista, diffuusiopumpuista ja tyhjiöventtiileistä. Kaasuputki on yhdistetty linssin piippuun; tehokaappi koostuu suurjännitegeneraattorista, viritysvirran stabilisaattorista ja erilaisista säätöyksiköistä.
Elektronilinssi on elektronimikroskoopin linssin piipun tärkein osa. Se käyttää avaruussähkökenttää tai magneettikenttää, joka on symmetrinen linssin piipun akseliin nähden, taivuttamaan elektroniradan akseliin kohdistuksen muodostamiseksi. Sen tehtävä on samanlainen kuin lasikuperalla linssillä säteen tarkentamiseksi, joten sitä kutsutaan elektroniksi. linssi. Useimmat nykyaikaiset elektronimikroskoopit käyttävät sähkömagneettisia linssejä, jotka fokusoivat elektronit vahvan magneettikentän kautta, jonka tuottaa erittäin vakaa DC-viritysvirta, joka kulkee napakengillä varustetun kelan läpi.
Elektronitykki on komponentti, joka koostuu volframifilamenttikuumakatodista, hilasta ja katodista. Se voi lähettää ja muodostaa elektronisuihkun tasaisella nopeudella, joten kiihdytysjännitteen stabiilisuudelta vaaditaan vähintään yksi 10 tuhannesosa.
Elektronimikroskoopit voidaan jakaa rakenteen ja käyttötarkoituksensa mukaan transmissioelektronimikroskooppeihin, pyyhkäisyelektronimikroskooppeihin, heijastuselektronimikroskooppeihin ja emissioelektronimikroskooppeihin. Transmissioelektronimikroskooppeja käytetään usein tarkkailemaan hienoja materiaalirakenteita, joita ei voida erottaa tavallisilla mikroskoopeilla; pyyhkäisyelektronimikroskooppeja käytetään pääasiassa kiinteiden pintojen morfologian tarkkailuun, ja ne voidaan myös yhdistää röntgendiffraktometreihin tai elektronienergiaspektrometreihin sähköisten mikrokoettimien muodostamiseksi materiaalikoostumusanalyysiä varten; emissioelektronimikroskooppi itsesäteilevien elektronipintojen tutkimiseen.
Transmissioelektronimikroskooppi on saanut nimensä siitä, että elektronisäde tunkeutuu näytteeseen ja suurentaa sitten kuvan elektronilinssillä. Sen optinen polku on samanlainen kuin optisen mikroskoopin. Tämän tyyppisessä elektronimikroskoopissa kuvan yksityiskohtien kontrasti syntyy sirottamalla elektronisuihkua näytteen atomeista. Näytteen ohuemmassa tai pienemmän tiheyden osassa on vähemmän elektronisäteen sirontaa, joten enemmän elektroneja kulkee objektiivin diafragman läpi ja osallistuu kuvantamiseen ja näyttävät kuvassa kirkkaammilta. 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 linssin piipun yläosa on elektroniase. Volframi-kuumakatodi emittoi elektronit, ja ensimmäinen ja toinen kondensaattori fokusoivat elektronisäteet. 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 valokoherentille levylle.
Välipeilin suurennusta voidaan muuttaa jatkuvasti kymmenistä satoihin tuhansiin kertoja pääasiassa viritysvirran säädön avulla; muuttamalla välipeilin polttoväliä voidaan saada elektronimikroskooppisia kuvia ja elektronidiffraktiokuvia saman näytteen pienille osille. Paksumpien metalliviipalenäytteiden tutkimiseksi ranskalainen Dulos Electron Optics Laboratory kehitti ultrakorkeajänniteelektronimikroskoopin, jonka kiihdytysjännite on 3500 kV. Kaavio pyyhkäisyelektronimikroskoopin rakenteesta
Pyyhkäisyelektronimikroskoopin elektronisuihku ei kulje näytteen läpi, vaan ainoastaan skannaa ja virittää sekundäärielektroneja näytteen pinnalla. Näytteen viereen sijoitettu tuikekide vastaanottaa nämä sekundaariset elektronit, vahvistaa ja moduloi kuvaputken elektronisuihkun intensiteettiä ja muuttaa siten kuvaputken näytön kirkkautta. Kuvaputken poikkeutuskela pitää synkronisen pyyhkäisyn elektronisuihkun kanssa näytteen pinnalla, jolloin kuvaputken fluoresoiva näyttö näyttää topografisen kuvan näytteen pinnasta, mikä 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 käyttää tietoa, kuten sekundäärielektroneja, absorboituneita elektroneja ja elektronisuihkujen ja aineiden välisen vuorovaikutuksen synnyttämiä röntgensäteitä, analysoidakseen aineiden koostumusta.
Pyyhkäisyelektronimikroskoopin elektronipyssy ja kondensaattorilinssi ovat suunnilleen samat kuin transmissioelektronimikroskoopin, mutta elektronisuihkun ohentamiseksi kondensaattorilinssin alle on lisätty objektiivilinssi ja astigmatisoija sekä kaksi sarjaa Objektiivin sisään on asennettu keskenään kohtisuorat skannaussäteet. kela. Objektiivin alapuolella oleva näytekammio on varustettu näytepöydällä, joka voi liikkua, pyöriä ja kallistaa.
