Elektronimikroskoopin optinen periaate ja käyttöalue
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. Transmissioelektronimikroskoopin resoluutio oli 1970 s noin 0,3 nanometriä (ihmissilmän resoluutio on noin 0,1 mm). Nyt elektronimikroskoopin maksimisuurennus ylittää 3 miljoonaa kertaa ja optisen mikroskoopin maksimisuurennus 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 resoluutio saavutti 50 nanometriä, mikä oli noin kymmenen kertaa optisen mikroskoopin tuolloin resoluutio, joten elektronimikroskooppi alkoi saada ihmisten huomion.
Vuonna 194 0 Yhdysvalloissa Hill käytti hajautinta kompensoimaan elektronin linssin kiertoepäsymmetriaa, mikä teki uuden läpimurron elektronimikroskoopin erotuskyvyssä ja saavutti vähitellen nykyaikaisen tason. Kiinassa kehitettiin vuonna 1958 menestyksekkäästi läpäisyelektronimikroskooppi, jonka resoluutio on 3 nanometriä, ja suuri elektronimikroskooppi, jonka resoluutio on 0,3 nanometriä, valmistettiin vuonna 1979. 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 vaurioitumista säteilyn vaikutuksesta. Muita kysymyksiä, kuten elektronipistoolin kirkkauden parantamista ja elektronilinssin laatua, on vielä tutkimatta. Erotuskyky on tärkeä elektronimikroskoopin indeksi, joka liittyy näytteen läpi kulkevan elektronisäteen tulevaan kartiokulmaan ja aallonpituuteen. Näkyvän valon aallonpituus on noin 300-700 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 virtakaappi. 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 piipun tärkein komponentti. Se käyttää avaruussähkökenttää tai magneettikenttää, joka on symmetrinen linssin piipun akseliin nähden taivuttamaan elektronin liikeradan akseliin kohdistuksen muodostamiseksi, ja sen toiminta on samanlainen kuin lasikuperalla linssillä säteen tarkentamiseen, joten se on kutsutaan elektroniseksi linssiksi. Useimmat nykyaikaiset elektronimikroskoopit käyttävät sähkömagneettisia linssejä, jotka fokusoivat elektronit vahvan magneettikentän kautta, jonka tuottaa erittäin vakaa DC-viritysvirta, joka kulkee napakappaleiden käämin läpi.
Elektronitykki koostuu volframi-kuumakatodista, hilasta ja katodista.
kappaletta. Se voi lähettää ja muodostaa elektronisuihkuja tasaisella nopeudella, joten kiihdytysjännitteen stabiilisuudelta vaaditaan vähintään yksi kymmenesosa.
Elektronimikroskoopit voidaan jakaa transmissioelektronimikroskooppeihin niiden rakenteen ja käyttötarkoituksen mukaan.
Mikroskoopit, pyyhkäisyelektronimikroskoopit ja emissioelektronimikroskoopit jne. 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 ohuempia tai vähemmän tiheitä osia elektronisuihku hajottaa vähemmän, joten enemmän elektroneja kulkee objektiivin diafragman läpi osallistuakseen kuvantamiseen ja näyttävän 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 elektronitykki, ja elektronit emittoivat kuuma volframikatodi, ja ensimmäinen ja toinen kondensaattorilinssi fokusoivat elektronisuihkun. Kun elektronisäde on kulkenut näytteen läpi, se kuvataan välipeilillä objektiivin linssillä ja suurennetaan sitten vaiheittain välipeilillä ja projektiopeilillä 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 elektronimikroskooppinen kuva saman näytteen pienestä osasta
ja elektronidiffraktiokuvia. Voidakseen tutkia paksumpia metalliviipalenäytteitä Ranskan Dulosissa sijaitseva elektronoptiikan laboratorio on kehittänyt ultrakorkeajänniteelektronimikroskoopin, jonka kiihdytysjännite on 3500 kV.
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, mikä muuttaa kuvaputken loisteputkinäytön kirkkautta. Kineskoopin poikkeutuskela jatkaa skannausta synkronisesti näytteen pinnalla olevan elektronisuihkun kanssa siten, että kineskoopin fluoresoiva näyttö näyttää näytepinnan topografisen kuvan, joka on samanlainen kuin teollisuustelevision toimintaperiaate.
Pyyhkäisyelektronimikroskoopin resoluutio määräytyy ensisijaisesti 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 tietoja, kuten sekundäärielektroneja, absorboituneita elektroneja ja elektronisuihkujen ja aineiden välisen vuorovaikutuksen tuottamia röntgensäteitä, analysoidakseen aineiden koostumusta.
Pyyhkäisyelektronimikroskoopin elektronipyssy ja kondensaattorilinssi ovat suunnilleen samat kuin transmissioelektronimikroskoopin, mutta elektronisuihkun ohenemiseksi 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, jota voidaan siirtää, kääntää ja kallistaa.
