Πλεονεκτήματα της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας έναντι της Μικροσκοπίας Φωτός
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο είναι ένα όργανο που χρησιμοποιεί δέσμες ηλεκτρονίων και φακούς ηλεκτρονίων αντί για δέσμες φωτός και οπτικούς φακούς για να απεικονίσει τις λεπτές δομές των ουσιών σε πολύ υψηλές μεγεθύνσεις με βάση την αρχή της οπτικής ηλεκτρονίων.
Η διακριτική ισχύς ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου αντιπροσωπεύεται από τη μικρή απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών σημείων που μπορεί να ξεχωρίσει. Στη δεκαετία του 1970, τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια μετάδοσης είχαν ανάλυση περίπου 0,3 νανόμετρα (η ικανότητα ανάλυσης του ανθρώπινου ματιού είναι περίπου 0,1 χιλιοστά). Τώρα η μέγιστη μεγέθυνση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου υπερβαίνει τις 3 εκατομμύρια φορές, ενώ η μέγιστη μεγέθυνση του οπτικού μικροσκοπίου είναι περίπου 2000 φορές, έτσι τα άτομα ορισμένων βαρέων μετάλλων και τα σωστά διατεταγμένα ατομικά πλέγματα στον κρύσταλλο μπορούν να παρατηρηθούν απευθείας μέσω του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου .
Το 1931, οι Knorr-Bremse και Ruska της Γερμανίας επανατοποθέτησαν έναν παλμογράφο υψηλής τάσης με πηγή ηλεκτρονίων εκκένωσης ψυχρής καθόδου και τρεις φακούς ηλεκτρονίων, και έλαβαν μια εικόνα μεγεθυμένη πάνω από δέκα φορές, η οποία επιβεβαίωσε τη δυνατότητα μεγεθυμένης απεικόνισης με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Το 1932, μετά τη βελτίωση του Ruska, η διακριτική ισχύς του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου έφτασε τα 50 νανόμετρα, περίπου δέκα φορές τη διακριτική ισχύ του οπτικού μικροσκοπίου εκείνη την εποχή, οπότε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο άρχισε να τραβά την προσοχή των ανθρώπων.
Στη δεκαετία του 1940, ο Hill στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποίησε έναν αστιγματοποιητή για να αντισταθμίσει την περιστροφική ασυμμετρία του ηλεκτρονιακού φακού, ο οποίος έκανε μια νέα σημαντική ανακάλυψη στην ικανότητα ανάλυσης του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου και σταδιακά έφτασε στο σύγχρονο επίπεδο. Στην Κίνα, ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης αναπτύχθηκε με επιτυχία το 1958 με ανάλυση 3 νανόμετρα και το 1979 κατασκευάστηκε ένα μεγάλο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο με ανάλυση 0,3 νανόμετρα.
Αν και η ισχύς διαχωρισμού του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου είναι πολύ ανώτερη από αυτή του οπτικού μικροσκοπίου, είναι δύσκολο να παρατηρηθούν ζωντανοί οργανισμοί επειδή το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο χρειάζεται να λειτουργήσει υπό συνθήκες κενού και η ακτινοβολία των δεσμών ηλεκτρονίων θα προκαλέσει επίσης βλάβη από ακτινοβολία σε βιολογικά δείγματα . Άλλα ζητήματα, όπως η βελτίωση της φωτεινότητας του όπλου ηλεκτρονίων και η ποιότητα του ηλεκτρονιακού φακού, πρέπει επίσης να μελετηθούν περαιτέρω.
Η ισχύς ανάλυσης είναι ένας σημαντικός δείκτης του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, ο οποίος σχετίζεται με την προσπίπτουσα γωνία κώνου και το μήκος κύματος της δέσμης ηλεκτρονίων που διέρχεται από το δείγμα. Το μήκος κύματος του ορατού φωτός είναι περίπου {{0}} νανόμετρα, ενώ το μήκος κύματος των δεσμών ηλεκτρονίων σχετίζεται με την τάση επιτάχυνσης. Όταν η τάση επιτάχυνσης είναι 50-100 kV, το μήκος κύματος της δέσμης ηλεκτρονίων είναι περίπου 0.0053-0,0037 νανόμετρα. Δεδομένου ότι το μήκος κύματος της δέσμης ηλεκτρονίων είναι πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του ορατού φωτός, ακόμα κι αν η γωνία κώνου της δέσμης ηλεκτρονίων είναι μόνο 1 τοις εκατό αυτής του οπτικού μικροσκοπίου, η ισχύς ανάλυσης του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου εξακολουθεί να είναι πολύ ανώτερη από αυτήν του οπτικού μικροσκοπίου.
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αποτελείται από τρία μέρη: κύλινδρο φακού, σύστημα κενού και θάλαμο τροφοδοσίας. Η κάννη του φακού περιλαμβάνει κυρίως όπλα ηλεκτρονίων, φακούς ηλεκτρονίων, θήκες δειγμάτων, οθόνες φθορισμού και μηχανισμούς κάμερας. Αυτά τα εξαρτήματα συνήθως συναρμολογούνται σε μια στήλη από πάνω προς τα κάτω. το σύστημα κενού αποτελείται από μηχανικές αντλίες κενού, αντλίες διάχυσης και βαλβίδες κενού. Ο αγωγός αερίου συνδέεται με το βαρέλι του φακού. ο πίνακας ισχύος αποτελείται από μια γεννήτρια υψηλής τάσης, έναν σταθεροποιητή ρεύματος διέγερσης και διάφορες μονάδες ελέγχου ρύθμισης.
Ο ηλεκτρονικός φακός είναι ένα σημαντικό μέρος του κυλινδρικού φακού του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Χρησιμοποιεί ένα διαστημικό ηλεκτρικό πεδίο ή μαγνητικό πεδίο συμμετρικό προς τον άξονα του κυλίνδρου του φακού για να κάμψει την τροχιά των ηλεκτρονίων προς τον άξονα για να σχηματίσει μια εστίαση. Η λειτουργία του είναι παρόμοια με αυτή ενός γυάλινου κυρτού φακού για την εστίαση της δέσμης, γι' αυτό ονομάζεται ηλεκτρονικός φακός. . Τα περισσότερα σύγχρονα ηλεκτρονικά μικροσκόπια χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικούς φακούς, οι οποίοι εστιάζουν τα ηλεκτρόνια μέσω ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από ένα πολύ σταθερό ρεύμα διέγερσης συνεχούς ρεύματος που διέρχεται από ένα πηνίο με πόλους.
Το όπλο ηλεκτρονίων αποτελείται από θερμή κάθοδο βολφραμίου, πλέγμα και κάθοδο. Μπορεί να εκπέμπει και να σχηματίζει μια δέσμη ηλεκτρονίων με ομοιόμορφη ταχύτητα, επομένως η σταθερότητα της τάσης επιτάχυνσης απαιτείται να μην είναι μικρότερη από το ένα δέκατο χιλιοστό.
Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια μπορούν να χωριστούν σε ηλεκτρονικά μικροσκόπια μετάδοσης, ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάρωσης, ηλεκτρονικά μικροσκόπια ανάκλασης και ηλεκτρονικά μικροσκόπια εκπομπής ανάλογα με τη δομή και τις χρήσεις τους. Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια μετάδοσης χρησιμοποιούνται συχνά για την παρατήρηση των λεπτών δομών υλικών που δεν μπορούν να αναλυθούν με συνηθισμένα μικροσκόπια. Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάρωσης χρησιμοποιούνται κυρίως για την παρατήρηση της μορφολογίας των στερεών επιφανειών και μπορούν επίσης να συνδυαστούν με περιθλασίμετρα ακτίνων Χ ή φασματόμετρα ενέργειας ηλεκτρονίων για να σχηματίσουν ηλεκτρονικούς μικροανιχνευτές για ανάλυση σύνθεσης υλικού. ηλεκτρονικό μικροσκόπιο εκπομπής για τη μελέτη επιφανειών ηλεκτρονίων που εκπέμπουν μόνοι τους.
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο προβολής πήρε το όνομά του από τη διείσδυση της δέσμης ηλεκτρονίων στο δείγμα και στη συνέχεια μεγεθύνει την εικόνα με τον ηλεκτρονικό φακό. Η οπτική του διαδρομή είναι παρόμοια με αυτή ενός οπτικού μικροσκοπίου. Σε αυτό το είδος ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, η αντίθεση στη λεπτομέρεια της εικόνας δημιουργείται από τη σκέδαση της δέσμης ηλεκτρονίων από τα άτομα του δείγματος. Το λεπτότερο ή χαμηλότερης πυκνότητας τμήμα του δείγματος έχει λιγότερη σκέδαση δέσμης ηλεκτρονίων, έτσι ώστε περισσότερα ηλεκτρόνια να περνούν από το αντικειμενικό διάφραγμα και να συμμετέχουν στην απεικόνιση και να φαίνονται πιο φωτεινά στην εικόνα. Αντίθετα, παχύτερα ή πυκνότερα μέρη του δείγματος εμφανίζονται πιο σκούρα στην εικόνα. Εάν το δείγμα είναι πολύ παχύ ή πολύ πυκνό, η αντίθεση της εικόνας θα επιδεινωθεί ή ακόμη και θα καταστραφεί ή θα καταστραφεί απορροφώντας την ενέργεια της δέσμης ηλεκτρονίων.
Η κορυφή της κάννης φακού του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μετάδοσης είναι το όπλο ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από την καυτή κάθοδο βολφραμίου και διέρχονται από το *, και οι δύο δεύτεροι συμπυκνωτές εστιάζουν τη δέσμη ηλεκτρονίων. Αφού περάσει μέσα από το δείγμα, η δέσμη ηλεκτρονίων απεικονίζεται στο ενδιάμεσο κάτοπτρο από τον αντικειμενικό φακό, και στη συνέχεια μεγεθύνεται βήμα προς βήμα μέσω του ενδιάμεσου καθρέφτη και του καθρέφτη προβολής και στη συνέχεια απεικονίζεται στη φθορίζουσα οθόνη ή στη φωτοσυνεκτική πλάκα.
Η μεγέθυνση του ενδιάμεσου κατόπτρου μπορεί να αλλάζει συνεχώς από δεκάδες φορές σε εκατοντάδες χιλιάδες φορές κυρίως μέσω της ρύθμισης του ρεύματος διέγερσης. αλλάζοντας την εστιακή απόσταση του ενδιάμεσου κατόπτρου, μπορούν να ληφθούν ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες και εικόνες περίθλασης ηλεκτρονίων στα μικροσκοπικά μέρη του ίδιου δείγματος. Προκειμένου να μελετηθούν δείγματα παχύτερων φετών μετάλλων, το Γαλλικό Εργαστήριο Οπτικών Ηλεκτρονίων Dulos ανέπτυξε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο εξαιρετικά υψηλής τάσης με επιταχυνόμενη τάση 3500 kV. Σχηματικό διάγραμμα δομής ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης
Η δέσμη ηλεκτρονίων του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης δεν διέρχεται από το δείγμα, αλλά μόνο σαρώνει και διεγείρει δευτερεύοντα ηλεκτρόνια στην επιφάνεια του δείγματος. Ο κρύσταλλος σπινθηρισμού που τοποθετείται δίπλα στο δείγμα λαμβάνει αυτά τα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια, ενισχύει και διαμορφώνει την ένταση της δέσμης ηλεκτρονίων του σωλήνα εικόνας, αλλάζοντας έτσι τη φωτεινότητα στην οθόνη του σωλήνα εικόνας. Το πηνίο εκτροπής του σωλήνα εικόνας διατηρεί τη σύγχρονη σάρωση με τη δέσμη ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του δείγματος, έτσι ώστε η φθορίζουσα οθόνη του σωλήνα εικόνας να εμφανίζει την τοπογραφική εικόνα της επιφάνειας του δείγματος, η οποία είναι παρόμοια με την αρχή λειτουργίας μιας βιομηχανικής τηλεόρασης .
Η ανάλυση ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης καθορίζεται κυρίως από τη διάμετρο της δέσμης ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του δείγματος. Η μεγέθυνση είναι η αναλογία του πλάτους σάρωσης στο σωλήνα εικόνας προς το πλάτος σάρωσης στο δείγμα, η οποία μπορεί να αλλάζει συνεχώς από δεκάδες φορές σε εκατοντάδες χιλιάδες φορές. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης δεν απαιτεί πολύ λεπτά δείγματα. η εικόνα έχει ισχυρό τρισδιάστατο αποτέλεσμα. Μπορεί να χρησιμοποιήσει πληροφορίες όπως δευτερεύοντα ηλεκτρόνια, απορροφημένα ηλεκτρόνια και ακτίνες Χ που παράγονται από την αλληλεπίδραση μεταξύ δέσμης ηλεκτρονίων και ουσιών για να αναλύσει τη σύνθεση των ουσιών.
Το ηλεκτρονικό πιστόλι και ο φακός συμπυκνωτή του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης είναι περίπου ίδιοι με εκείνους του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μετάδοσης, αλλά για να γίνει πιο λεπτή η δέσμη ηλεκτρονίων, προστίθενται ένας αντικειμενικός φακός και ένας αστιγματοποιητής κάτω από τον συμπυκνωτή και δύο σετ Στο εσωτερικό του αντικειμενικού φακού τοποθετούνται αμοιβαία κάθετες δέσμες σάρωσης. σπείρα. Ο θάλαμος δειγμάτων κάτω από τον αντικειμενικό φακό είναι εξοπλισμένος με μια βαθμίδα δείγματος που μπορεί να κινείται, να περιστρέφεται και να γέρνει.
