Πλεονεκτήματα της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας έναντι της Μικροσκοπίας Φωτός
Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο οπτικό μικροσκόπιο απεικόνισης αρχή ομοιότητες και διαφορές
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο είναι ένα όργανο που αντικαθιστά τη δέσμη φωτός και τον οπτικό φακό με δέσμη ηλεκτρονίων και φακό ηλεκτρονίων σύμφωνα με την αρχή της οπτικής ηλεκτρονίων, έτσι ώστε η λεπτή δομή της ύλης να μπορεί να απεικονιστεί υπό πολύ υψηλή μεγέθυνση.
Η διακριτική ισχύς ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου εκφράζεται 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 (το ανθρώπινο μάτι έχει ικανότητα ανάλυσης περίπου 0,1 χιλιοστά). Τώρα η μέγιστη μεγέθυνση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου είναι πάνω από 3 εκατομμύρια φορές και η μέγιστη μεγέθυνση του οπτικού μικροσκοπίου είναι περίπου 2000 φορές, έτσι τα άτομα ορισμένων βαρέων μετάλλων και το σωστά τοποθετημένο ατομικό πλέγμα στους κρυστάλλους μπορούν να παρατηρηθούν απευθείας μέσω του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου.
Το 1931, οι Knorr-Bremse και Ruska στη Γερμανία τροποποίησαν έναν παλμογράφο υψηλής τάσης με πηγή ηλεκτρονίων εκκένωσης ψυχρής καθόδου και τρεις φακούς ηλεκτρονίων, και έλαβαν μια μεγεθυμένη εικόνα πάνω από δέκα φορές, η οποία επιβεβαίωσε τη δυνατότητα μεγέθυνσης της απεικόνισης από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο . . Το 1932, μετά τη βελτίωση του Ruska, η διακριτική ισχύς του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου έφτασε τα 50 νανόμετρα, που ήταν περίπου δέκα φορές μεγαλύτερη από το οπτικό μικροσκόπιο εκείνη την εποχή, οπότε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο άρχισε να προσελκύει την προσοχή των ανθρώπων.
Το 1940, ο Hill στις Ηνωμένες Πολιτείες αντιστάθμισε την περιστροφική ασυμμετρία του ηλεκτρονιακού φακού με έναν αστιγματιστή, 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 με ανάλυση 3 νανόμετρων αναπτύχθηκε με επιτυχία το 1958 και ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μεγάλης κλίμακας με ανάλυση 0,3 νανόμετρα κατασκευάστηκε το 1979.
Αν και η διακριτική ισχύς των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων είναι πολύ καλύτερη από αυτή των οπτικών μικροσκοπίων, είναι δύσκολο να παρατηρηθούν ζωντανοί οργανισμοί επειδή τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια πρέπει να λειτουργούν 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 τη γωνία προσπίπτοντος κώνου και το μήκος κύματος της δέσμης ηλεκτρονίων που διέρχεται από το δείγμα. Το μήκος κύματος του ορατού φωτός είναι περίπου 300 έως 700 νανόμετρα, ενώ το μήκος κύματος της δέσμης 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 nm. 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 ενός οπτικού μικροσκοπίου, η ισχύς ανάλυσης ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου εξακολουθεί να είναι πολύ ανώτερη από αυτήν ενός οπτικού μικροσκοπίου.
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αποτελείται από τρία μέρη: τον σωλήνα φακού, το σύστημα κενού και τον πίνακα τροφοδοσίας. Η κάννη του φακού περιλαμβάνει κυρίως πιστόλι ηλεκτρονίων, φακό ηλεκτρονίων, θήκη δείγματος, οθόνη φθορισμού και μηχανισμό κάμερας, τα οποία συνήθως συναρμολογούνται σε έναν κύλινδρο από πάνω προς τα κάτω. Το σύστημα κενού αποτελείται από μηχανική αντλία κενού, αντλία διάχυσης και βαλβίδα κενού κ.λπ. Ο αγωγός αερίου συνδέεται με το βαρέλι του φακού. ο πίνακας τροφοδοσίας αποτελείται από μια γεννήτρια υψηλής τάσης, έναν σταθεροποιητή ρεύματος διέγερσης και διάφορες μονάδες ρύθμισης και ελέγχου.
Ο ηλεκτρονικός φακός είναι ένα σημαντικό μέρος του βαρελιού του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Χρησιμοποιεί ένα χωρικό ηλεκτρικό πεδίο ή μαγνητικό πεδίο συμμετρικό προς τον άξονα του κυλίνδρου για να κάμψει την τροχιά των ηλεκτρονίων προς τον άξονα για να σχηματίσει εστίαση. Η λειτουργία του είναι παρόμοια με αυτή ενός γυάλινου κυρτού φακού για την εστίαση της δέσμης, γι' αυτό ονομάζεται φακός ηλεκτρονίων. . Τα περισσότερα σύγχρονα ηλεκτρονικά μικροσκόπια χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικούς φακούς, οι οποίοι εστιάζουν τα ηλεκτρόνια από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ένα πολύ σταθερό ρεύμα διέγερσης συνεχούς ρεύματος μέσω ενός πηνίου με πέλμα.
Το όπλο ηλεκτρονίων είναι ένα εξάρτημα που αποτελείται από μια θερμή κάθοδο με νήμα βολφραμίου, ένα πλέγμα και μια κάθοδο. Μπορεί να εκπέμπει και να σχηματίζει μια δέσμη ηλεκτρονίων με ομοιόμορφη ταχύτητα, επομένως η σταθερότητα της τάσης επιτάχυνσης δεν είναι μικρότερη από 1/10,000.
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 τη χρήση τους. Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια μετάδοσης χρησιμοποιούνται συχνά για την παρατήρηση εκείνων των λεπτών υλικών δομών που δεν μπορούν να διακριθούν από τα 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 ηλεκτρόνια. Μικροανιχνευτές για την ανάλυση της σύνθεσης του 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 χρησιμοποιεί τον ηλεκτρονικό φακό για την απεικόνιση και τη μεγέθυνση. Η οπτική του διαδρομή είναι παρόμοια με αυτή ενός οπτικού μικροσκοπίου. Σε αυτό το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, η αντίθεση των λεπτομερειών της εικόνας δημιουργείται από τη σκέδαση της δέσμης ηλεκτρονίων από τα άτομα του δείγματος. Λεπτότερα ή λιγότερο πυκνά μέρη του δείγματος, η δέσμη ηλεκτρονίων διασκορπίζεται λιγότερο, έτσι περισσότερα ηλεκτρόνια περνούν από το άνοιγμα του αντικειμένου, συμμετέχουν στην απεικόνιση και εμφανίζονται 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 του σωλήνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μετάδοσης είναι το όπλο ηλεκτρονίων, τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από την καυτή κάθοδο του νήματος βολφραμίου, περνούν μέσα από το λέιζερ και οι δύο δεύτεροι φακοί συμπυκνωτή 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 φωτογραφική ξηρή πλάκα.
Το ενδιάμεσο κάτοπτρο προσαρμόζει κυρίως το ρεύμα διέγερσης και η μεγέθυνση μπορεί να αλλάζει συνεχώς από δεκάδες φορές σε εκατοντάδες χιλιάδες φορές. αλλάζοντας την εστιακή απόσταση του ενδιάμεσου κατόπτρου, μπορούν να ληφθούν εικόνες ηλεκτρονικού μικροσκοπίου και εικόνες περίθλασης ηλεκτρονίων σε μικροσκοπικά μέρη του ίδιου δείγματος. . Προκειμένου να μελετηθούν δείγματα παχύτερων φετών μετάλλου, το γαλλικό εργαστήριο οπτικών ηλεκτρονικών Dulos ανέπτυξε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο εξαιρετικά υψηλής τάσης με επιταχυνόμενη τάση 3500 kV. Σχήμα Δομής Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης
Η δέσμη ηλεκτρονίων ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης δεν διέρχεται από το δείγμα, αλλά σαρώνει μόνο την επιφάνεια του δείγματος για να διεγείρει δευτερεύοντα ηλεκτρόνια. Ένας κρύσταλλος σπινθηρισμού τοποθετημένος δίπλα στο δείγμα δέχεται αυτά τα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια και ρυθμίζει την ένταση της δέσμης ηλεκτρονίων του σωλήνα εικόνας μετά την ενίσχυση, αλλάζοντας έτσι τη φωτεινότητα στην οθόνη του σωλήνα εικόνας. Ο ζυγός εκτροπής του σωλήνα εικόνας συνεχίζει να σαρώνει ταυτόχρονα 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 της 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. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης δεν απαιτεί πολύ λεπτά δείγματα. η εικόνα έχει ισχυρό τρισδιάστατο αποτέλεσμα. Μπορεί να αναλύσει τη σύνθεση της ύλης χρησιμοποιώντας πληροφορίες όπως δευτερεύοντα ηλεκτρόνια, απορροφημένα ηλεκτρόνια και ακτίνες Χ που παράγονται από την αλληλεπίδραση δέσμης ηλεκτρονίων με την ύλη.
Το ηλεκτρονικό πιστόλι και ο συμπυκνωτής του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης είναι περίπου τα ίδια με αυτά του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μετάδοσης, αλλά για να γίνει η δέσμη ηλεκτρονίων πιο λεπτή, ένας αντικειμενικός φακός και ένας αστιγματιστής προστίθενται κάτω από τον συμπυκνωτή και δύο σετ ηλεκτρονίων σάρωσης που είναι κάθετα μεταξύ τους τοποθετούνται μέσα στον αντικειμενικό φακό. σπείρα. Ο θάλαμος δειγμάτων κάτω από τον αντικειμενικό φακό στεγάζει το στάδιο δείγματος το οποίο μπορεί να μετακινηθεί, να περιστραφεί και να γέρνει.
