Optički princip i područje primjene elektronskog mikroskopa
Elektronski mikroskop je instrument koji koristi elektronske zrake i elektronske leće umjesto svjetlosnih zraka i optičkih leća za prikaz finih struktura tvari pri vrlo velikim povećanjima na temelju principa elektronske optike.
Moć razlučivosti elektronskog mikroskopa predstavljena je minimalnom udaljenošću između dvije susjedne točke koju može razlučiti. Godine 1970, razlučivost transmisijskog elektronskog mikroskopa bila je oko 0.3 nanometara (razlučivost ljudskog oka je oko 0,1 mm). Sada maksimalno povećanje elektronskog mikroskopa prelazi 3 milijuna puta, a maksimalno povećanje optičkog mikroskopa je oko 2000 puta, tako da se atomi nekih teških metala i uredno posložene atomske rešetke u kristalu mogu izravno promatrati kroz elektronski mikroskop. .
Godine 1931. Knorr-Bremse i Ruska iz Njemačke ponovno su opremili visokonaponski osciloskop s izvorom elektrona s hladnim katodnim izbojem i tri elektronske leće, te su dobili sliku uvećanu više od deset puta, što je potvrdilo mogućnost povećanja slike pomoću elektronskog mikroskopa. Godine 1932., nakon Ruskinog usavršavanja, razlučivost elektronskog mikroskopa dosegla je 50 nanometara, što je bilo desetak puta više od razlučivosti tadašnjeg optičkog mikroskopa, pa je elektronski mikroskop počeo privlačiti pozornost ljudi.
Godine 1940, Hill u Sjedinjenim Američkim Državama upotrijebio je astigmatizator za kompenzaciju rotacijske asimetrije elektronske leće, što je napravilo novi proboj u moći razlučivosti elektronskog mikroskopa i postupno dosegnulo modernu razinu. U Kini je 1958. uspješno razvijen prijenosni elektronski mikroskop s razlučivošću od 3 nanometra, a 1979. proizveden je veliki elektronski mikroskop s razlučivošću od 0.3 nanometara. Iako je moć razlučivosti elektronskog mikroskopa daleko bolji od onog kod optičkog mikroskopa, teško je promatrati žive organizme jer elektronski mikroskop treba raditi u uvjetima vakuuma, a zračenje elektronskog snopa također će uzrokovati oštećenje bioloških uzoraka zračenjem. Ostala pitanja, poput poboljšanja svjetline elektronskog topa i kvalitete elektronske leće, tek treba proučavati. Snaga razlučivanja je važan pokazatelj elektronskog mikroskopa, koji je povezan s kutom upadnog stošca i valnom duljinom elektronske zrake koja prolazi kroz uzorak. Valna duljina vidljive svjetlosti je oko 300-700 nanometara, dok je valna duljina elektronskog snopa povezana s naponom ubrzanja. Kada je napon ubrzanja 50-100 kV, valna duljina elektronskog snopa je oko 0.0053-0.0037 nanometara. Budući da je valna duljina elektronskog snopa mnogo manja od valne duljine vidljive svjetlosti, čak i ako je kut stošca elektronskog snopa samo 1 posto kuta optičkog mikroskopa, moć razlučivanja elektronskog mikroskopa još uvijek je daleko bolja od optičkog mikroskopa. Elektronski mikroskop se sastoji od tri dijela: cijevi leće, vakuumskog sustava i strujnog ormarića. Cijev objektiva uglavnom uključuje elektronske topove, elektronske leće, držače uzoraka, fluorescentne zaslone i mehanizme fotoaparata. Ove komponente su obično sastavljene u stupac od vrha prema dolje; vakuumski sustav sastoji se od mehaničkih vakuumskih pumpi, difuzijskih pumpi i vakuumskih ventila. Plinovod je spojen s cijevi leće; energetski ormar sastoji se od visokonaponskog generatora, stabilizatora uzbudne struje i raznih regulacijskih jedinica.
Elektronska leća najvažnija je komponenta u cijevi elektronskog mikroskopa. Koristi svemirsko električno polje ili magnetsko polje simetrično na os cijevi leće za savijanje putanje elektrona prema osi radi formiranja fokusa, a njegova je funkcija slična funkciji staklene konveksne leće za fokusiranje zrake, pa je zove se elektronička leća. Većina modernih elektronskih mikroskopa koristi elektromagnetske leće koje fokusiraju elektrone kroz jako magnetsko polje koje stvara vrlo stabilna istosmjerna pobudna struja koja prolazi kroz zavojnicu s polnim dijelovima.
Elektronski top se sastoji od volframove vruće katode, rešetke i katode.
komada. Može emitirati i formirati elektronske zrake ravnomjernom brzinom, tako da stabilnost napona ubrzavanja ne mora biti manja od jedne desettisućinke.
Elektronske mikroskope možemo podijeliti na transmisijske elektronske mikroskope prema njihovoj strukturi i upotrebi.
Mikroskopi, skenirajući elektronski mikroskopi i emisijski elektronski mikroskopi, itd. Transmisijski elektronski mikroskopi često se koriste za promatranje finih struktura materijala koje se ne mogu razlučiti običnim mikroskopima; skenirajući elektronski mikroskopi uglavnom se koriste za promatranje morfologije čvrstih površina, a također se mogu kombinirati s difraktometrima X-zraka ili spektrometrima elektronske energije za formiranje elektroničkih mikrosondi za analizu sastava materijala; emisijska elektronska mikroskopija za proučavanje samoemitirajućih površina elektrona.
Transmisijski elektronski mikroskop dobio je ime po tome što snop elektrona prodire kroz uzorak i zatim povećava sliku elektronskom lećom. Njegov optički put je sličan onom optičkog mikroskopa. U ovom tipu elektronskog mikroskopa, kontrast u detaljima slike stvara se raspršivanjem elektronske zrake na atomima uzorka. Dijelovi uzorka koji su tanji ili manje gusti manje se raspršuju elektronskim snopom, tako da više elektrona prolazi kroz dijafragmu objektiva kako bi sudjelovalo u slikanju i izgledalo svjetlije na slici. Nasuprot tome, deblji ili gušći dijelovi uzorka izgledaju tamnije na slici. Ako je uzorak predebeo ili pregust, kontrast slike će se pogoršati ili čak biti oštećen ili uništen apsorbiranjem energije elektronskog snopa.
Gornji dio cijevi leće prijenosnog elektronskog mikroskopa je elektronski top, a elektrone emitira vruća katoda od volframa, a snop elektrona fokusiraju prva i druga kondenzatorska leća. Nakon prolaska kroz uzorak, snop elektrona se prikazuje na srednjem zrcalu pomoću leće objektiva, a zatim se korak po korak povećava pomoću srednjeg zrcala i projekcijskog zrcala, a zatim se prikazuje na fluorescentnom ekranu ili fotokoherentnoj ploči.
Povećanje srednjeg zrcala može se kontinuirano mijenjati od desetaka puta do stotina tisuća puta uglavnom kroz podešavanje struje pobude; promjenom žarišne duljine srednjeg zrcala može se dobiti elektronska mikroskopska slika na sićušnom dijelu istog uzorka
i slike difrakcije elektrona. Kako bi mogli proučavati deblje uzorke metalnih kriški, Laboratorij za elektronsku optiku u Dulosu u Francuskoj razvio je ultravisokonaponski elektronski mikroskop s naponom ubrzanja od 3500 kV.
Elektronska zraka skenirajućeg elektronskog mikroskopa ne prolazi kroz uzorak, već samo skenira i pobuđuje sekundarne elektrone na površini uzorka. Scintilacijski kristal postavljen pored uzorka prima te sekundarne elektrone, pojačava i modulira intenzitet elektronskog snopa slikovne cijevi, čime se mijenja svjetlina na fluorescentnom ekranu slikovne cijevi. Otklonska zavojnica kineskopa nastavlja skenirati sinkronizirano sa snopom elektrona na površini uzorka, tako da fluorescentni ekran kineskopa prikazuje topografsku sliku površine uzorka, što je slično principu rada industrijskog televizora.
Razlučivost skenirajućeg elektronskog mikroskopa prvenstveno je određena promjerom elektronske zrake na površini uzorka. Povećanje je omjer amplitude skeniranja na slikovnoj cijevi i amplitude skeniranja na uzorku, koji se može kontinuirano mijenjati od nekoliko desetaka puta do stotina tisuća puta. Pretražna elektronska mikroskopija ne zahtijeva vrlo tanke uzorke; slika ima snažan trodimenzionalni učinak; može koristiti informacije kao što su sekundarni elektroni, apsorbirani elektroni i x-zrake generirane interakcijom između elektronskih zraka i tvari za analizu sastava tvari.
Elektronski top i kondenzatorska leća skenirajućeg elektronskog mikroskopa otprilike su isti kao kod prijenosnog elektronskog mikroskopa, ali kako bi se elektronski snop učinio tanjim, leća objektiva i astigmatizator dodaju se ispod kondenzatorske leće i dva seta međusobno okomite zrake skeniranja ugrađene su unutar leće objektiva. zavojnica. Komora za uzorke ispod leće objektiva opremljena je postoljem za uzorkovanje koje se može pomicati, okretati i naginjati.
