Samenstelling van de ontwikkeling van de elektronenmicroscoop Geschiedenis van de elektronenmicroscoop
Onderdelen van een elektronenmicroscoop
Elektronenbron: Het is een kathode die vrije elektronen afgeeft, en een ringvormige anode versnelt elektronen. Het spanningsverschil tussen de kathode en de anode moet erg hoog zijn, meestal tussen enkele duizenden volt en drie miljoen volt.
Elektronen: Gebruikt om elektronen te focussen. Over het algemeen worden magnetische lenzen gebruikt en soms ook elektrostatische lenzen. De functie van de elektronenlens is dezelfde als die van de optische lens in de optische microscoop. De focus van de optische lens is vast, maar de focus van de elektronische lens kan worden aangepast, dus de elektronenmicroscoop heeft geen beweegbaar lenssysteem zoals een optische microscoop.
Vacuümapparaat: het vacuümapparaat wordt gebruikt om de vacuümtoestand in de microscoop te waarborgen, zodat elektronen niet op hun pad worden geabsorbeerd of afgebogen.
Monsterhouder: Monsters kunnen stabiel op de monsterhouder worden geplaatst. Daarnaast zijn er vaak apparaten die kunnen worden gebruikt om het monster te veranderen (zoals verplaatsen, roteren, verwarmen, koelen, verlengen, enz.).
Detector: Een signaal of secundair signaal dat wordt gebruikt om elektronen te verzamelen. De projectie van een monster kan direct worden verkregen met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop (Transmission Electron Microscopy TEM). Elektronen gaan door het monster in deze microscoop, dus het monster moet erg dun zijn. Het atoomgewicht van de atomen waaruit het monster bestaat, de spanning waarmee de elektronen worden versneld en de gewenste resolutie bepalen de dikte van het monster. De dikte van het monster kan variëren van enkele nanometers tot enkele micrometers. Hoe hoger de atoommassa en hoe lager de spanning, hoe dunner het monster moet zijn.
Door het lenssysteem van het objectief te veranderen, kan men het beeld direct vergroten in het brandpunt van het objectief. Hieruit kan men elektronendiffractiebeelden verkrijgen. Met behulp van deze afbeelding kan de kristalstructuur van het monster worden geanalyseerd.
Het samenstellingsprincipe van de elektronenmicroscoop
Elektronenmicroscoop bestaat uit drie delen: lenscilinder, vacuümsysteem en voedingskast. De lenscilinder omvat voornamelijk elektronenkanonnen, elektronenlenzen, monsterhouders, fluorescerende schermen en cameramechanismen. Deze componenten worden meestal van boven naar beneden in een kolom gemonteerd; het vacuümsysteem bestaat uit mechanische vacuümpompen, diffusiepompen en vacuümkleppen. De gasleiding is verbonden met de lenscilinder; de vermogenskast is samengesteld uit een hoogspanningsgenerator, een bekrachtigingsstroomstabilisator en diverse regeleenheden voor de regeling.
De elektronenlens is het belangrijkste onderdeel van de lenscilinder van de elektronenmicroscoop. Het gebruikt een elektrisch ruimteveld of magnetisch veld dat symmetrisch is ten opzichte van de as van de lenscilinder om het elektronenspoor naar de as te buigen om een focus te vormen. Zijn functie is vergelijkbaar met die van een glazen bolle lens om de bundel te focusseren, daarom wordt het een elektron genoemd. lens. De meeste moderne elektronenmicroscopen maken gebruik van elektromagnetische lenzen, die elektronen focusseren door middel van een sterk magnetisch veld dat wordt gegenereerd door een zeer stabiele DC-bekrachtigingsstroom die door een spoel met poolschoenen gaat.
Het elektronenkanon is een component die bestaat uit een wolfraamgloeidraad hete kathode, een rooster en een kathode. Het kan een elektronenstraal uitzenden en vormen met een uniforme snelheid, dus de stabiliteit van de versnellingsspanning moet niet minder zijn dan een tienduizendste.
Elektronenmicroscopen kunnen worden onderverdeeld in transmissie-elektronenmicroscopen, scanning-elektronenmicroscopen, reflectie-elektronenmicroscopen en emissie-elektronenmicroscopen op basis van hun structuren en toepassingen. Transmissie-elektronenmicroscopen worden vaak gebruikt om de fijne materiaalstructuren te observeren die niet kunnen worden opgelost door gewone microscopen; scanning-elektronenmicroscopen worden voornamelijk gebruikt om de morfologie van vaste oppervlakken te observeren, en kunnen ook worden gecombineerd met röntgendiffractometers of elektronenenergiespectrometers om elektronische microbolletjes te vormen door de verstrooiing van de elektronenbundel door de atomen van het monster. Het dunnere deel of het deel met lagere dichtheid van het monster heeft minder elektronenbundelverstrooiing, zodat meer elektronen door het objectiefdiafragma gaan en deelnemen aan beeldvorming, en helderder in het beeld verschijnen. Omgekeerd lijken dikkere of dichtere delen van het monster donkerder in de afbeelding. Als het monster te dik of te dicht is, zal het contrast van het beeld verslechteren of zelfs beschadigd of vernietigd worden door de energie van de elektronenbundel te absorberen.
De bovenkant van de lenscilinder van de transmissie-elektronenmicroscoop is een elektronenkanon. De elektronen worden uitgezonden door de hete kathode van wolfraam en de elektronenbundels worden gefocusseerd door de eerste en tweede condensor. Na het passeren van het monster wordt de elektronenbundel afgebeeld op de tussenspiegel door de objectieflens, en vervolgens stap voor stap vergroot door de tussenspiegel en projectiespiegel, en vervolgens afgebeeld op het fluorescerende scherm of de fotocoherente plaat.
De vergroting van de tussenspiegel kan continu worden gewijzigd van tientallen keren tot honderdduizenden keren, voornamelijk door aanpassing van de bekrachtigingsstroom; door de brandpuntsafstand van de tussenspiegel te veranderen, kunnen elektronenmicroscopische beelden en elektronendiffractiebeelden worden verkregen op de kleine delen van hetzelfde monster. Om dikkere metalen plakmonsters te bestuderen, ontwikkelde het Franse Dulos Electron Optics Laboratory een ultrahoogspanningselektronenmicroscoop met een versnellingsspanning van 3500 kV.
De elektronenbundel van de scanning-elektronenmicroscoop gaat niet door het monster, maar scant en exciteert alleen secundaire elektronen op het oppervlak van het monster. Het naast het monster geplaatste scintillatiekristal ontvangt deze secundaire elektronen, versterkt en moduleert de intensiteit van de elektronenbundel van de beeldbuis, waardoor de helderheid op het scherm van de beeldbuis verandert. De afbuigspoel van de beeldbuis blijft synchroon scannen met de elektronenstraal op het oppervlak van het monster, zodat het fluorescerende scherm van de beeldbuis het topografische beeld van het monsteroppervlak weergeeft, wat vergelijkbaar is met het werkingsprincipe van een industriële tv .
De resolutie van een rasterelektronenmicroscoop wordt voornamelijk bepaald door de diameter van de elektronenbundel op het monsteroppervlak. De vergroting is de verhouding van de scanamplitude op de beeldbuis tot de scanamplitude op het monster, die continu kan worden gewijzigd van tien keer tot honderdduizend keer. Scanning-elektronenmicroscopie vereist geen zeer dunne monsters; de afbeelding heeft een sterk driedimensionaal effect; het kan informatie gebruiken zoals secundaire elektronen, geabsorbeerde elektronen en röntgenstralen die worden gegenereerd door de interactie van elektronenstralen en stoffen om de samenstelling van stoffen te analyseren.
Het elektronenkanon en de condensorlens van de scanning-elektronenmicroscoop zijn ongeveer hetzelfde als die van de transmissie-elektronenmicroscoop, maar om de elektronenbundel dunner te maken, worden een objectieflens en een astigmatisator toegevoegd onder de condensorlens, en twee sets van binnen de objectieflens zijn onderling loodrechte scanbundels geïnstalleerd. spoel. De monsterkamer onder de objectieflens is uitgerust met een monstertafel die kan bewegen, roteren en kantelen.
Gebruik van elektronenmicroscopen
Elektronenmicroscopen kunnen worden onderverdeeld in transmissie-elektronenmicroscopen, scanning-elektronenmicroscopen, reflectie-elektronenmicroscopen en emissie-elektronenmicroscopen op basis van hun structuren en toepassingen. Transmissie-elektronenmicroscopen worden vaak gebruikt om de fijne materiaalstructuren te observeren die niet kunnen worden opgelost door gewone microscopen; scanning-elektronenmicroscopen worden voornamelijk gebruikt om de morfologie van vaste oppervlakken te observeren, en kunnen ook worden gecombineerd met röntgendiffractometers of elektronenenergiespectrometers om elektronische microsondes te vormen voor analyse van materiaalsamenstelling; emissie-elektronenmicroscopie voor de studie van zelfuitstralende elektronenoppervlakken.
De transmissie-elektronenmicroscoop is genoemd naar de elektronenbundel die het monster binnendringt en vervolgens het beeld vergroot met de elektronenlens. Het optische pad is vergelijkbaar met dat van een optische microscoop. In dit type elektronenmicroscoop wordt het contrast in beelddetail gecreëerd door de verstrooiing van de elektronenbundel door de atomen van het monster. Het dunnere deel of het deel met lagere dichtheid van het monster heeft minder elektronenbundelverstrooiing, zodat meer elektronen door het objectiefdiafragma gaan en deelnemen aan beeldvorming, en helderder in het beeld verschijnen. Omgekeerd lijken dikkere of dichtere delen van het monster donkerder in de afbeelding. Als het monster te dik of te dicht is, zal het contrast van het beeld verslechteren of zelfs beschadigd of vernietigd worden door de energie van de elektronenbundel te absorberen.
