Optisch principe en toepassingsgebied van elektronenmicroscoop
Een elektronenmicroscoop is een instrument dat elektronenstralen en elektronenlenzen gebruikt in plaats van lichtstralen en optische lenzen om de fijne structuren van stoffen met zeer hoge vergrotingen in beeld te brengen op basis van het principe van elektronenoptica.
Het oplossend vermogen van een elektronenmicroscoop wordt weergegeven door de minimale afstand tussen twee aangrenzende punten die hij kan oplossen. In de jaren 1970 was de resolutie van de transmissie-elektronenmicroscoop ongeveer 0,3 nanometer (de resolutie van het menselijk oog is ongeveer 0,1 mm). Nu is de maximale vergroting van de elektronenmicroscoop meer dan 3 miljoen keer, en de maximale vergroting van de optische microscoop is ongeveer 2000 keer, dus de atomen van sommige zware metalen en de netjes gerangschikte atoomroosters in het kristal kunnen direct worden waargenomen door de elektronenmicroscoop .
In 1931 pasten Knorr-Bremse en Ruska uit Duitsland een hoogspanningsoscilloscoop opnieuw aan met een ontladingselektronenbron met koude kathode en drie elektronenlenzen, en verkregen een meer dan tien keer vergroot beeld, wat de mogelijkheid van vergrote beeldvorming met een elektronenmicroscoop bevestigde. In 1932, na de verbetering van Ruska, bereikte de resolutie van de elektronenmicroscoop 50 nanometer, wat ongeveer tien keer de resolutie was van de optische microscoop in die tijd, dus begon de elektronenmicroscoop de aandacht van mensen te trekken.
In de jaren 1940gebruikte Hill in de Verenigde Staten een astigmatiseerder om de rotatieasymmetrie van de elektronenlens te compenseren, wat een nieuwe doorbraak betekende in het oplossend vermogen van de elektronenmicroscoop en geleidelijk het moderne niveau bereikte. In China werd in 1958 met succes een transmissie-elektronenmicroscoop met een resolutie van 3 nanometer ontwikkeld en in 1979 een grote elektronenmicroscoop met een resolutie van 0.3 nanometer. Hoewel het oplossend vermogen van de elektronenmicroscoop veel beter dan die van de optische microscoop, is het moeilijk om levende organismen waar te nemen omdat de elektronenmicroscoop onder vacuümomstandigheden moet werken, en de bestraling van de elektronenstraal zal er ook voor zorgen dat de biologische monsters door straling worden beschadigd. Andere zaken, zoals de verbetering van de helderheid van het elektronenkanon en de kwaliteit van de elektronenlens, moeten nog worden bestudeerd. Het oplossend vermogen is een belangrijke index van de elektronenmicroscoop, die verband houdt met de hoek van de invallende kegel en de golflengte van de elektronenbundel die door het monster gaat. De golflengte van zichtbaar licht is ongeveer 300-700 nanometer, terwijl de golflengte van de elektronenbundel gerelateerd is aan de versnellingsspanning. Wanneer de versnellingsspanning 50-100 kV is, is de golflengte van de elektronenbundel ongeveer 0,0053-0.0037 nanometer. Aangezien de golflengte van de elektronenbundel veel kleiner is dan de golflengte van zichtbaar licht, zelfs als de kegelhoek van de elektronenbundel slechts 1 procent is van die van de optische microscoop, is het oplossend vermogen van de elektronenmicroscoop nog steeds veel beter dan dat van de optische microscoop. Elektronenmicroscoop bestaat uit drie delen: lenscilinder, vacuümsysteem en stroomkast. 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 instelregeleenheden.
De elektronenlens is het belangrijkste onderdeel van de elektronenmicroscoop. Het gebruikt een elektrisch ruimteveld of magnetisch veld dat symmetrisch is ten opzichte van de as van de lenscilinder om de elektronenbaan naar de as te buigen om een focus te vormen, en zijn functie is vergelijkbaar met die van een glazen bolle lens om de straal te focusseren, dus het is een elektronische lens genoemd. 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 poolstukken gaat.
Het elektronenkanon is samengesteld uit wolfraam hete kathode, rooster en kathode.
stukken. Het kan elektronenstralen uitzenden en vormen met een uniforme snelheid, dus de stabiliteit van de versnellende spanning moet niet minder zijn dan een tienduizendste.
Elektronenmicroscopen kunnen worden onderverdeeld in transmissie-elektronenmicroscopen op basis van hun structuur en gebruik.
Microscopen, scannende elektronenmicroscopen en emissie-elektronenmicroscopen, enz. 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 een 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. Delen van het monster die dunner of minder dicht zijn, worden minder verstrooid door de elektronenbundel, zodat meer elektronen door het objectiefdiafragma gaan om deel te nemen aan de 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 het elektronenkanon en de elektronen worden uitgezonden door de hete kathode van wolfraam en de elektronenbundel wordt gefocusseerd door de eerste en tweede condensorlenzen. 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 tien keer tot honderdduizend keer, voornamelijk door aanpassing van de excitatiestroom; door de brandpuntsafstand van de tussenspiegel te veranderen, kan een elektronenmicroscopisch beeld worden verkregen op een klein deel van hetzelfde monster
en elektronendiffractiebeelden. Om dikkere metalen plakmonsters te kunnen bestuderen, heeft het Electron Optics Laboratory in Dulos, Frankrijk, een ultrahoogspanningselektronenmicroscoop ontwikkeld 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 scintillatiekristal dat naast het monster is geplaatst, ontvangt deze secundaire elektronen, versterkt en moduleert de intensiteit van de elektronenbundel van de beeldbuis, waardoor de helderheid op het fluorescerende scherm van de beeldbuis verandert. De afbuigspoel van de kinescoop blijft synchroon scannen met de elektronenbundel op het oppervlak van het monster, zodat het fluorescerende scherm van de kinescoop het topografische beeld van het monsteroppervlak weergeeft, vergelijkbaar met het werkingsprincipe van een industriële televisie.
De resolutie van een scanning-elektronenmicroscoop 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 tussen elektronenstralen en stoffen om de samenstelling van stoffen te analyseren.
Het elektronenkanon en de condensorlens van een scanning-elektronenmicroscoop zijn ongeveer hetzelfde als die van een transmissie-elektronenmicroscoop, maar om de elektronenbundel dunner te maken, worden onder de condensorlens een objectieflens en een astigmatisator toegevoegd, 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 worden verplaatst, gedraaid en gekanteld.
