Elektronmikroskoobi optiline põhimõte ja rakendusala
Elektronmikroskoop on instrument, mis kasutab elektronoptika põhimõttel ainete peenstruktuuride pildistamiseks väga suure suurendusega valguskiirte ja optiliste läätsede asemel elektronkiirte ja elektronläätsede abil.
Elektronmikroskoobi lahutusvõimet väljendab minimaalne vahemaa kahe külgneva punkti vahel, mida see suudab lahendada. 1970s oli ülekandeelektronmikroskoobi eraldusvõime umbes 0,3 nanomeetrit (inimsilma eraldusvõime on umbes 0,1 mm). Nüüd ületab elektronmikroskoobi maksimaalne suurendus 3 miljonit korda ja optilise mikroskoobi maksimaalne suurendus on umbes 2000 korda, nii et mõnede raskmetallide aatomeid ja kenasti paigutatud aatomvõresid kristallis saab elektronmikroskoobi kaudu otse jälgida. .
1931. aastal paigaldasid sakslased Knorr-Bremse ja Ruska kõrgepingeostsilloskoobi külmkatoodlahendusega elektronide allika ja kolme elektronläätsega ning saadi enam kui kümnekordselt suurendatud kujutis, mis kinnitas elektronmikroskoobi suurendusega pildistamise võimalust. 1932. aastal jõudis pärast Ruska täiustamist elektronmikroskoobi lahutusvõime 50 nanomeetrini, mis oli umbes kümme korda suurem tolleaegse optilise mikroskoobi lahutusvõimest, mistõttu hakkas elektronmikroskoop inimeste tähelepanu pälvima.
1940-il kasutas Hill Ameerika Ühendriikides elektronläätse pöörlemise asümmeetria kompenseerimiseks astigmatisaatorit, mis tegi elektronmikroskoobi lahutusvõimes uue läbimurde ja jõudis järk-järgult tänapäevasele tasemele. Hiinas töötati 1958. aastal edukalt välja 3 nanomeetrise lahutusvõimega transmissioonelektronmikroskoop ja 1979. aastal valmistati suur elektronmikroskoop lahutusvõimega 0,3 nanomeetrit. Kuigi elektronmikroskoobi lahutusvõime on palju parem kui optilisel mikroskoobil, on elusorganisme raske jälgida, kuna elektronmikroskoop peab töötama vaakumtingimustes ning elektronkiire kiiritamine kahjustab ka bioloogilisi proove kiirguse poolt. Teisi küsimusi, nagu elektronpüstoli heleduse ja elektronläätse kvaliteedi parandamine, tuleb veel uurida. Lahutusvõime on elektronmikroskoobi oluline indeks, mis on seotud proovi läbiva elektronkiire langeva koonuse nurga ja lainepikkusega. Nähtava valguse lainepikkus on umbes 300-700 nanomeetrit, samas kui elektronkiire lainepikkus on seotud kiirenduspingega. Kui kiirenduspinge on 50-100 kV, on elektronkiire lainepikkus umbes 0.0053-0.0037 nanomeetrit. Kuna elektronkiire lainepikkus on palju väiksem kui nähtava valguse lainepikkus, siis isegi kui elektronkiire koonuse nurk on vaid 1 protsent optilise mikroskoobi omast, on elektronmikroskoobi lahutusvõime sellegipoolest tunduvalt parem. optilisest mikroskoobist. Elektronmikroskoop koosneb kolmest osast: läätse silinder, vaakumsüsteem ja toitekapp. Objektiivi silinder sisaldab peamiselt elektronpüstoleid, elektronläätsi, proovihoidjaid, fluorestseeruvaid ekraane ja kaameramehhanisme. Need komponendid on tavaliselt kokku pandud kolonniks ülalt alla; vaakumsüsteem koosneb mehaanilistest vaakumpumpadest, difusioonipumpadest ja vaakumventiilidest. Gaasitoru on ühendatud objektiivi silindriga; toitekapp koosneb kõrgepingegeneraatorist, ergutusvoolu stabilisaatorist ja erinevatest reguleerimisjuhtplokkidest.
Elektronlääts on elektronmikroskoobi silindri kõige olulisem komponent. See kasutab läätse silindri telje suhtes sümmeetrilist ruumilist elektrivälja või magnetvälja, et painutada elektroni trajektoori fookuse moodustamiseks telje suhtes ja selle funktsioon on kiire fokuseerimiseks sarnane klaasist kumerläätse omaga, seega nimetatakse elektrooniliseks objektiiviks. Enamikus kaasaegsetes elektronmikroskoopides kasutatakse elektromagnetläätsi, mis fokusseerivad elektronid tugeva magnetvälja kaudu, mille tekitab väga stabiilne alalisvoolu ergutusvool, mis läbib pooluseosadega mähist.
Elektronpüstol koosneb volframi kuumkatoodist, võrgust ja katoodist.
tükid. See võib kiirata ja moodustada ühtlase kiirusega elektronkiire, seega peab kiirenduspinge stabiilsus olema vähemalt üks kümnetuhandik.
Elektronmikroskoobid võib nende struktuuri ja kasutusalade järgi jagada transmissioonielektronmikroskoopideks.
Mikroskoobid, skaneerivad elektronmikroskoobid ja emissioonielektronmikroskoobid jne. Transmissioonelektronmikroskoope kasutatakse sageli materjalide peente struktuuride vaatlemiseks, mida tavamikroskoobid ei suuda lahendada; skaneerivaid elektronmikroskoope kasutatakse peamiselt tahkete pindade morfoloogia jälgimiseks ning neid saab kombineerida ka röntgendifraktomeetrite või elektronenergia spektromeetritega, et moodustada elektroonilisi mikrosonde materjali koostise analüüsiks; emissioonelektronmikroskoopia iseemiteerivate elektronpindade uurimiseks.
Läbilaskev elektronmikroskoop on saanud nime selle järgi, et elektronkiir tungib proovi ja suurendab seejärel pilti elektronläätsega. Selle optiline tee on sarnane optilise mikroskoobi omaga. Seda tüüpi elektronmikroskoobis loob kujutise detailide kontrasti elektronkiire hajumine proovi aatomite poolt. Proovi õhemad või vähemtihedad osad hajuvad elektronkiire poolt vähem laiali, nii et rohkem elektrone läbib objektiivi diafragmat, et osaleda pildistamisel ja paistavad pildil heledamad. Seevastu näidise paksemad või tihedamad osad paistavad pildil tumedamad. Kui proov on liiga paks või liiga tihe, siis kujutise kontrastsus halveneb või isegi kahjustub või hävib elektronkiire energia neelamisel.
Transmissioonielektronmikroskoobi läätse silindri ülaosa on elektronpüstol ja elektronid kiirgavad volframi kuumkatood ning elektronkiire fokusseeritakse esimese ja teise kondensaatori läätsega. Pärast proovi läbimist pildistatakse elektronkiir vahepeeglile objektiivi abil ja seejärel suurendatakse seda samm-sammult vahepeegli ja projektsioonipeegli abil ning seejärel kuvatakse fluorestsentsekraanil või fotokoherentsel plaadil.
Vahepeegli suurendust saab pidevalt muuta kümnetest kordadest sadade tuhandeteni peamiselt ergutusvoolu reguleerimise kaudu; vahepeegli fookuskauguse muutmine võib saada elektronmikroskoopilise kujutise sama proovi väikesest osast
ja elektronide difraktsiooni kujutised. Et oleks võimalik uurida paksemaid metalliviilude proove, on Prantsusmaal Dulosis asuv elektronoptika laboratoorium välja töötanud ülikõrgepinge elektronmikroskoobi, mille kiirenduspinge on 3500 kV.
Skaneeriva elektronmikroskoobi elektronkiir ei läbi proovi, vaid ainult skaneerib ja ergastab proovi pinnal olevaid sekundaarseid elektrone. Proovi kõrvale asetatud stsintillatsioonikristall võtab need sekundaarsed elektronid vastu, võimendab ja moduleerib pilditoru elektronkiire intensiivsust, muutes seeläbi pilttoru fluorestsentsekraani heledust. Kineskoobi läbipaindemähis skaneerib sünkroonselt proovi pinnal oleva elektronkiirega, nii et kineskoobi fluorestseeruv ekraan kuvab proovipinna topograafilist kujutist, mis on sarnane tööstusteleri tööpõhimõttele.
Skaneeriva elektronmikroskoobi eraldusvõime määrab peamiselt proovi pinnal oleva elektronkiire läbimõõt. Suurendus on pilditoru skaneerimisamplituudi ja proovi skaneerimise amplituudi suhe, mida saab pidevalt muuta kümnetest kordadest sadade tuhandeteni. Skaneeriv elektronmikroskoopia ei vaja väga õhukesi proove; pildil on tugev kolmemõõtmeline efekt; see võib ainete koostise analüüsimiseks kasutada sellist teavet nagu sekundaarsed elektronid, neeldunud elektronid ja elektronkiirte ja ainete vastastikusest mõjust tekkinud röntgenikiirgus.
Skaneeriva elektronmikroskoobi elektronpüstol ja kondensaatorlääts on ligikaudu samad, mis transmissioonelektronmikroskoobi omad, kuid elektronkiire õhemaks muutmiseks lisatakse kondensaatorläätse alla objektiiv ja astigmatisaator ning kaks komplekti Objektiivi sisse on paigaldatud vastastikku risti asetsevad skaneerimiskiired. mähis. Objektiivi all olev proovikamber on varustatud proovilavaga, mida saab liigutada, pöörata ja kallutada.
