Optički princip i obim primjene elektronskog mikroskopa
Elektronski mikroskop je instrument koji koristi elektronske zrake i elektronska sočiva umjesto svjetlosnih zraka i optičkih sočiva za snimanje finih struktura supstanci pri vrlo velikim uvećanjima na osnovu principa elektronske optike.
Snaga razlučivanja elektronskog mikroskopa predstavljena je minimalnom udaljenosti između dvije susjedne točke koju može razlučiti. 1970s, rezolucija transmisionog elektronskog mikroskopa bila je oko 0.3 nanometra (rezolucija ljudskog oka je oko 0,1 mm). Sada maksimalno uvećanje elektronskog mikroskopa premašuje 3 miliona puta, a maksimalno uvećanje optičkog mikroskopa je oko 2000 puta, tako da se atomi nekih teških metala i uredno raspoređene atomske rešetke u kristalu mogu direktno posmatrati kroz elektronski mikroskop .
Godine 1931. Knorr-Bremse i Ruska iz Njemačke remontirali su visokonaponski osciloskop sa izvorom elektrona s hladnom katodom i tri elektronska sočiva i dobili sliku uvećanu više od deset puta, što je potvrdilo mogućnost uvećanja slike elektronskim mikroskopom. Godine 1932., nakon Ruskinog poboljšanja, rezolucija elektronskog mikroskopa je dostigla 50 nanometara, što je bilo oko deset puta veće rezolucije od tadašnjeg optičkog mikroskopa, pa je elektronski mikroskop počeo da privlači pažnju ljudi.
1940ih godina, Hill u Sjedinjenim Državama koristio je astigmatizator za kompenzaciju rotacijske asimetrije elektronskog sočiva, čime je napravljen novi proboj u moći razlučivanja elektronskog mikroskopa i postepeno dostigao savremeni nivo. U Kini je 1958. uspješno razvijen transmisioni elektronski mikroskop rezolucije 3 nanometra, a 1979. proizveden je veliki elektronski mikroskop rezolucije 0.3 nanometra. Iako je moć razlučivanja elektronskog mikroskopa daleko bolje od optičkog mikroskopa, teško je posmatrati žive organizme jer elektronski mikroskop treba da radi u uslovima vakuuma, a zračenje elektronskog snopa će takođe uzrokovati oštećenje bioloških uzoraka radijacijom. Ostala pitanja, kao što je poboljšanje svjetline elektronskog topa i kvaliteta elektronskog sočiva, tek treba proučiti. Moć razlučivanja je važan indeks elektronskog mikroskopa, koji se odnosi na ugao upadnog konusa i talasnu dužinu snopa elektrona koji prolazi kroz uzorak. Talasna dužina vidljive svjetlosti je oko 300-700 nanometara, dok je talasna dužina snopa elektrona povezana sa naponom ubrzanja. Kada je napon ubrzanja 50-100 kV, talasna dužina snopa elektrona je oko 0.0053-0.0037 nanometara. Budući da je valna dužina elektronskog snopa mnogo manja od valne dužine vidljive svjetlosti, čak i ako je ugao konusa snopa elektrona samo 1 posto od onog optičkog mikroskopa, moć razlučivanja elektronskog mikroskopa je i dalje daleko bolja od one optičkog mikroskopa. Elektronski mikroskop se sastoji od tri dijela: cijevi sočiva, vakuumskog sistema i strujnog ormarića. Cijev sočiva uglavnom uključuje elektronske topove, elektronska sočiva, držače uzoraka, fluorescentne ekrane i mehanizme kamere. Ove komponente se obično sklapaju u stupac od vrha do dna; vakuumski sistem se sastoji od mehaničkih vakuum pumpi, difuzijskih pumpi i vakuum ventila. Gasovod je povezan sa cijevi sočiva; energetski ormar se sastoji od visokonaponskog generatora, stabilizatora pobudne struje i raznih kontrolnih jedinica za podešavanje.
Elektronsko sočivo je najvažnija komponenta u cijevi elektronskog mikroskopa. Koristi svemirsko električno polje ili magnetsko polje simetrično u odnosu na os cijevi leće da savije putanju elektrona prema osi kako bi formirao fokus, a njegova funkcija je slična onoj staklene konveksne leće za fokusiranje zraka, tako da je nazvano elektronsko sočivo. Većina modernih elektronskih mikroskopa koristi elektromagnetna sočiva, koja fokusiraju elektrone kroz jako magnetsko polje generirano vrlo stabilnom istosmjernom strujom pobude koja prolazi kroz zavojnicu s polovima.
Elektronski top se sastoji od volframove vruće katode, rešetke i katode.
komada. Može da emituje i formira elektronske snopove sa ujednačenom brzinom, tako da stabilnost ubrzavajućeg napona ne sme biti manja od jedne desetine hiljada.
Elektronski mikroskopi se mogu podijeliti na transmisione elektronske mikroskope prema njihovoj strukturi i namjeni.
Mikroskopi, skenirajući elektronski mikroskopi i emisioni elektronski mikroskopi, itd. Transmisioni elektronski mikroskopi se često koriste za posmatranje finih struktura materijala koje se ne mogu razlučiti običnim mikroskopima; skenirajući elektronski mikroskopi se uglavnom koriste za posmatranje morfologije čvrstih površina, a takođe se mogu kombinovati sa rendgenskim difraktometrima ili spektrometrima elektronske energije za formiranje elektronskih mikrosonda za analizu sastava materijala; emisiona elektronska mikroskopija za proučavanje samoemitujućih elektronskih površina.
Transmisioni elektronski mikroskop je nazvan po tome što elektronski snop prodire u uzorak i zatim uvećava sliku pomoću elektronskog sočiva. Njegova optička putanja je slična onoj kod optičkog mikroskopa. Kod ovog tipa elektronskog mikroskopa, kontrast u detaljima slike nastaje raspršivanjem snopa elektrona od strane atoma uzorka. Dijelovi uzorka koji su tanji ili manje gusti manje se raspršuju elektronskim snopom, tako da više elektrona prolazi kroz dijafragmu objektiva kako bi učestvovali u snimanju i izgledali svjetlije na slici. Suprotno tome, deblji ili gušći dijelovi uzorka izgledaju tamnije na slici. Ako je uzorak predebeo ili previše gust, kontrast slike će se pogoršati, ili će se čak oštetiti ili uništiti apsorbiranjem energije elektronskog snopa.
Vrh cijevi sočiva transmisionog elektronskog mikroskopa je elektronski pištolj, a elektrone emituje volframova vruća katoda, a snop elektrona je fokusiran pomoću prvog i drugog kondenzatorskog sočiva. Nakon prolaska kroz uzorak, elektronski snop se snima na srednjem ogledalu pomoću sočiva objektiva, a zatim se korak po korak uvećava pomoću međuzrcala i ogledala za projekciju, a zatim se snima na fluorescentnom ekranu ili fotokoherentnoj ploči.
Uvećanje srednjeg ogledala može se kontinuirano mijenjati od desetina puta do stotina hiljada puta uglavnom kroz podešavanje struje pobude; Promjenom žižne daljine srednjeg ogledala može se dobiti elektronsko mikroskopska slika na malom dijelu istog uzorka
i slike difrakcije elektrona. Kako bi mogli proučavati uzorke debljih metalnih kriški, Laboratorija za elektronsku optiku u Dulosu u Francuskoj razvila je elektronski mikroskop ultra visokog napona s ubrzavajućim naponom od 3500 kV.
Elektronski snop skenirajućeg elektronskog mikroskopa ne prolazi kroz uzorak, već samo skenira i pobuđuje sekundarne elektrone na površini uzorka. Scintilacioni kristal postavljen pored uzorka prima te sekundarne elektrone, pojačava i modulira intenzitet elektronskog snopa cijevne cijevi, mijenjajući tako svjetlinu na fluorescentnom ekranu cijevne cijevi. Zavojnica za otklon kineskopa nastavlja skeniranje sinhrono sa snopom elektrona na površini uzorka, tako da fluorescentni ekran kineskopa prikazuje topografsku sliku površine uzorka, što je slično principu rada industrijske televizije.
Rezolucija skenirajućeg elektronskog mikroskopa prvenstveno je određena prečnikom elektronskog snopa na površini uzorka. Uvećanje je omjer amplitude skeniranja na cijevci i amplitude skeniranja na uzorku, koja se može kontinuirano mijenjati od desetina puta do stotina hiljada puta. Skenirajuća elektronska mikroskopija ne zahtijeva vrlo tanke uzorke; slika ima snažan trodimenzionalni efekat; može koristiti informacije kao što su sekundarni elektroni, apsorbirani elektroni i rendgenske zrake nastale interakcijom između elektronskih zraka i supstanci za analizu sastava supstanci.
Elektronski pištolj i kondenzatorska leća skenirajućeg elektronskog mikroskopa su otprilike isti kao oni transmisionog elektronskog mikroskopa, ali da bi se elektronski snop učinio tanjim, sočivo objektiva i astigmatizator se dodaju ispod kondenzatorskog sočiva i dva seta međusobno okomite skenirajuće zrake ugrađene su unutar sočiva objektiva. kalem. Komora za uzorke ispod sočiva objektiva opremljena je stepenom uzorka koji se može pomicati, okretati i naginjati.
