Wie vergrößert ein Elektronenmikroskop Objekte?
Ein Elektronenmikroskop ist ein Instrument, das anstelle von Lichtstrahlen und optischen Linsen Elektronenstrahlen und Elektronenlinsen verwendet, um nach dem Prinzip der Elektronenoptik die feinen Strukturen von Substanzen in sehr hohen Vergrößerungen abzubilden.
Das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops wird durch den minimalen Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten ausgedrückt, den es auflösen kann. In den 1977er Jahren hatten Transmissionselektronenmikroskope eine Auflösung von etwa 0,3 Nanometern (das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges beträgt etwa 0,1 Millimeter). Jetzt beträgt die maximale Vergrößerung des Elektronenmikroskops mehr als 3 Millionen Mal, während die maximale Vergrößerung des optischen Mikroskops etwa das 2000-fache beträgt, sodass die Atome einiger Schwermetalle und die sauber angeordneten Atomgitter im Kristall direkt durch das Elektronenmikroskop beobachtet werden können .
Im Jahr 1931 rüsteten Knorr-Bremse und Ruska aus Deutschland ein Hochspannungsoszilloskop mit einer Kaltkathodenentladungs-Elektronenquelle und drei Elektronenlinsen um und erhielten ein mehr als zehnfach vergrößertes Bild, was die Möglichkeit einer elektronenmikroskopisch vergrößerten Abbildung bestätigte. Im Jahr 1932, nach Ruskas Verbesserung, erreichte das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops 50 Nanometer, etwa das Zehnfache des Auflösungsvermögens des Lichtmikroskops zu dieser Zeit, sodass das Elektronenmikroskop begann, die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich zu ziehen.
In den 1940er Jahren verwendete Hill in den Vereinigten Staaten einen Astigmatisator, um die Rotationsasymmetrie der Elektronenlinse auszugleichen, was einen neuen Durchbruch im Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops erzielte und nach und nach das moderne Niveau erreichte. In China wurde 1958 erfolgreich ein Transmissionselektronenmikroskop mit einer Auflösung von 3 Nanometern entwickelt und 1979 ein großes Elektronenmikroskop mit einer Auflösung von 0,3 Nanometern hergestellt.
Obwohl das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops weitaus besser ist als das des optischen Mikroskops, ist es schwierig, lebende Organismen zu beobachten, da das Elektronenmikroskop unter Vakuumbedingungen arbeiten muss und die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl auch dazu führt, dass die biologischen Proben betroffen sind durch Strahlung beschädigt werden. Auch andere Themen wie die Verbesserung der Helligkeit der Elektronenkanone und der Qualität der Elektronenlinse müssen weiter untersucht werden.
Das Auflösungsvermögen ist ein wichtiger Indikator der Elektronenmikroskopie, der mit dem Einfallskegelwinkel und der Wellenlänge des die Probe durchdringenden Elektronenstrahls zusammenhängt. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts beträgt etwa {{0}} Nanometer, während die Wellenlänge von Elektronenstrahlen von der Beschleunigungsspannung abhängt. Wenn die Beschleunigungsspannung 50-100 kV beträgt, beträgt die Wellenlänge des Elektronenstrahls etwa 0,{3}},0037 Nanometer. Da die Wellenlänge des Elektronenstrahls viel kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, ist das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops diesem immer noch weit überlegen, selbst wenn der Kegelwinkel des Elektronenstrahls nur 1 Prozent des Kegelwinkels des optischen Mikroskops beträgt des optischen Mikroskops.
Das Elektronenmikroskop besteht aus drei Teilen: Objektivtubus, Vakuumsystem und Netzteilschrank. Der Objektivtubus umfasst hauptsächlich Elektronenkanonen, Elektronenlinsen, Probenhalter, Leuchtschirme und Kameramechanismen. Diese Komponenten werden üblicherweise von oben nach unten zu einer Säule zusammengesetzt; Das Vakuumsystem besteht aus mechanischen Vakuumpumpen, Diffusionspumpen und Vakuumventilen. Die Gasleitung ist mit dem Objektivtubus verbunden; Der Leistungsschrank besteht aus einem Hochspannungsgenerator, einem Erregerstromstabilisator und verschiedenen Einstellsteuereinheiten.
Die Elektronenlinse ist der wichtigste Teil des Objektivtubus des Elektronenmikroskops. Es nutzt ein räumliches elektrisches Feld oder Magnetfeld symmetrisch zur Achse des Objektivtubus, um die Elektronenspur zur Achse zu biegen und so einen Fokus zu bilden. Seine Funktion ähnelt der einer Glaskonvexlinse zur Fokussierung des Strahls und wird daher Elektron genannt. Linse. Die meisten modernen Elektronenmikroskope verwenden elektromagnetische Linsen, die Elektronen durch ein starkes Magnetfeld fokussieren, das durch einen sehr stabilen Gleichstrom-Erregerstrom erzeugt wird, der durch eine Spule mit Polschuhen fließt.
Die Elektronenkanone ist eine Komponente, die aus einer Glühkathode aus Wolframfaden, einem Gitter und einer Kathode besteht. Es kann einen Elektronenstrahl mit gleichmäßiger Geschwindigkeit emittieren und formen, daher muss die Stabilität der Beschleunigungsspannung mindestens ein Zehntausendstel betragen.
Elektronenmikroskope können entsprechend ihrer Struktur und Verwendung in Transmissionselektronenmikroskope, Rasterelektronenmikroskope, Reflexionselektronenmikroskope und Emissionselektronenmikroskope unterteilt werden. Transmissionselektronenmikroskope werden häufig zur Beobachtung feiner Materialstrukturen eingesetzt, die mit herkömmlichen Mikroskopen nicht aufgelöst werden können. Rasterelektronenmikroskope werden hauptsächlich zur Beobachtung der Morphologie fester Oberflächen verwendet und können auch mit Röntgendiffraktometern oder Elektronenenergiespektrometern kombiniert werden, um elektronische Mikrosonden für die Analyse der Materialzusammensetzung zu bilden. Emissionselektronenmikroskopie zur Untersuchung selbstemittierender Elektronenoberflächen.
Das Transmissionselektronenmikroskop ist benannt nach dem Elektronenstrahl, der die Probe durchdringt und dann das Bild mit der Elektronenlinse vergrößert. Sein Strahlengang ähnelt dem eines optischen Mikroskops. Bei dieser Art von Elektronenmikroskop entsteht der Kontrast im Bildausschnitt durch die Streuung des Elektronenstrahls an den Atomen der Probe. Der dünnere oder dichtere Teil der Probe weist eine geringere Elektronenstrahlstreuung auf, sodass mehr Elektronen durch die Objektivblende gelangen, an der Bildgebung beteiligt sind und im Bild heller erscheinen. Umgekehrt erscheinen dickere oder dichtere Teile der Probe im Bild dunkler. Wenn die Probe zu dick oder zu dicht ist, verschlechtert sich der Kontrast des Bildes oder es wird sogar beschädigt oder zerstört, indem die Energie des Elektronenstrahls absorbiert wird.
Die Oberseite des Objektivtubus des Transmissionselektronenmikroskops ist eine Elektronenkanone. Die Elektronen werden von der Wolfram-Glühkathode emittiert und die Elektronenstrahlen werden vom ersten und zweiten Kondensator fokussiert. Nach dem Durchgang durch die Probe wird der Elektronenstrahl durch die Objektivlinse auf den Zwischenspiegel abgebildet, dann durch den Zwischenspiegel und den Projektionsspiegel schrittweise vergrößert und anschließend auf dem Fluoreszenzschirm oder der photokohärenten Platte abgebildet.
Die Vergrößerung des Zwischenspiegels kann hauptsächlich durch die Einstellung des Erregerstroms stufenlos vom Zehnfachen bis zum Hunderttausendfachen verändert werden; Durch Ändern der Brennweite des Zwischenspiegels können elektronenmikroskopische Bilder und Elektronenbeugungsbilder an winzigen Teilen derselben Probe erhalten werden. Um dickere Metallscheibenproben zu untersuchen, entwickelte das französische Dulos Electron Optics Laboratory ein Ultrahochspannungs-Elektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 3500 kV. Schematische Darstellung der Struktur eines Rasterelektronenmikroskops
Der Elektronenstrahl des Rasterelektronenmikroskops durchdringt die Probe nicht, sondern tastet nur die Oberfläche der Probe ab und regt Sekundärelektronen an. Der neben der Probe platzierte Szintillationskristall empfängt diese Sekundärelektronen, verstärkt und moduliert die Intensität des Elektronenstrahls der Bildröhre und verändert dadurch die Helligkeit auf dem Bildschirm der Bildröhre. Die Ablenkspule der Bildröhre führt eine synchrone Abtastung mit dem Elektronenstrahl auf der Oberfläche der Probe durch, sodass der Leuchtschirm der Bildröhre das topografische Bild der Probenoberfläche anzeigt, was dem Funktionsprinzip eines Industriefernsehers ähnelt .
Die Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops wird hauptsächlich durch den Durchmesser des Elektronenstrahls auf der Probenoberfläche bestimmt. Die Vergrößerung ist das Verhältnis der Abtastamplitude an der Bildröhre zur Abtastamplitude an der Probe, das kontinuierlich vom Zehnfachen bis zum Hunderttausendfachen geändert werden kann. Für die Rasterelektronenmikroskopie sind keine sehr dünnen Proben erforderlich; das Bild hat eine starke dreidimensionale Wirkung; Es kann Informationen wie Sekundärelektronen, absorbierte Elektronen und Röntgenstrahlen, die durch die Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahlen und Substanzen erzeugt werden, nutzen, um die Zusammensetzung von Substanzen zu analysieren.
Die Elektronenkanone und die Kondensorlinse des Rasterelektronenmikroskops entsprechen in etwa denen des Transmissionselektronenmikroskops. Um den Elektronenstrahl jedoch dünner zu machen, werden unter der Kondensorlinse eine Objektivlinse und ein Astigmatisator sowie zwei Sätze hinzugefügt Im Inneren der Objektivlinse sind zueinander senkrechte Abtaststrahlen eingebaut. Spule. Die Probenkammer unterhalb der Objektivlinse ist mit einem Probentisch ausgestattet, der sich bewegen, drehen und neigen lässt.
