Optisches Prinzip und Anwendungsbereich des Elektronenmikroskops
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 betrug die Auflösung des Transmissionselektronenmikroskops etwa 0,3 Nanometer (die Auflösung des menschlichen Auges beträgt etwa 0,1 mm). Jetzt beträgt die maximale Vergrößerung des Elektronenmikroskops mehr als 3 Millionen Mal, und die maximale Vergrößerung des optischen Mikroskops beträgt etwa das 2000-fache, 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 die Auflösung des Elektronenmikroskops 50 Nanometer, was etwa dem Zehnfachen der Auflösung des Lichtmikroskops zu dieser Zeit entsprach, 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 Es ist weitaus besser als das optische Mikroskop, es ist jedoch schwierig, lebende Organismen zu beobachten, da das Elektronenmikroskop unter Vakuumbedingungen arbeiten muss und die Bestrahlung des Elektronenstrahls auch dazu führt, dass die biologischen Proben durch Strahlung geschädigt werden. Andere Themen, wie die Verbesserung der Helligkeit der Elektronenkanone und der Qualität der Elektronenlinse, müssen noch untersucht werden. Das Auflösungsvermögen ist ein wichtiger Index des Elektronenmikroskops, der mit dem Einfallskegelwinkel und der Wellenlänge des durch die Probe fließenden Elektronenstrahls zusammenhängt. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts beträgt etwa 300-700 Nanometer, während die Wellenlänge des Elektronenstrahls von der Beschleunigungsspannung abhängt. Wenn die Beschleunigungsspannung 50-100 kV beträgt, beträgt die Wellenlänge des Elektronenstrahls etwa 0,{9}},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 Schaltschrank. 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 die wichtigste Komponente im Tubus des Elektronenmikroskops. Es nutzt ein elektrisches Raumfeld oder ein magnetisches Feld, das symmetrisch zur Achse des Objektivtubus ist, um die Elektronenbahn zur Achse zu biegen und so einen Fokus zu bilden, und seine Funktion ähnelt der einer konvexen Glaslinse, um den Strahl zu fokussieren sogenannte elektronische Linse. Die meisten modernen Elektronenmikroskope verwenden elektromagnetische Linsen, die Elektronen durch ein starkes Magnetfeld fokussieren, das durch einen sehr stabilen Gleichstrom erzeugt wird, der durch eine Spule mit Polstücken fließt.
Die Elektronenkanone besteht aus einer Wolfram-Glühkathode, einem Gitter und einer Kathode.
Stücke. Es kann Elektronenstrahlen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit emittieren und bilden, daher muss die Stabilität der Beschleunigungsspannung mindestens ein Zehntausendstel betragen.
Elektronenmikroskope können nach ihrem Aufbau und ihrer Verwendung in Transmissionselektronenmikroskope unterteilt werden.
Mikroskope, Rasterelektronenmikroskope und Emissionselektronenmikroskope usw. Transmissionselektronenmikroskope werden häufig zur Beobachtung feiner Materialstrukturen verwendet, 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.
Der Name des Transmissionselektronenmikroskops geht darauf zurück, dass der Elektronenstrahl die Probe durchdringt und das Bild anschließend mit einer 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. Teile der Probe, die dünner oder weniger dicht sind, werden vom Elektronenstrahl weniger gestreut, sodass mehr Elektronen durch die Objektivblende gelangen, an der Abbildung teilnehmen 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 die Elektronenkanone, und die Elektronen werden von der Wolfram-Glühkathode emittiert, und der Elektronenstrahl wird von der ersten und zweiten Kondensorlinse 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 kann ein elektronenmikroskopisches Bild eines winzigen Teils derselben Probe erhalten werden
und Elektronenbeugungsbilder. Um dickere Metallscheibenproben untersuchen zu können, hat das Labor für Elektronenoptik in Dulos, Frankreich, ein Ultrahochspannungs-Elektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 3500 kV entwickelt.
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 Elektronenstrahlintensität der Bildröhre und verändert dadurch die Helligkeit des Leuchtschirms der Bildröhre. Die Ablenkspule der Bildröhre scannt synchron mit dem Elektronenstrahl die Oberfläche der Probe, sodass der Leuchtschirm der Bildröhre das topografische Bild der Probenoberfläche anzeigt, was dem Funktionsprinzip eines Industriefernsehers ähnelt.
Die Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops wird in erster Linie 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 eines Rasterelektronenmikroskops ähneln in etwa denen eines Transmissionselektronenmikroskops. Um den Elektronenstrahl jedoch dünner zu machen, werden unter der Kondensorlinse eine Objektivlinse und ein Astigmatisator sowie zwei Sätze davon hinzugefügt Im Inneren der Objektivlinse sind zueinander senkrechte Abtaststrahlen eingebaut. Spule. Die Probenkammer unterhalb des Objektivs ist mit einem Probentisch ausgestattet, der bewegt, gedreht und geneigt werden kann.
