Vorteile der Elektronenmikroskopie gegenüber der Lichtmikroskopie
Elektronenmikroskop optisches Mikroskop Bildgebungsprinzip Ähnlichkeiten und Unterschiede
Das Elektronenmikroskop ist ein Instrument, das nach dem Prinzip der Elektronenoptik Lichtstrahl und optische Linse durch Elektronenstrahl und Elektronenlinse ersetzt, so dass die feine Struktur der Materie bei sehr hoher Vergrößerung abgebildet werden kann.
Das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops wird durch den geringen Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten ausgedrückt, den es auflösen kann. In den 197er Jahren hatten Transmissionselektronenmikroskope eine Auflösung von etwa 0,3 Nanometern (das menschliche Auge hat ein Auflösungsvermögen von etwa 0,1 Millimetern). Jetzt beträgt die maximale Vergrößerung des Elektronenmikroskops mehr als 3 Millionen Mal und die maximale Vergrößerung des optischen Mikroskops etwa 2000 Mal, sodass die Atome bestimmter Schwermetalle und das ordentlich angeordnete Atomgitter in Kristallen direkt durch das Elektronenmikroskop beobachtet werden können.
1931 modifizierten Knorr-Bremse und Ruska in Deutschland ein Hochspannungsoszilloskop mit einer Kaltkathodenentladungs-Elektronenquelle und drei Elektronenlinsen und erhielten ein mehr als zehnfach vergrößertes Bild, was die Möglichkeit der Vergrößerung der Abbildung durch ein Elektronenmikroskop bestätigte . . 1932, nach Ruskas Verbesserung, erreichte das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops 50 Nanometer, was etwa dem Zehnfachen des Auflösungsvermögens des damaligen Lichtmikroskops entsprach, sodass das Elektronenmikroskop die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich zog.
In den 194er Jahren kompensierte Hill in den Vereinigten Staaten die Rotationsasymmetrie der Elektronenlinse mit einem Astigmatisten, der einen neuen Durchbruch im Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops brachte und allmählich das moderne Niveau erreichte. In China wurde 1958 erfolgreich ein Transmissionselektronenmikroskop mit einer Auflösung von 3 Nanometern entwickelt, und 1979 wurde ein großes Elektronenmikroskop mit einer Auflösung von 0,3 Nanometern hergestellt.
Obwohl das Auflösungsvermögen von Elektronenmikroskopen weitaus besser ist als das von optischen Mikroskopen, ist es schwierig, lebende Organismen zu beobachten, da Elektronenmikroskope unter Vakuumbedingungen arbeiten müssen und die Bestrahlung mit Elektronenstrahlen auch Strahlenschäden an biologischen Proben verursacht. 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 des Elektronenmikroskops, der mit dem Einfallskegelwinkel und der Wellenlänge des Elektronenstrahls zusammenhängt, der die Probe durchdringt. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts beträgt etwa 300 bis 700 Nanometer, während die Wellenlänge des Elektronenstrahls mit der Beschleunigungsspannung zusammenhängt. Wenn die Beschleunigungsspannung 50-100 kV beträgt, beträgt die Wellenlänge des Elektronenstrahls etwa 0,0053-0,0037 nm. Da die Wellenlänge des Elektronenstrahls viel kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, selbst wenn der Kegelwinkel des Elektronenstrahls nur 1 Prozent von dem eines optischen Mikroskops beträgt, ist das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops diesem immer noch weit überlegen eines optischen Mikroskops.
Das Elektronenmikroskop besteht aus drei Teilen: dem Linsentubus, dem Vakuumsystem und dem Stromversorgungsschrank. Der Objektivtubus umfasst hauptsächlich eine Elektronenkanone, eine Elektronenlinse, einen Probenhalter, einen Leuchtschirm und einen Kameramechanismus, die normalerweise von oben nach unten zu einem Zylinder zusammengebaut werden; das Vakuumsystem besteht aus einer mechanischen Vakuumpumpe, einer Diffusionspumpe und einem Vakuumventil usw. Die Gasleitung ist mit dem Objektivtubus verbunden; Der Stromversorgungsschrank besteht aus einem Hochspannungsgenerator, einem Erregerstromstabilisator und verschiedenen Einstell- und Steuereinheiten.
Die Elektronenlinse ist ein wichtiger Bestandteil des Tubus des Elektronenmikroskops. Es verwendet ein räumliches elektrisches Feld oder Magnetfeld, das symmetrisch zur Zylinderachse ist, um die Elektronenbahn zur Achse zu biegen, um einen Fokus zu bilden. Ihre Funktion ähnelt der einer konvexen Glaslinse, um den Strahl zu fokussieren, daher wird sie als Elektronenlinse bezeichnet. . Die meisten modernen Elektronenmikroskope verwenden elektromagnetische Linsen, die die Elektronen durch ein starkes Magnetfeld fokussieren, das durch einen sehr stabilen Anregungsgleichstrom durch eine Spule mit Polschuh erzeugt wird.
Die Elektronenkanone ist eine Komponente, die aus einer heißen Kathode aus Wolframfaden, einem Gitter und einer Kathode besteht. Es kann einen Elektronenstrahl mit gleichmäßiger Geschwindigkeit emittieren und bilden, sodass die Stabilität der Beschleunigungsspannung nicht weniger als 1/10 beträgt,000.
Elektronenmikroskope können nach Aufbau und Verwendung in Transmissionselektronenmikroskope, Rasterelektronenmikroskope, Reflexionselektronenmikroskope und Emissionselektronenmikroskope eingeteilt werden. Transmissionselektronenmikroskope werden oft verwendet, um jene feinen Materialstrukturen zu beobachten, die von gewöhnlichen Mikroskopen nicht unterschieden werden können; Rasterelektronenmikroskope werden hauptsächlich zur Beobachtung der Morphologie fester Oberflächen verwendet und können auch mit Röntgendiffraktometern oder Elektronenenergiespektrometern zur Bildung von Elektronen kombiniert werden. Mikrosonden zur Analyse der Materialzusammensetzung; Emissionselektronenmikroskopie zur Untersuchung von selbstemittierenden Elektronenoberflächen.
Das Projektionselektronenmikroskop ist nach dem Elektronenstrahl benannt, der die Probe durchdringt und dann die Elektronenlinse zur Abbildung und Vergrößerung verwendet. Sein Strahlengang ähnelt dem eines optischen Mikroskops. Bei diesem Elektronenmikroskop entsteht der Kontrast von Bildausschnitten durch die Streuung des Elektronenstrahls an den Atomen der Probe. Bei dünneren oder weniger dichten Teilen der Probe wird der Elektronenstrahl weniger gestreut, sodass mehr Elektronen die Objektivöffnung passieren, 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 wird sogar beschädigt oder zerstört, indem die Energie des Elektronenstrahls absorbiert wird.
Die Oberseite der Transmissionselektronenmikroskopröhre ist die Elektronenkanone, die Elektronen werden von der Wolframfaden-Heißkathode emittiert, passieren den Laser, und die zweiten beiden Kondensorlinsen fokussieren den Elektronenstrahl. Nach Durchgang durch die Probe wird der Elektronenstrahl durch die Objektivlinse auf den Zwischenspiegel abgebildet und dann schrittweise durch den Zwischenspiegel und den Projektionsspiegel vergrößert und dann auf dem Fluoreszenzschirm oder der fotografischen Trockenplatte abgebildet.
Der Zwischenspiegel passt hauptsächlich den Anregungsstrom an, und die Vergrößerung kann kontinuierlich von zehnfach auf hunderttausendfach geändert werden; Durch Veränderung der Brennweite des Zwischenspiegels können Elektronenmikroskopbilder und Elektronenbeugungsbilder von winzigen Teilen derselben Probe erhalten werden. . Um dickere Metallscheibenproben zu untersuchen, hat das französische Dulos Electron Optics Laboratory ein Ultrahochspannungs-Elektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 3500 kV entwickelt. Rasterelektronenmikroskop-Strukturschema
Der Elektronenstrahl eines Rasterelektronenmikroskops durchdringt die Probe nicht, sondern tastet nur die Oberfläche der Probe ab, um Sekundärelektronen anzuregen. Ein neben der Probe platzierter Szintillationskristall empfängt diese Sekundärelektronen und moduliert nach Verstärkung die Intensität des Elektronenstrahls der Bildröhre, wodurch sich die Helligkeit auf dem Schirm der Bildröhre verändert. Das Ablenkjoch der Bildröhre tastet die Probenoberfläche synchron mit dem Elektronenstrahl ab, sodass der Leuchtschirm der Bildröhre ähnlich dem Arbeitsprinzip des Industriefernsehens das topografische Bild der Probenoberfläche wiedergibt.
Die Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops wird hauptsächlich durch den Durchmesser des Elektronenstrahls auf der Probenoberfläche bestimmt. Die Vergrößerung ist das Verhältnis der Abtastamplitude auf der Bildröhre zur Abtastamplitude auf der Probe, die kontinuierlich von zehnfach bis zu hunderttausendfach geändert werden kann. Das Rasterelektronenmikroskop erfordert keine sehr dünnen Proben; das Bild hat eine starke dreidimensionale Wirkung; Es kann die Zusammensetzung von Materie anhand von Informationen wie Sekundärelektronen, absorbierten Elektronen und Röntgenstrahlen analysieren, die durch die Wechselwirkung von Elektronenstrahlen mit Materie erzeugt werden.
Die Elektronenkanone und der Kondensor des Rasterelektronenmikroskops sind ungefähr die gleichen wie beim Transmissionselektronenmikroskop, aber um den Elektronenstrahl dünner zu machen, werden unter dem Kondensor eine Objektivlinse und ein Astigmatist sowie zwei Sätze von Rasterelektronen hinzugefügt die senkrecht zueinander stehen, innerhalb der Objektivlinse installiert sind. Spule. Die Probenkammer unter der Objektivlinse beherbergt den Probentisch, der bewegt, gedreht und gekippt werden kann.
