Vantaggi della microscopia elettronica rispetto alla microscopia ottica
Principio di imaging del microscopio ottico al microscopio elettronico somiglianze e differenze
Il microscopio elettronico è uno strumento che sostituisce il raggio di luce e la lente ottica con il raggio di elettroni e la lente elettronica secondo il principio dell'ottica elettronica, in modo che la struttura fine della materia possa essere ripresa con un ingrandimento molto elevato.
Il potere risolutivo di un microscopio elettronico è espresso dalla piccola distanza tra due punti adiacenti che può risolvere. Negli anni 1970, i microscopi elettronici a trasmissione avevano una risoluzione di circa 0.3 nanometri (l'occhio umano ha un potere risolutivo di circa 0,1 millimetri). Ora l'ingrandimento massimo del microscopio elettronico è superiore a 3 milioni di volte e l'ingrandimento massimo del microscopio ottico è di circa 2000 volte, quindi gli atomi di alcuni metalli pesanti e il reticolo atomico ben disposto nei cristalli possono essere osservati direttamente attraverso il microscopio elettronico.
Nel 1931, Knorr-Bremse e Ruska in Germania modificarono un oscilloscopio ad alta tensione con una sorgente di elettroni a scarica a catodo freddo e tre lenti elettroniche e ottennero un'immagine ingrandita più di dieci volte, il che confermò la possibilità di ingrandire l'immagine con un microscopio elettronico . . Nel 1932, dopo il miglioramento di Ruska, il potere risolutivo del microscopio elettronico raggiunse i 50 nanometri, che all'epoca era circa dieci volte il potere risolutivo del microscopio ottico, quindi il microscopio elettronico iniziò ad attirare l'attenzione della gente.
Negli anni 1940, Hill negli Stati Uniti compensò l'asimmetria rotazionale della lente elettronica con un astigmatista, che fece una nuova svolta nel potere risolutivo del microscopio elettronico e raggiunse gradualmente il livello moderno. In Cina, nel 1958 è stato sviluppato con successo un microscopio elettronico a trasmissione con una risoluzione di 3 nanometri e nel 1979 è stato realizzato un microscopio elettronico su larga scala con una risoluzione di 0,3 nanometri.
Sebbene il potere risolutivo dei microscopi elettronici sia di gran lunga migliore di quello dei microscopi ottici, è difficile osservare gli organismi viventi perché i microscopi elettronici devono lavorare in condizioni di vuoto e l'irradiazione dei fasci di elettroni causerà anche danni da radiazioni ai campioni biologici. Anche altre questioni, come il miglioramento della luminosità del cannone elettronico e la qualità della lente elettronica, devono essere ulteriormente studiate.
Il potere risolutivo è un indicatore importante del microscopio elettronico, che è correlato all'angolo del cono incidente e alla lunghezza d'onda del fascio di elettroni che passa attraverso il campione. La lunghezza d'onda della luce visibile è compresa tra circa 300 e 700 nanometri, mentre la lunghezza d'onda del fascio di elettroni è correlata alla tensione di accelerazione. Quando la tensione di accelerazione è 50-100 kV, la lunghezza d'onda del fascio di elettroni è di circa 0.0053-0.0037 nm. Poiché la lunghezza d'onda del fascio di elettroni è molto più piccola della lunghezza d'onda della luce visibile, anche se l'angolo del cono del fascio di elettroni è solo l'1% di quello di un microscopio ottico, il potere risolutivo di un microscopio elettronico è ancora di gran lunga superiore a quello di un microscopio ottico.
Il microscopio elettronico è composto da tre parti: il tubo dell'obiettivo, il sistema del vuoto e l'armadio di alimentazione. Il barilotto dell'obiettivo comprende principalmente cannone elettronico, lente elettronica, portacampione, schermo fluorescente e meccanismo della fotocamera, che di solito sono assemblati in un cilindro dall'alto verso il basso; il sistema del vuoto è composto da pompa del vuoto meccanica, pompa di diffusione e valvola del vuoto, ecc. Il gasdotto è collegato al barilotto dell'obiettivo; l'armadio di alimentazione è composto da un generatore di alta tensione, uno stabilizzatore della corrente di eccitazione e varie centraline di regolazione e controllo.
La lente elettronica è una parte importante del barilotto del microscopio elettronico. Utilizza un campo elettrico spaziale o un campo magnetico simmetrico rispetto all'asse del barilotto per piegare la traiettoria dell'elettrone rispetto all'asse per formare la messa a fuoco. La sua funzione è simile a quella di una lente convessa di vetro per focalizzare il raggio, quindi è chiamata lente elettronica. . La maggior parte dei microscopi elettronici moderni utilizza lenti elettromagnetiche, che focalizzano gli elettroni mediante un forte campo magnetico generato da una corrente di eccitazione CC molto stabile attraverso una bobina con una scarpa polare.
Il cannone elettronico è un componente composto da un catodo caldo a filamento di tungsteno, una griglia e un catodo. Può emettere e formare un fascio di elettroni con velocità uniforme, quindi la stabilità della tensione di accelerazione non è inferiore a 1/10,000.
I microscopi elettronici possono essere suddivisi in microscopi elettronici a trasmissione, microscopi elettronici a scansione, microscopi elettronici a riflessione e microscopi elettronici a emissione in base alla loro struttura e utilizzo. I microscopi elettronici a trasmissione sono spesso usati per osservare quelle strutture materiali fini che non possono essere distinte dai normali microscopi; i microscopi elettronici a scansione sono utilizzati principalmente per osservare la morfologia delle superfici solide e possono anche essere combinati con diffrattometri a raggi X o spettrometri di energia elettronica per formare elettroni. Microsonde per l'analisi della composizione dei materiali; Microscopia elettronica ad emissione per lo studio delle superfici elettroniche autoemittenti.
Il microscopio elettronico a proiezione prende il nome dal fascio di elettroni che penetra nel campione e quindi utilizza la lente elettronica per visualizzare e ingrandire. Il suo percorso ottico è simile a quello di un microscopio ottico. In questo microscopio elettronico, il contrasto dei dettagli dell'immagine è creato dalla dispersione del fascio di elettroni da parte degli atomi del campione. Parti più sottili o meno dense del campione, il fascio di elettroni si disperde meno, quindi più elettroni passano attraverso l'apertura dell'obiettivo, partecipano all'imaging e appaiono più luminosi nell'immagine. Al contrario, le parti più spesse o più dense del campione appaiono più scure nell'immagine. Se il campione è troppo spesso o troppo denso, il contrasto dell'immagine si deteriorerà o addirittura verrà danneggiato o distrutto assorbendo l'energia del fascio di elettroni.
La parte superiore del tubo del microscopio elettronico a trasmissione è il cannone elettronico, gli elettroni vengono emessi dal catodo caldo del filamento di tungsteno, passano attraverso il laser e le seconde due lenti del condensatore focalizzano il fascio di elettroni. Dopo essere passato attraverso il campione, il fascio di elettroni viene ripreso sullo specchio intermedio dalla lente dell'obiettivo, quindi ingrandito passo dopo passo attraverso lo specchio intermedio e lo specchio di proiezione, quindi ripreso sullo schermo fluorescente o sulla lastra fotografica asciutta.
Lo specchio intermedio regola principalmente la corrente di eccitazione e l'ingrandimento può essere modificato continuamente da decine di volte a centinaia di migliaia di volte; modificando la lunghezza focale dello specchio intermedio, è possibile ottenere immagini al microscopio elettronico e immagini di diffrazione elettronica su minuscole parti dello stesso campione. . Per studiare campioni di fette di metallo più spesse, il laboratorio francese Dulos Electron Optics ha sviluppato un microscopio elettronico ad altissima tensione con una tensione di accelerazione di 3500 kV. Schema della struttura del microscopio elettronico a scansione
Il fascio di elettroni di un microscopio elettronico a scansione non passa attraverso il campione, ma scansiona solo la superficie del campione per eccitare gli elettroni secondari. Un cristallo scintillante posto accanto al campione riceve questi elettroni secondari e modula l'intensità del fascio di elettroni del cinescopio dopo l'amplificazione, modificando così la luminosità sullo schermo del cinescopio. Il giogo di deflessione del cinescopio continua a scansionare in sincronia con il fascio di elettroni sulla superficie del campione, in modo che lo schermo fluorescente del cinescopio visualizzi l'immagine topografica della superficie del campione, che è simile al principio di funzionamento della televisione industriale.
La risoluzione di un microscopio elettronico a scansione è determinata principalmente dal diametro del fascio di elettroni sulla superficie del campione. L'ingrandimento è il rapporto tra l'ampiezza di scansione sul cinescopio e l'ampiezza di scansione sul campione, che può essere modificata continuamente da decine di volte a centinaia di migliaia di volte. Il microscopio elettronico a scansione non richiede campioni molto sottili; l'immagine ha un forte effetto tridimensionale; può analizzare la composizione della materia utilizzando informazioni come elettroni secondari, elettroni assorbiti e raggi X generati dall'interazione dei fasci di elettroni con la materia.
Il cannone elettronico e il condensatore del microscopio elettronico a scansione sono più o meno gli stessi di quelli del microscopio elettronico a trasmissione, ma per rendere il fascio di elettroni più sottile, sotto il condensatore vengono aggiunti una lente dell'obiettivo e un astigmatista e due serie di elettroni a scansione che sono perpendicolari tra loro sono installati all'interno della lente dell'obiettivo. bobina. La camera del campione sotto la lente dell'obiettivo ospita il portacampione che può essere spostato, ruotato e inclinato.
