Composizione del microscopio elettronico Storia dello sviluppo del microscopio elettronico
Componenti di un microscopio elettronico
Sorgente di elettroni: è un catodo che rilascia elettroni liberi e un anodo a forma di anello accelera gli elettroni. La differenza di tensione tra il catodo e l'anodo deve essere molto elevata, tipicamente tra diverse migliaia di volt e tre milioni di volt.
Elettroni: Usato per mettere a fuoco gli elettroni. Generalmente vengono utilizzate lenti magnetiche e talvolta vengono utilizzate anche lenti elettrostatiche. La funzione della lente elettronica è la stessa di quella della lente ottica nel microscopio ottico. La messa a fuoco dell'obiettivo ottico è fissa, ma la messa a fuoco dell'obiettivo elettronico può essere regolata, quindi il microscopio elettronico non ha un sistema di lenti mobili come un microscopio ottico.
Dispositivo del vuoto: il dispositivo del vuoto viene utilizzato per garantire lo stato del vuoto all'interno del microscopio, in modo che gli elettroni non vengano assorbiti o deviati sul loro percorso.
Portacampioni: i campioni possono essere posizionati stabilmente sul portacampioni. Inoltre, ci sono spesso dispositivi che possono essere utilizzati per cambiare il campione (come lo spostamento, la rotazione, il riscaldamento, il raffreddamento, l'allungamento, ecc.).
Rivelatore: segnale o segnale secondario utilizzato per raccogliere elettroni. La proiezione di un campione può essere ottenuta direttamente utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione (Transmission Electron Microscopy TEM). Gli elettroni passano attraverso il campione in questo microscopio, quindi il campione deve essere molto sottile. Il peso atomico degli atomi che compongono il campione, la tensione alla quale gli elettroni vengono accelerati e la risoluzione desiderata determinano lo spessore del campione. Lo spessore del campione può variare da pochi nanometri a pochi micrometri. Maggiore è la massa atomica e minore è la tensione, più sottile deve essere il campione.
Modificando il sistema di lenti dell'obiettivo, è possibile ingrandire direttamente l'immagine nel punto focale dell'obiettivo. Da questo si possono ottenere immagini di diffrazione elettronica. Utilizzando questa immagine, è possibile analizzare la struttura cristallina del campione.
Il principio di composizione del microscopio elettronico
Il microscopio elettronico è composto da tre parti: barilotto dell'obiettivo, sistema del vuoto e armadio di alimentazione. Il barilotto dell'obiettivo comprende principalmente cannoni elettronici, lenti elettroniche, portacampioni, schermi fluorescenti e meccanismi della fotocamera. Questi componenti sono solitamente assemblati in una colonna dall'alto verso il basso; il sistema del vuoto è composto da pompe per vuoto meccaniche, pompe a diffusione e valvole per vuoto. Il gasdotto è collegato al barilotto dell'obiettivo; l'armadio di potenza è composto da un generatore di alta tensione, uno stabilizzatore della corrente di eccitazione e varie centraline di regolazione.
La lente elettronica è la parte più importante del barilotto della lente del microscopio elettronico. Utilizza un campo elettrico spaziale o un campo magnetico simmetrico rispetto all'asse del barilotto dell'obiettivo per piegare la traccia dell'elettrone rispetto all'asse per formare un fuoco. La sua funzione è simile a quella di una lente convessa di vetro per focalizzare il raggio, per questo è chiamato elettrone. lente. La maggior parte dei microscopi elettronici moderni utilizza lenti elettromagnetiche, che focalizzano gli elettroni attraverso un forte campo magnetico generato da una corrente di eccitazione CC molto stabile che passa attraverso una bobina con espansioni polari.
Il cannone elettronico è un componente costituito da un catodo caldo a filamento di tungsteno, una griglia e un catodo. Può emettere e formare un fascio di elettroni con una velocità uniforme, quindi la stabilità della tensione di accelerazione deve essere non inferiore a un decimillesimo.
I microscopi elettronici possono essere suddivisi in microscopi elettronici a trasmissione, microscopi elettronici a scansione, microscopi elettronici a riflessione e microscopi elettronici a emissione secondo le loro strutture e usi. I microscopi elettronici a trasmissione sono spesso usati per osservare le fini strutture materiali che non possono essere risolte 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 microsfere elettroniche Le microsfere si formano dalla diffusione del fascio di elettroni da parte degli atomi del campione. La parte più sottile oa densità inferiore del campione ha una minore diffusione del fascio di elettroni, in modo che più elettroni passino attraverso il diaframma dell'obiettivo e partecipino all'imaging e appaiano 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 deteriora o addirittura viene danneggiato o distrutto dall'assorbimento dell'energia del fascio di elettroni.
La parte superiore del barilotto dell'obiettivo del microscopio elettronico a trasmissione è un cannone elettronico. Gli elettroni vengono emessi dal catodo caldo di tungsteno e i fasci di elettroni vengono focalizzati dal primo e dal secondo condensatore. 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 fotocoerente.
L'ingrandimento dello specchio intermedio può essere modificato continuamente da dozzine di volte a centinaia di migliaia di volte principalmente attraverso la regolazione della corrente di eccitazione; modificando la lunghezza focale dello specchio intermedio, è possibile ottenere immagini al microscopio elettronico e immagini di diffrazione elettronica sulle 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.
Il fascio di elettroni del microscopio elettronico a scansione non passa attraverso il campione, ma scansiona ed eccita solo gli elettroni secondari sulla superficie del campione. Il cristallo scintillante posto accanto al campione riceve questi elettroni secondari, amplifica e modula l'intensità del fascio di elettroni del cinescopio, modificando così la luminosità sullo schermo del cinescopio. La bobina di deflessione del cinescopio mantiene la scansione sincrona 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 di una TV 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. La microscopia elettronica a scansione non richiede campioni molto sottili; l'immagine ha un forte effetto tridimensionale; può utilizzare informazioni come elettroni secondari, elettroni assorbiti e raggi X generati dall'interazione di fasci di elettroni e sostanze per analizzare la composizione delle sostanze.
Il cannone elettronico e la lente del 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, una lente dell'obiettivo e un astigmatizzante vengono aggiunti sotto la lente del condensatore e due serie di raggi di scansione reciprocamente perpendicolari sono installati all'interno della lente dell'obiettivo. bobina. La camera del campione sotto la lente dell'obiettivo è dotata di un portacampioni che può muoversi, ruotare e inclinarsi.
Usi dei microscopi elettronici
I microscopi elettronici possono essere suddivisi in microscopi elettronici a trasmissione, microscopi elettronici a scansione, microscopi elettronici a riflessione e microscopi elettronici a emissione secondo le loro strutture e usi. I microscopi elettronici a trasmissione sono spesso usati per osservare le fini strutture materiali che non possono essere risolte 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 Microsonde elettroniche per l'analisi della composizione dei materiali; microscopia elettronica ad emissione per lo studio delle superfici di elettroni autoemittenti.
Il microscopio elettronico a trasmissione prende il nome dal fascio di elettroni che penetra nel campione e quindi ingrandisce l'immagine con la lente elettronica. Il suo percorso ottico è simile a quello di un microscopio ottico. In questo tipo di microscopio elettronico, il contrasto nei dettagli dell'immagine è creato dalla dispersione del fascio di elettroni da parte degli atomi del campione. La parte più sottile oa densità inferiore del campione ha una minore diffusione del fascio di elettroni, in modo che più elettroni passino attraverso il diaframma dell'obiettivo e partecipino all'imaging e appaiano 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 deteriora o addirittura viene danneggiato o distrutto dall'assorbimento dell'energia del fascio di elettroni.
