Principio ottico e campo di applicazione del microscopio elettronico
Un microscopio elettronico è uno strumento che utilizza fasci di elettroni e lenti di elettroni invece di fasci di luce e lenti ottiche per visualizzare le strutture fini delle sostanze a ingrandimenti molto elevati basati sul principio dell'ottica elettronica.
Il potere risolutivo di un microscopio elettronico è rappresentato dalla distanza minima tra due punti adiacenti che può risolvere. Negli anni 1970, la risoluzione del microscopio elettronico a trasmissione era di circa 0.3 nanometri (la risoluzione dell'occhio umano è di circa 0,1 mm). Ora l'ingrandimento massimo del microscopio elettronico supera i 3 milioni di volte e l'ingrandimento massimo del microscopio ottico è di circa 2000 volte, quindi gli atomi di alcuni metalli pesanti e i reticoli atomici ordinatamente disposti nel cristallo possono essere osservati direttamente attraverso il microscopio elettronico .
Nel 1931, Knorr-Bremse e Ruska della Germania rimontarono 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, che confermò la possibilità dell'imaging ingrandito al microscopio elettronico. Nel 1932, dopo il miglioramento di Ruska, la risoluzione del microscopio elettronico raggiunse i 50 nanometri, che all'epoca era circa dieci volte la risoluzione del microscopio ottico, quindi il microscopio elettronico iniziò a ricevere l'attenzione della gente.
Negli anni 1940, Hill negli Stati Uniti usò un astigmatizzante per compensare l'asimmetria rotazionale della lente elettronica, 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 prodotto un microscopio elettronico di grandi dimensioni con una risoluzione di 0,3 nanometri. Sebbene il potere di risoluzione del microscopio elettronico sia molto meglio di quello del microscopio ottico, è difficile osservare gli organismi viventi perché il microscopio elettronico deve lavorare in condizioni di vuoto e l'irradiazione del fascio di elettroni causerà anche il danneggiamento dei campioni biologici da parte delle radiazioni. Altre questioni, come il miglioramento della luminosità del cannone elettronico e la qualità della lente elettronica, sono ancora da studiare. Il potere risolutivo è un indice 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 di circa 300-700 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 nanometri. 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 del microscopio ottico, il potere risolutivo del microscopio elettronico è ancora di gran lunga superiore a quello del microscopio ottico. Il microscopio elettronico è composto da tre parti: barilotto dell'obiettivo, sistema del vuoto e armadio elettrico. 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 il componente più importante nel barilotto del microscopio elettronico. Utilizza un campo elettrico spaziale o un campo magnetico simmetrico all'asse del barilotto dell'obiettivo per piegare la traiettoria dell'elettrone rispetto all'asse per formare un fuoco, e 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 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 composto da catodo caldo di tungsteno, griglia e catodo.
pezzi. Può emettere e formare fasci di elettroni con 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 in base alle loro strutture e usi.
Microscopi, microscopi elettronici a scansione e microscopi elettronici a emissione, ecc. 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 una 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. Parti del campione che sono più sottili o meno dense sono meno disperse dal fascio di elettroni, in modo che più elettroni passino attraverso il diaframma dell'obiettivo per partecipare 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 il cannone elettronico e gli elettroni vengono emessi dal catodo caldo di tungsteno e il raggio di elettroni viene focalizzato dalla prima e dalla seconda lente del condensatore. Dopo aver attraversato il campione, il fascio di elettroni viene ripreso sullo specchio intermedio dalla lente dell'obiettivo, quindi ingrandito passo dopo passo dallo specchio intermedio e dallo specchio di proiezione, quindi ripreso sullo schermo fluorescente o sulla lastra fotocoerente.
L'ingrandimento dello specchio intermedio può essere modificato continuamente da decine 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 un'immagine al microscopio elettronico su una minuscola parte dello stesso campione
e immagini di diffrazione elettronica. Per poter studiare campioni di fette di metallo più spesse, l'Electron Optics Laboratory di Dulos, in Francia, 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 fluorescente del cinescopio. La bobina 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 di un televisore 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 tra fasci di elettroni e sostanze per analizzare la composizione delle sostanze.
Il cannone elettronico e la lente del condensatore di un microscopio elettronico a scansione sono all'incirca uguali a quelli di un 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 essere spostato, ruotato e inclinato.
