مزایای میکروسکوپ الکترونی در مقابل میکروسکوپ نوری
میکروسکوپ الکترونی ابزاری است که از پرتوهای الکترونی و عدسیهای الکترونی به جای پرتوهای نوری و عدسیهای نوری برای تصویربرداری از ساختارهای ظریف مواد در بزرگنماییهای بسیار بالا بر اساس اصل اپتیک الکترونی استفاده میکند.
قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی با فاصله کمی بین دو نقطه مجاور که می تواند آن را تشخیص دهد نشان داده می شود. در دهه ۱۹۷0، میکروسکوپهای الکترونی عبوری دارای قدرت تفکیک 0.3 نانومتر بودند (قدرت تفکیک چشم انسان حدود 0.1 میلیمتر است). اکنون حداکثر بزرگنمایی میکروسکوپ الکترونی بیش از 3 میلیون برابر است، در حالی که حداکثر بزرگنمایی میکروسکوپ نوری حدود 2000 برابر است، بنابراین اتم های برخی از فلزات سنگین و شبکه های اتمی منظم در کریستال را می توان مستقیماً از طریق میکروسکوپ الکترونی مشاهده کرد. .
در سال 1931، Knorr-Bremse و Ruska از آلمان یک اسیلوسکوپ ولتاژ بالا با منبع الکترون تخلیه کاتد سرد و سه عدسی الکترونی را دوباره نصب کردند و تصویری با بزرگنمایی بیش از ده برابر به دست آوردند که امکان تصویربرداری بزرگنمایی شده با میکروسکوپ الکترونی را تأیید کرد. در سال 1932، پس از بهبود Ruska، قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی به 50 نانومتر رسید که حدود ده برابر قدرت تفکیک میکروسکوپ نوری در آن زمان بود، بنابراین میکروسکوپ الکترونی توجه مردم را به خود جلب کرد.
در دهه 194، هیل در ایالات متحده از یک آستیگماتایزر برای جبران عدم تقارن چرخشی عدسی الکترونی استفاده کرد که پیشرفت جدیدی در قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی ایجاد کرد و به تدریج به سطح مدرن رسید. در چین، یک میکروسکوپ الکترونی عبوری در سال 1958 با وضوح 3 نانومتر با موفقیت توسعه یافت و در سال 1979 یک میکروسکوپ الکترونی بزرگ با وضوح 0.3 نانومتر ساخته شد.
اگرچه قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی بسیار برتر از میکروسکوپ نوری است، اما مشاهده موجودات زنده دشوار است زیرا میکروسکوپ الکترونی باید در شرایط خلاء کار کند و تابش پرتوهای الکترونی نیز باعث آسیب تشعشع به نمونههای بیولوژیکی میشود. . مسائل دیگری مانند بهبود روشنایی تفنگ الکترونی و کیفیت عدسی الکترونی نیز نیاز به مطالعه بیشتر دارد.
توان تفکیک یک شاخص مهم میکروسکوپ الکترونی است که به زاویه مخروط فرودی و طول موج پرتو الکترونی عبوری از نمونه مربوط می شود. طول موج نور مرئی حدود {{0}} نانومتر است، در حالی که طول موج پرتوهای الکترونی مربوط به ولتاژ شتاب دهنده است. وقتی ولتاژ شتاب دهنده 50-100 کیلوولت باشد، طول موج پرتو الکترونی حدود 0.0037.0053-0 نانومتر است. از آنجایی که طول موج پرتو الکترونی بسیار کوچکتر از طول موج نور مرئی است، حتی اگر زاویه مخروط پرتو الکترونی تنها 1 درصد از زاویه میکروسکوپ نوری باشد، قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی هنوز بسیار برتر از آن است. از میکروسکوپ نوری
میکروسکوپ الکترونی از سه قسمت تشکیل شده است: بشکه عدسی، سیستم خلاء و کابینت منبع تغذیه. لوله لنز عمدتاً شامل تفنگ های الکترونی، لنزهای الکترونی، نگهدارنده های نمونه، صفحه های فلورسنت و مکانیسم های دوربین است. این اجزا معمولاً در یک ستون از بالا به پایین مونتاژ می شوند. سیستم خلاء از پمپ های خلاء مکانیکی، پمپ های انتشار و دریچه های خلاء تشکیل شده است. خط لوله گاز با بشکه لنز متصل است. کابینت برق از یک ژنراتور ولتاژ بالا، یک تثبیت کننده جریان تحریک و واحدهای کنترل تنظیم مختلف تشکیل شده است.
عدسی الکترونی بخش مهمی از لوله عدسی میکروسکوپ الکترونی است. از یک میدان الکتریکی فضایی یا میدان مغناطیسی متقارن با محور بشکه عدسی استفاده میکند تا مسیر الکترونی را به محور خم کند تا تمرکز ایجاد شود. عملکرد آن مشابه عدسی محدب شیشه ای برای تمرکز پرتو است، بنابراین به آن عدسی الکترونیکی می گویند. . اکثر میکروسکوپهای الکترونی مدرن از عدسیهای الکترومغناطیسی استفاده میکنند که الکترونها را از طریق یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد شده توسط یک جریان تحریک DC بسیار پایدار که از یک سیم پیچ با کفشکهای قطبی عبور میکند، متمرکز میکند.
تفنگ الکترونی از کاتد گرم تنگستن، شبکه و کاتد تشکیل شده است. این می تواند یک پرتو الکترونی با سرعت یکنواخت ساطع کرده و تشکیل دهد، بنابراین پایداری ولتاژ شتاب دهنده لازم است که کمتر از یک ده هزارم نباشد.
میکروسکوپ های الکترونی را می توان با توجه به ساختار و کاربرد آنها به میکروسکوپ های الکترونی عبوری، میکروسکوپ های الکترونی روبشی، میکروسکوپ های الکترونی بازتابی و میکروسکوپ های الکترونی گسیلی تقسیم کرد. میکروسکوپهای الکترونی عبوری اغلب برای مشاهده ساختارهای مواد ظریفی که با میکروسکوپهای معمولی قابل تشخیص نیستند استفاده میشوند. میکروسکوپهای الکترونی روبشی عمدتاً برای مشاهده مورفولوژی سطوح جامد استفاده میشوند و همچنین میتوانند با پراش سنجهای اشعه ایکس یا طیفسنجهای انرژی الکترونی ترکیب شوند تا میکروپروبهای الکترونیکی را برای تجزیه و تحلیل ترکیب مواد تشکیل دهند. میکروسکوپ الکترونی گسیلی برای مطالعه سطوح الکترونی خود ساطع
نام میکروسکوپ الکترونی پروژکشن پس از نفوذ پرتو الکترونی به نمونه و سپس بزرگنمایی تصویر با عدسی الکترونی است. مسیر نوری آن مشابه مسیر یک میکروسکوپ نوری است. در این نوع میکروسکوپ الکترونی کنتراست در جزئیات تصویر با پراکندگی پرتو الکترونی توسط اتم های نمونه ایجاد می شود. قسمت نازک تر یا با چگالی کمتر نمونه دارای پراکندگی پرتو الکترونی کمتری است، به طوری که الکترون های بیشتری از دیافراگم هدف عبور کرده و در تصویربرداری شرکت می کنند و در تصویر روشن تر به نظر می رسند. برعکس، قسمت های ضخیم تر یا متراکم تر نمونه در تصویر تیره تر به نظر می رسند. اگر نمونه خیلی ضخیم یا خیلی متراکم باشد، کنتراست تصویر بدتر می شود یا حتی با جذب انرژی پرتو الکترونی آسیب دیده یا از بین می رود.
بالای لوله عدسی میکروسکوپ الکترونی عبوری تفنگ الکترونی است. الکترون ها توسط کاتد داغ تنگستن گسیل می شوند و از * عبور می کنند و دو کندانسور دوم پرتو الکترونی را متمرکز می کنند. پس از عبور از نمونه، پرتو الکترونی توسط عدسی شیئی بر روی آینه میانی تصویربرداری می شود و سپس گام به گام از طریق آینه میانی و آینه برآمده بزرگ می شود و سپس بر روی صفحه فلورسنت یا صفحه فتوکوهرنت تصویربرداری می شود.
بزرگنمایی آینه میانی را می توان به طور مداوم از ده ها بار به صدها هزار بار تغییر داد، عمدتاً از طریق تنظیم جریان تحریک. با تغییر فاصله کانونی آینه میانی، می توان تصاویر میکروسکوپی الکترونی و تصاویر پراش الکترونی را بر روی قسمت های ریز همان نمونه به دست آورد. به منظور مطالعه نمونههای برش فلز ضخیمتر، آزمایشگاه اپتیک الکترون Dulos فرانسوی یک میکروسکوپ الکترونی با ولتاژ فوقالعاده با ولتاژ شتابدهنده 3500 کیلو ولت توسعه داد. نمودار شماتیک ساختار میکروسکوپ الکترونی روبشی
پرتو الکترونی میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه عبور نمی کند، بلکه فقط الکترون های ثانویه را روی سطح نمونه اسکن و تحریک می کند. کریستال سوسوزن قرار داده شده در کنار نمونه، این الکترونهای ثانویه را دریافت میکند، شدت پرتو الکترونی لوله تصویر را تقویت و تعدیل میکند و در نتیجه روشنایی صفحه نمایش لوله تصویر را تغییر میدهد. سیم پیچ انحراف لوله تصویر، اسکن همزمان با پرتو الکترونی روی سطح نمونه را حفظ می کند، به طوری که صفحه فلورسنت لوله تصویر، تصویر توپوگرافی سطح نمونه را نشان می دهد، که شبیه به اصل کار یک تلویزیون صنعتی است. .
وضوح یک میکروسکوپ الکترونی روبشی عمدتاً با قطر پرتو الکترونی روی سطح نمونه تعیین می شود. بزرگنمایی نسبت دامنه اسکن روی لوله تصویر به دامنه اسکن روی نمونه است که می تواند به طور مداوم از ده ها بار به صدها هزار بار تغییر کند. میکروسکوپ الکترونی روبشی به نمونه های بسیار نازک نیاز ندارد. تصویر دارای یک اثر سه بعدی قوی است. میتواند از اطلاعاتی مانند الکترونهای ثانویه، الکترونهای جذبشده و اشعه ایکس تولید شده از برهمکنش بین پرتوهای الکترونی و مواد برای تجزیه و تحلیل ترکیب مواد استفاده کند.
تفنگ الکترونی و عدسی کندانسور میکروسکوپ الکترونی روبشی تقریباً مشابه میکروسکوپ الکترونی عبوری است، اما برای نازکتر کردن پرتو الکترونی، یک عدسی شیئی و یک آستیگماتایزر زیر عدسی کندانسور اضافه میشود و دو مجموعه پرتوهای اسکن عمود بر متقابل در داخل عدسی شیئی نصب می شوند. سیم پیچ محفظه نمونه زیر عدسی شیئی مجهز به یک مرحله نمونه است که می تواند حرکت کند، بچرخد و کج شود.
