Principio óptico y ámbito de aplicación del microscopio electrónico.
Un microscopio electrónico es un instrumento que utiliza haces de electrones y lentes de electrones en lugar de haces de luz y lentes ópticos para obtener imágenes de las estructuras finas de las sustancias a muy grandes aumentos según el principio de la óptica electrónica.
El poder de resolución de un microscopio electrónico está representado por la distancia mínima entre dos puntos adyacentes que puede resolver. En la década de 1970, la resolución del microscopio electrónico de transmisión era de aproximadamente 0,3 nanómetros (la resolución del ojo humano es de aproximadamente 0,1 mm). Ahora, el aumento máximo del microscopio electrónico supera los 3 millones de veces, y el aumento máximo del microscopio óptico es de aproximadamente 2000 veces, por lo que los átomos de algunos metales pesados y las redes atómicas ordenadas en el cristal se pueden observar directamente a través del microscopio electrónico. .
En 1931, Knorr-Bremse y Ruska de Alemania reacondicionaron un osciloscopio de alto voltaje con una fuente de electrones de descarga de cátodo frío y tres lentes de electrones, y obtuvieron una imagen ampliada más de diez veces, lo que confirmó la posibilidad de imágenes ampliadas con microscopio electrónico. En 1932, después de la mejora de Ruska, la resolución del microscopio electrónico alcanzó los 50 nanómetros, que era aproximadamente diez veces la resolución del microscopio óptico en ese momento, por lo que el microscopio electrónico comenzó a llamar la atención de la gente.
En la década de 1940, Hill en los Estados Unidos usó un astigmatizador para compensar la asimetría rotacional de la lente electrónica, lo que supuso un nuevo avance en el poder de resolución del microscopio electrónico y gradualmente alcanzó el nivel moderno. En China, en 1958 se desarrolló con éxito un microscopio electrónico de transmisión con una resolución de 3 nanómetros, y en 1979 se fabricó un microscopio electrónico grande con una resolución de 0,3 nanómetros. Aunque el poder de resolución del microscopio electrónico es mucho mejor que el del microscopio óptico, es difícil observar organismos vivos porque el microscopio electrónico necesita trabajar en condiciones de vacío, y la irradiación del haz de electrones también hará que las muestras biológicas se dañen por la radiación. Quedan por estudiar otras cuestiones, como la mejora del brillo del cañón de electrones y la calidad de la lente de electrones. El poder de resolución es un índice importante del microscopio electrónico, que está relacionado con el ángulo del cono incidente y la longitud de onda del haz de electrones que pasa a través de la muestra. La longitud de onda de la luz visible es de aproximadamente 300-700 nanómetros, mientras que la longitud de onda del haz de electrones está relacionada con el voltaje de aceleración. Cuando el voltaje de aceleración es de 50-100 kV, la longitud de onda del haz de electrones es de aproximadamente 0,0053-0,0037 nanómetros. Dado que la longitud de onda del haz de electrones es mucho más pequeña que la longitud de onda de la luz visible, incluso si el ángulo del cono del haz de electrones es solo el 1 por ciento del del microscopio óptico, el poder de resolución del microscopio electrónico sigue siendo muy superior al del microscopio óptico. del microscopio óptico. El microscopio electrónico consta de tres partes: cilindro de lente, sistema de vacío y gabinete de potencia. El cilindro de la lente incluye principalmente cañones de electrones, lentes de electrones, portamuestras, pantallas fluorescentes y mecanismos de cámara. Estos componentes generalmente se ensamblan en una columna de arriba a abajo; el sistema de vacío está compuesto por bombas de vacío mecánicas, bombas de difusión y válvulas de vacío. El gasoducto está conectado con el cilindro de la lente; el armario de potencia está compuesto por un generador de alta tensión, un estabilizador de corriente de excitación y varias unidades de control de ajuste.
La lente electrónica es el componente más importante en el cilindro del microscopio electrónico. Utiliza un campo eléctrico espacial o un campo magnético simétrico al eje del cilindro de la lente para doblar la trayectoria del electrón hacia el eje para formar un foco, y su función es similar a la de una lente convexa de vidrio para enfocar el haz, por lo que es llamada lente electrónica. La mayoría de los microscopios electrónicos modernos utilizan lentes electromagnéticos, que enfocan los electrones a través de un fuerte campo magnético generado por una corriente de excitación de CC muy estable que pasa a través de una bobina con piezas polares.
El cañón de electrones se compone de cátodo caliente de tungsteno, rejilla y cátodo.
piezas. Puede emitir y formar haces de electrones con velocidad uniforme, por lo que se requiere que la estabilidad del voltaje de aceleración no sea inferior a una diezmilésima.
Los microscopios electrónicos se pueden dividir en microscopios electrónicos de transmisión según sus estructuras y usos.
Microscopios, microscopios electrónicos de barrido y microscopios electrónicos de emisión, etc. Los microscopios electrónicos de transmisión se utilizan a menudo para observar las estructuras de materiales finos que no pueden ser resueltas por los microscopios ordinarios; Los microscopios electrónicos de barrido se utilizan principalmente para observar la morfología de superficies sólidas y también se pueden combinar con difractómetros de rayos X o espectrómetros de energía de electrones para formar microsondas electrónicas para el análisis de composición de materiales; Microscopía electrónica de emisión para el estudio de superficies de electrones autoemisores.
El microscopio electrónico de transmisión se llama así porque el haz de electrones penetra en la muestra y luego aumenta la imagen con una lente de electrones. Su trayectoria óptica es similar a la de un microscopio óptico. En este tipo de microscopio electrónico, el contraste en el detalle de la imagen es creado por la dispersión del haz de electrones por los átomos de la muestra. Las partes de la muestra que son más delgadas o menos densas se dispersan menos por el haz de electrones, por lo que pasan más electrones a través del diafragma del objetivo para participar en la formación de imágenes y aparecen más brillantes en la imagen. Por el contrario, las partes más gruesas o más densas de la muestra aparecen más oscuras en la imagen. Si la muestra es demasiado gruesa o demasiado densa, el contraste de la imagen se deteriorará, o incluso se dañará o destruirá al absorber la energía del haz de electrones.
La parte superior del cilindro de la lente del microscopio electrónico de transmisión es el cañón de electrones, y los electrones son emitidos por el cátodo caliente de tungsteno, y el haz de electrones es enfocado por las lentes del condensador primero y segundo. Después de pasar a través de la muestra, el haz de electrones se refleja en el espejo intermedio por la lente del objetivo, y luego se amplía paso a paso por el espejo intermedio y el espejo de proyección, y luego se refleja en la pantalla fluorescente o la placa fotocoherente.
El aumento del espejo intermedio se puede cambiar continuamente desde decenas de veces hasta cientos de miles de veces, principalmente mediante el ajuste de la corriente de excitación; cambiando la distancia focal del espejo intermedio se puede obtener una imagen de microscopía electrónica en una pequeña parte de la misma muestra
e imágenes de difracción de electrones. Para poder estudiar muestras de cortes metálicos más gruesos, el Laboratorio de Óptica Electrónica de Dulos, Francia, ha desarrollado un microscopio electrónico de voltaje ultraalto con un voltaje de aceleración de 3500 kV.
El haz de electrones del microscopio electrónico de barrido no atraviesa la muestra, sino que solo escanea y excita los electrones secundarios en la superficie de la muestra. El cristal de centelleo colocado junto a la muestra recibe estos electrones secundarios, amplifica y modula la intensidad del haz de electrones del tubo de imagen, cambiando así el brillo en la pantalla fluorescente del tubo de imagen. La bobina de deflexión del cinescopio sigue escaneando sincrónicamente con el haz de electrones en la superficie de la muestra, de modo que la pantalla fluorescente del cinescopio muestra la imagen topográfica de la superficie de la muestra, que es similar al principio de funcionamiento de un televisor industrial.
La resolución de un microscopio electrónico de barrido está determinada principalmente por el diámetro del haz de electrones en la superficie de la muestra. El aumento es la relación entre la amplitud de exploración en el tubo de imagen y la amplitud de exploración en la muestra, que se puede cambiar continuamente desde decenas de veces hasta cientos de miles de veces. La microscopía electrónica de barrido no requiere muestras muy delgadas; la imagen tiene un fuerte efecto tridimensional; puede usar información como electrones secundarios, electrones absorbidos y rayos X generados por la interacción entre haces de electrones y sustancias para analizar la composición de las sustancias.
El cañón de electrones y la lente condensadora de un microscopio electrónico de barrido son aproximadamente los mismos que los de un microscopio electrónico de transmisión, pero para hacer que el haz de electrones sea más delgado, se agregan una lente objetivo y un astigmatizador debajo de la lente condensadora, y dos juegos de los haces de exploración perpendiculares entre sí están instalados dentro de la lente del objetivo. bobina. La cámara de muestra debajo de la lente del objetivo está equipada con una plataforma de muestra que se puede mover, girar e inclinar.
