Ventajas de la microscopía electrónica frente a la microscopía óptica
Similitudes y diferencias del principio de imagen del microscopio óptico del microscopio electrónico.
El microscopio electrónico es un instrumento que reemplaza el haz de luz y la lente óptica con un haz de electrones y una lente de electrones de acuerdo con el principio de la óptica electrónica, de modo que la estructura fina de la materia se puede visualizar con un aumento muy alto.
El poder de resolución de un microscopio electrónico se expresa por la pequeña distancia entre dos puntos adyacentes que puede resolver. En la década de 1970, los microscopios electrónicos de transmisión tenían una resolución de aproximadamente 0,3 nanómetros (el ojo humano tiene un poder de resolución de aproximadamente 0,1 milímetros). Ahora, el aumento máximo del microscopio electrónico es de más de 3 millones de veces, y el aumento máximo del microscopio óptico es de unas 2000 veces, por lo que los átomos de ciertos metales pesados y la red atómica ordenada en los cristales se pueden observar directamente a través del microscopio electrónico.
En 1931, Knorr-Bremse y Ruska en Alemania modificaron 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 ampliar la imagen mediante un microscopio electrónico. . . En 1932, después de la mejora de Ruska, el poder de resolución del microscopio electrónico alcanzó los 50 nanómetros, que era aproximadamente diez veces el poder de resolución del microscopio óptico en ese momento, por lo que el microscopio electrónico comenzó a atraer la atención de la gente.
En la década de 1940, Hill en los Estados Unidos compensó la asimetría rotacional de la lente electrónica con un astigmatismo, 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 a gran escala con una resolución de 0,3 nanómetros.
Aunque el poder de resolución de los microscopios electrónicos es mucho mejor que el de los microscopios ópticos, es difícil observar organismos vivos porque los microscopios electrónicos necesitan trabajar en condiciones de vacío, y la irradiación de haces de electrones también causará daño por radiación a las muestras biológicas. Otros temas, como la mejora del brillo del cañón de electrones y la calidad de la lente de electrones, también deben estudiarse más a fondo.
El poder de resolución es un indicador importante del microscopio electrónico, que está relacionado con el ángulo del cono incidente y la longitud de onda del haz de electrones que atraviesa la muestra. La longitud de onda de la luz visible es de aproximadamente 300 a 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 nm. 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 de un microscopio óptico, el poder de resolución de un microscopio electrónico sigue siendo muy superior al de un microscopio óptico. de un microscopio óptico.
El microscopio electrónico consta de tres partes: el tubo de la lente, el sistema de vacío y el gabinete de suministro de energía. El cilindro de la lente incluye principalmente el cañón de electrones, la lente de electrones, el portamuestras, la pantalla fluorescente y el mecanismo de la cámara, que generalmente se ensamblan en un cilindro de arriba a abajo; el sistema de vacío está compuesto por una bomba de vacío mecánica, una bomba de difusión y una válvula de vacío, etc. La tubería de gas está conectada con el cilindro de la lente; el armario de alimentación está compuesto por un generador de alta tensión, un estabilizador de corriente de excitación y varias unidades de regulación y control.
La lente electrónica es una parte importante del cilindro del microscopio electrónico. Utiliza un campo eléctrico espacial o un campo magnético simétrico al eje del barril para desviar la trayectoria del electrón hacia el eje para formar el foco. Su función es similar a la de una lente convexa de vidrio para enfocar el haz, por lo que se denomina lente electrónica. . La mayoría de los microscopios electrónicos modernos utilizan lentes electromagnéticos, que enfocan los electrones mediante un fuerte campo magnético generado por una corriente de excitación de CC muy estable a través de una bobina con una zapata polar.
El cañón de electrones es un componente compuesto por un cátodo caliente de filamento de tungsteno, una rejilla y un cátodo. Puede emitir y formar un haz de electrones con velocidad uniforme, por lo que la estabilidad del voltaje de aceleración no es inferior a 1/10,000.
Los microscopios electrónicos se pueden dividir en microscopios electrónicos de transmisión, microscopios electrónicos de barrido, microscopios electrónicos de reflexión y microscopios electrónicos de emisión según su estructura y uso. Los microscopios electrónicos de transmisión se utilizan a menudo para observar aquellas estructuras de materiales finos que no se pueden distinguir con 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 electrónica para formar electrones. Microsondas para el análisis de la composición de materiales; Microscopía electrónica de emisión para el estudio de superficies de electrones autoemisores.
El microscopio electrónico de proyección lleva el nombre del haz de electrones que penetra en la muestra y luego usa la lente de electrones para obtener imágenes y ampliar. Su trayectoria óptica es similar a la de un microscopio óptico. En este microscopio electrónico, el contraste de los detalles de la imagen se crea mediante la dispersión del haz de electrones por parte de los átomos de la muestra. En partes más delgadas o menos densas de la muestra, el haz de electrones se dispersa menos, por lo que pasan más electrones a través de la apertura del objetivo, participan 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 tubo del microscopio electrónico de transmisión es el cañón de electrones, los electrones son emitidos por el cátodo caliente del filamento de tungsteno, pasan a través del láser y las dos segundas lentes del condensador enfocan el haz de electrones. Después de pasar a través de la muestra, la lente del objetivo refleja el haz de electrones en el espejo intermedio, y luego lo amplía paso a paso a través del espejo intermedio y el espejo de proyección, y luego refleja la imagen en la pantalla fluorescente o placa seca fotográfica.
El espejo intermedio ajusta principalmente la corriente de excitación y la ampliación se puede cambiar continuamente de decenas a cientos de miles de veces; al cambiar la distancia focal del espejo intermedio, se pueden obtener imágenes de microscopio electrónico e imágenes de difracción de electrones en partes diminutas de la misma muestra. . Para estudiar muestras de cortes metálicos más gruesos, el laboratorio francés de óptica electrónica Dulos ha desarrollado un microscopio electrónico de voltaje ultraalto con un voltaje de aceleración de 3500 kV. Esquema de la estructura del microscopio electrónico de barrido
El haz de electrones de un microscopio electrónico de barrido no atraviesa la muestra, sino que solo escanea la superficie de la muestra para excitar los electrones secundarios. Un cristal de centelleo colocado junto a la muestra recibe estos electrones secundarios y modula la intensidad del haz de electrones del tubo de imagen después de la amplificación, cambiando así el brillo en la pantalla del tubo de imagen. El yugo de desviación del tubo de imagen sigue escaneando sincrónicamente con el haz de electrones en la superficie de la muestra, de modo que la pantalla fluorescente del tubo de imagen muestra la imagen topográfica de la superficie de la muestra, que es similar al principio de funcionamiento de la televisión 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. El microscopio electrónico de barrido no requiere muestras muy finas; la imagen tiene un fuerte efecto tridimensional; puede analizar la composición de la materia utilizando información como electrones secundarios, electrones absorbidos y rayos X generados por la interacción de haces de electrones con la materia.
El cañón de electrones y el condensador del microscopio electrónico de barrido son aproximadamente los mismos que los del microscopio electrónico de transmisión, pero para que el haz de electrones sea más delgado, se agregan una lente objetivo y un astigmatista debajo del condensador, y dos juegos de electrones de barrido. que son perpendiculares entre sí se instalan dentro de la lente del objetivo. bobina. La cámara de muestra debajo de la lente del objetivo alberga la plataforma de muestra que se puede mover, girar e inclinar.
