So sánh lợi ích của kính hiển vi điện tử và ánh sáng
Khả năng phân giải của kính hiển vi điện tử được thể hiện bằng khoảng cách nhỏ giữa hai điểm liền kề mà nó có thể phân giải. Vào những năm 1970, kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải khoảng 0.3 nanomet (khả năng phân giải của mắt người là khoảng 0,1 milimét). Hiện nay độ phóng đại tối đa của kính hiển vi điện tử vượt quá 3 triệu lần, trong khi độ phóng đại tối đa của kính hiển vi quang học là khoảng 2000 lần, do đó có thể quan sát trực tiếp các nguyên tử của một số kim loại nặng và mạng nguyên tử sắp xếp gọn gàng trong tinh thể qua kính hiển vi điện tử .
Năm 1931, Knorr-Bremse và Ruska của Đức đã trang bị lại máy hiện sóng điện áp cao với nguồn điện tử phóng điện catốt lạnh và ba thấu kính điện tử, và thu được hình ảnh phóng đại hơn mười lần, xác nhận khả năng chụp ảnh phóng đại của kính hiển vi điện tử. Năm 1932, sau cải tiến của Ruska, độ phân giải của kính hiển vi điện tử đạt 50 nanomet, gấp khoảng mười lần độ phân giải của kính hiển vi quang học lúc bấy giờ, vì vậy kính hiển vi điện tử bắt đầu nhận được sự chú ý của mọi người.
Vào những năm 1940, Hill ở Hoa Kỳ đã sử dụng kính hiển vi điện tử để bù lại sự bất đối xứng quay của thấu kính điện tử, điều này đã tạo ra một bước đột phá mới về khả năng phân giải của kính hiển vi điện tử và dần dần đạt đến trình độ hiện đại. Ở Trung Quốc, kính hiển vi điện tử truyền qua đã được phát triển thành công vào năm 1958 với độ phân giải 3 nanomet và vào năm 1979, kính hiển vi điện tử lớn với độ phân giải 0,3 nanomet đã được sản xuất.
Mặc dù khả năng phân giải của kính hiển vi điện tử tốt hơn nhiều so với kính hiển vi quang học, nhưng rất khó quan sát các sinh vật sống vì kính hiển vi điện tử cần hoạt động trong điều kiện chân không và sự chiếu xạ của chùm tia điện tử cũng sẽ khiến các mẫu sinh vật bị bị tổn thương do phóng xạ. Các vấn đề khác, chẳng hạn như cải thiện độ sáng của súng điện tử và chất lượng của thấu kính điện tử, cũng cần được nghiên cứu thêm.
Độ phân giải là một chỉ số quan trọng của kính hiển vi điện tử, nó liên quan đến góc hình nón tới và bước sóng của chùm tia điện tử đi qua mẫu. Bước sóng của ánh sáng khả kiến là khoảng {{0}} nanomet, trong khi bước sóng của chùm tia điện tử có liên quan đến hiệu điện thế gia tốc. Khi điện áp gia tốc là 50-100 kV thì bước sóng của chùm tia điện tử vào khoảng 0.0053-0.0037 nanomet. Do bước sóng của chùm tia điện tử nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng khả kiến, ngay cả khi góc nón của chùm tia điện tử chỉ bằng 1% so với góc của kính hiển vi quang học, khả năng phân giải của kính hiển vi điện tử vẫn vượt trội hơn nhiều so với bước sóng đó. của kính hiển vi quang học.
Kính hiển vi điện tử bao gồm ba phần: thùng thấu kính, hệ thống chân không và tủ cung cấp năng lượng. Nòng ống kính chủ yếu bao gồm súng điện tử, thấu kính điện tử, giá đỡ mẫu, màn hình huỳnh quang và cơ chế máy ảnh. Các cấu kiện này thường được ghép thành một cột từ trên xuống dưới; hệ thống chân không bao gồm máy bơm chân không cơ học, máy bơm khuếch tán và van chân không. Đường ống dẫn khí được nối với ống kính; tủ nguồn bao gồm một máy phát điện áp cao, bộ ổn định dòng kích thích và các bộ điều khiển điều chỉnh khác nhau.
Thấu kính điện tử là một bộ phận quan trọng của nòng kính hiển vi điện tử. Nó sử dụng một điện trường không gian hoặc từ trường đối xứng với trục của vành thấu kính để bẻ cong vệt điện tử theo trục để tạo thành tiêu điểm. Chức năng của nó tương tự như chức năng của thấu kính lồi thủy tinh để hội tụ chùm tia, vì vậy nó được gọi là thấu kính điện tử. . Hầu hết các kính hiển vi điện tử hiện đại đều sử dụng thấu kính điện từ, tập trung các electron thông qua một từ trường mạnh được tạo ra bởi dòng kích thích một chiều rất ổn định đi qua một cuộn dây có đế giày.
Súng điện tử là một thành phần bao gồm cực âm nóng bằng dây tóc vonfram, lưới và cực âm. Nó có thể phát ra và tạo thành chùm tia điện tử với tốc độ đồng đều, do đó độ ổn định của điện áp gia tốc được yêu cầu không nhỏ hơn một phần mười.
Kính hiển vi điện tử có thể được chia thành kính hiển vi điện tử truyền qua, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi điện tử phản xạ và kính hiển vi điện tử phát xạ theo cấu trúc và công dụng của chúng. Kính hiển vi điện tử truyền qua thường được sử dụng để quan sát các cấu trúc vật chất mịn mà kính hiển vi thông thường không thể phân giải được; kính hiển vi điện tử quét chủ yếu được sử dụng để quan sát hình thái của bề mặt rắn, và cũng có thể được kết hợp với máy đo nhiễu xạ tia X hoặc máy quang phổ năng lượng điện tử để tạo thành Microprobe điện tử để phân tích thành phần vật liệu; kính hiển vi điện tử phát xạ để nghiên cứu các bề mặt điện tử tự phát xạ.
Kính hiển vi điện tử truyền qua được đặt tên sau khi chùm điện tử xuyên qua mẫu và sau đó phóng to hình ảnh bằng thấu kính điện tử. Đường quang học của nó tương tự như đường đi của kính hiển vi quang học. Trong loại kính hiển vi điện tử này, độ tương phản trong chi tiết hình ảnh được tạo ra do sự tán xạ của chùm tia điện tử bởi các nguyên tử của mẫu. Phần mỏng hơn hoặc có mật độ thấp hơn của mẫu có ít tia điện tử tán xạ hơn, do đó, nhiều điện tử đi qua màng chắn vật kính và tham gia vào quá trình tạo ảnh, đồng thời xuất hiện sáng hơn trong ảnh. Ngược lại, các phần dày hơn hoặc đặc hơn của mẫu sẽ xuất hiện tối hơn trong ảnh. Nếu mẫu quá dày hoặc quá đậm đặc, độ tương phản của hình ảnh sẽ kém đi, thậm chí bị hư hỏng hoặc bị phá hủy do hấp thụ năng lượng của chùm tia điện tử.
các
Đỉnh của cột kính hiển vi điện tử truyền qua là súng điện tử, các electron được phát ra từ cực âm nóng vonfram, đi qua gương thứ nhất và hai gương ngưng tụ thứ hai tập trung chùm tia điện tử. Sau khi đi qua mẫu, chùm tia điện tử được vật kính chụp trên gương trung gian, sau đó được phóng to từng bước qua gương trung gian và gương chiếu, sau đó được chụp trên màn huỳnh quang hoặc tấm quang hợp.
Độ phóng đại của gương trung gian có thể thay đổi liên tục từ hàng chục lần đến hàng trăm nghìn lần chủ yếu thông qua việc điều chỉnh dòng kích thích; bằng cách thay đổi tiêu cự của gương trung gian, có thể thu được ảnh hiển vi điện tử và ảnh nhiễu xạ điện tử trên các phần cực nhỏ của cùng một mẫu. Để nghiên cứu các mẫu lát kim loại dày hơn, Phòng thí nghiệm Quang học Điện tử Dulos của Pháp đã phát triển một kính hiển vi điện tử điện áp cực cao với điện áp gia tốc 3500 kV. Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử quét
Chùm điện tử của kính hiển vi điện tử quét không đi qua mẫu mà chỉ quét và kích thích các điện tử thứ cấp trên bề mặt mẫu. Tinh thể nhấp nháy đặt bên cạnh mẫu sẽ nhận các electron thứ cấp này, khuếch đại và điều chỉnh cường độ chùm tia điện tử của ống hình ảnh, do đó làm thay đổi độ sáng trên màn hình của ống hình ảnh. Cuộn dây lệch của ống hình ảnh tiếp tục quét đồng bộ với chùm tia điện tử trên bề mặt mẫu, do đó màn hình huỳnh quang của ống hình ảnh hiển thị hình ảnh địa hình của bề mặt mẫu, tương tự như nguyên lý hoạt động của TV công nghiệp .
Độ phân giải của kính hiển vi điện tử quét chủ yếu được xác định bởi đường kính của chùm tia điện tử trên bề mặt mẫu. Độ phóng đại là tỷ lệ giữa biên độ quét trên ống hình ảnh với biên độ quét trên mẫu, có thể thay đổi liên tục từ hàng chục lần đến hàng trăm nghìn lần. Kính hiển vi điện tử quét không yêu cầu mẫu quá mỏng; hình ảnh có hiệu ứng ba chiều mạnh mẽ; nó có thể sử dụng thông tin như điện tử thứ cấp, điện tử bị hấp thụ và tia X được tạo ra bởi sự tương tác giữa các chùm điện tử và các chất để phân tích thành phần của các chất.
Súng điện tử và thấu kính ngưng tụ của kính hiển vi điện tử quét gần giống với kính hiển vi điện tử truyền qua, nhưng để làm cho chùm tia điện tử mỏng hơn, một thấu kính vật kính và bộ loạn thị được thêm vào dưới thấu kính tụ và hai bộ các chùm tia quét vuông góc lẫn nhau được lắp đặt bên trong vật kính. xôn xao. Buồng mẫu bên dưới vật kính được trang bị một bệ mẫu có thể di chuyển, xoay và nghiêng.
