Elektron mikroskobunun optik prensibi ve uygulama kapsamı
Elektron mikroskobu, elektron optiği ilkesine dayanan, maddelerin ince yapılarını çok yüksek büyütme oranlarında görüntülemek için ışık ışınları ve optik mercekler yerine elektron ışınları ve elektron mercekleri kullanan bir alettir.
Bir elektron mikroskobunun çözme gücü, çözebileceği iki bitişik nokta arasındaki minimum mesafe ile temsil edilir. 1970lerde, transmisyon elektron mikroskobunun çözünürlüğü yaklaşık 0,3 nanometre idi (insan gözünün çözünürlüğü yaklaşık 0,1 mm'dir). Şimdi elektron mikroskobunun maksimum büyütmesi 3 milyon katı aşıyor ve optik mikroskobun maksimum büyütmesi yaklaşık 2000 kat, bu nedenle bazı ağır metallerin atomları ve kristaldeki düzgün bir şekilde düzenlenmiş atomik kafesler doğrudan elektron mikroskobu aracılığıyla gözlemlenebilir. .
1931'de Almanya'dan Knorr-Bremse ve Ruska, yüksek voltajlı bir osiloskopu soğuk katot deşarjlı bir elektron kaynağı ve üç elektron merceği ile yeniden donattılar ve on kattan fazla büyütülmüş bir görüntü elde ettiler, bu da elektron mikroskobu ile büyütülmüş görüntüleme olasılığını doğruladı. 1932'de Ruska'nın geliştirmesinden sonra elektron mikroskobunun çözünürlüğü 50 nanometreye ulaştı ki bu o zamanki optik mikroskobun çözünürlüğünün yaklaşık on katıydı ve böylece elektron mikroskobu insanların ilgisini çekmeye başladı.
1940lerde Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Hill, elektron merceğinin dönme asimetrisini telafi etmek için bir astigmatizör kullandı, bu da elektron mikroskobunun çözme gücünde yeni bir atılım yaptı ve yavaş yavaş modern düzeye ulaştı. Çin'de 1958'de 3 nanometre çözünürlüğe sahip bir transmisyon elektron mikroskobu başarıyla geliştirildi ve 1979'da 0.3 nanometre çözünürlüğe sahip büyük bir elektron mikroskobu üretildi. optik mikroskoptan çok daha iyi, canlı organizmaları gözlemlemek zordur çünkü elektron mikroskobunun vakum koşulları altında çalışması gerekir ve elektron ışınının ışınlanması da biyolojik numunelerin radyasyondan zarar görmesine neden olur. Elektron tabancasının parlaklığının iyileştirilmesi ve elektron merceğinin kalitesi gibi diğer konular hala incelenmeyi bekliyor. Çözme gücü, gelen koni açısı ve numuneden geçen elektron demetinin dalga boyu ile ilgili olan elektron mikroskobunun önemli bir indeksidir. Görünür ışığın dalga boyu yaklaşık 300-700 nanometredir, elektron ışınının dalga boyu ise hızlanan voltajla ilişkilidir. Hızlanma voltajı 50-100 kV olduğunda, elektron ışınının dalga boyu yaklaşık 0.0053-0.0037 nanometredir. Elektron ışınının dalga boyu, görünür ışığın dalga boyundan çok daha küçük olduğu için, elektron ışınının koni açısı optik mikroskobun sadece yüzde 1'i kadar olsa bile, elektron mikroskobunun çözme gücü yine de bundan çok daha üstündür. optik mikroskoptan. Elektron mikroskobu üç bölümden oluşur: mercek çerçevesi, vakum sistemi ve güç kabini. Mercek namlusu esas olarak elektron tabancalarını, elektron merceklerini, numune tutucuları, flüoresan ekranları ve kamera mekanizmalarını içerir. Bu bileşenler genellikle yukarıdan aşağıya bir sütun halinde birleştirilir; vakum sistemi mekanik vakum pompaları, difüzyon pompaları ve vakum valflerinden oluşur. Gaz boru hattı mercek çerçevesine bağlıdır; güç kabini, bir yüksek voltaj jeneratörü, bir uyarma akımı dengeleyici ve çeşitli ayar kontrol ünitelerinden oluşur.
Elektron merceği, elektron mikroskobu haznesindeki en önemli bileşendir. Bir odak oluşturmak için elektron yörüngesini eksene bükmek için lens namlusunun eksenine simetrik bir uzay elektrik alanı veya manyetik alan kullanır ve işlevi, ışını odaklamak için bir cam dışbükey merceğin işlevine benzer. elektronik mercek denir. Modern elektron mikroskoplarının çoğu, elektronları kutup parçaları olan bir bobinden geçen çok kararlı bir DC uyarma akımı tarafından üretilen güçlü bir manyetik alan aracılığıyla odaklayan elektromanyetik lensler kullanır.
Elektron tabancası tungsten sıcak katot, ızgara ve katottan oluşur.
parçalar. Tekdüze hızda elektron ışınları yayabilir ve oluşturabilir, bu nedenle hızlanan voltajın kararlılığının on binde birden az olmaması gerekir.
Elektron mikroskopları yapılarına ve kullanımlarına göre transmisyon elektron mikroskoplarına ayrılabilir.
Mikroskoplar, Taramalı Elektron Mikroskopları ve Emisyon Elektron Mikroskopları vb. Transmisyon elektron mikroskopları, genellikle sıradan mikroskoplarla çözülemeyen ince malzeme yapılarını gözlemlemek için kullanılır; taramalı elektron mikroskopları esas olarak katı yüzeylerin morfolojisini gözlemlemek için kullanılır ve ayrıca malzeme bileşimi analizi için elektronik Mikroproblar oluşturmak üzere X-ışını difraktometreleri veya elektron enerji spektrometreleri ile birleştirilebilir; kendinden yayılan elektron yüzeylerinin incelenmesi için emisyon elektron mikroskobu.
Transmisyon elektron mikroskobu adını, elektron demetinin numuneye nüfuz etmesinden ve ardından görüntüyü bir elektron merceği ile büyütmesinden almıştır. Optik yolu, optik mikroskobunkine benzer. Bu tür elektron mikroskobunda, görüntü detayındaki kontrast, numunenin atomları tarafından elektron demetinin saçılmasıyla oluşturulur. Numunenin daha ince veya daha az yoğun olan kısımları elektron ışını tarafından daha az saçılır, böylece görüntülemeye katılmak ve görüntüde daha parlak görünmek için objektif diyaframdan daha fazla elektron geçer. Tersine, numunenin daha kalın veya daha yoğun kısımları görüntüde daha koyu görünür. Numune çok kalın veya çok yoğunsa, elektron ışınının enerjisini emerek görüntünün kontrastı bozulacak, hatta zarar görecek veya yok olacaktır.
Transmisyon elektron mikroskobu lens namlusunun üst kısmı elektron tabancasıdır ve elektronlar tungsten sıcak katot tarafından yayılır ve elektron ışını birinci ve ikinci yoğunlaştırıcı lensler tarafından odaklanır. Numuneden geçtikten sonra, elektron ışını objektif lens tarafından ara aynada görüntülenir ve ardından ara ayna ve projeksiyon aynası tarafından adım adım büyütülür ve ardından flüoresan ekranda veya fotokoherent plakada görüntülenir.
Ara aynanın büyütmesi, esas olarak uyarma akımının ayarlanması yoluyla sürekli olarak on kereden yüz binlerce defaya kadar değiştirilebilir; ara aynanın odak uzunluğunu değiştirmek, aynı numunenin küçük bir parçası üzerinde elektron mikroskobik bir görüntü elde edebilir.
ve elektron kırınım görüntüleri. Daha kalın metal dilim örneklerini inceleyebilmek için, Fransa, Dulos'taki Elektron Optik Laboratuvarı, 3500 kV hızlandırma voltajına sahip ultra yüksek voltajlı bir elektron mikroskobu geliştirdi.
Taramalı elektron mikroskobunun elektron ışını numunenin içinden geçmez, sadece numunenin yüzeyindeki ikincil elektronları tarar ve uyarır. Numunenin yanına yerleştirilen sintilasyon kristali bu ikincil elektronları alır, resim tüpünün elektron ışını yoğunluğunu yükseltir ve modüle eder, böylece resim tüpü flüoresan ekranının parlaklığını değiştirir. Kineskopun saptırma bobini, numunenin yüzeyindeki elektron ışını ile eşzamanlı olarak taramaya devam eder, böylece kineskopun floresan ekranı, endüstriyel bir televizyonun çalışma prensibine benzer şekilde, numune yüzeyinin topografik görüntüsünü gösterir.
Bir taramalı elektron mikroskobunun çözünürlüğü öncelikle numune yüzeyindeki elektron demetinin çapı ile belirlenir. Büyütme, resim tüpündeki tarama genliğinin numunedeki tarama genliğine oranıdır ve sürekli olarak on kereden yüz binlerce kereye kadar değiştirilebilir. Taramalı elektron mikroskobu çok ince numuneler gerektirmez; görüntünün güçlü bir üç boyutlu etkisi vardır; maddelerin bileşimini analiz etmek için ikincil elektronlar, soğurulan elektronlar ve elektron ışınları ile maddeler arasındaki etkileşim tarafından üretilen x-ışınları gibi bilgileri kullanabilir.
Bir taramalı elektron mikroskobunun elektron tabancası ve yoğunlaştırıcı merceği kabaca bir transmisyon elektron mikroskobununkilerle aynıdır, ancak elektron demetini daha ince yapmak için yoğunlaştırıcı merceğin altına bir objektif mercek ve bir astigmatizör eklenir ve iki set objektif merceğin içine karşılıklı olarak dikey tarama ışınları yerleştirilmiştir. bobin. Objektif merceğin altındaki numune odası, hareket ettirilebilen, döndürülebilen ve eğilebilen bir numune tablası ile donatılmıştır.
