電子顯微鏡

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電子顯微鏡

簡稱電鏡,是使用電子來展示物件的內部或表面的顯微鏡

高速的電子的波長比可見光的波長短(波粒二象性),而顯微鏡的解析度受其使用的波長的限制,因此電子顯微鏡的解析度(約0.2奈米)遠高於光學顯微鏡的解析度(約200奈米)。  

目錄

組成

電子顯微鏡的主要組成部分是:

電子源是一個釋放自由電子的陰極,一個環狀的陽極加速電子。陰極和陽極之間的電壓差必須非常高,一般在數千伏到3百萬伏之間。

電子透鏡用來聚焦電子。一般使用的是磁透鏡,有時也有使用靜電透鏡的。電子透鏡的作用與光學顯微鏡中的光學透鏡的作用是一樣的。光學透鏡的焦點是固定的,而電子透鏡的焦點可以被調節,因此電子顯微鏡不象光學顯微鏡那樣有可以移動的透鏡系統。

真空裝置。真空裝置用以保障顯微鏡內的真空狀態,這樣電子在其路徑上不會被吸收或偏向。

樣品架。樣品可以穩定地放在樣本架上。此外往往還有可以用來改變樣品(如移動、轉動、加熱、降溫、拉長等)的裝置。

探測器,用來收集電子的信號或次級信號。  

種類

利用透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy TEM)可以直

電子顯微鏡觀測圖

接獲得一個樣本的投影。在這種顯微鏡中電子穿過樣本,因此樣本必須非常薄。組成樣本的原子的原子量、加速電子的電壓和所希望獲得的解析度決定樣本的厚度。樣本的厚度可以從數奈米到數微米不等。原子量越高、電壓越低,樣本就必須越薄。

通過改變物鏡的透鏡系統人們可以直接放大物鏡的焦點的像。由此人們可以獲得電子衍射像。使用這個像可以分析樣本的晶體結構。

能量過濾透過式電子顯微鏡(Energy Filtered Transmission Electron Microscopy,EFTEM)中人們測量電子通過樣本時的速度改變。由此可以推測出樣本的化學組成,比如化學元素在樣本內的分布。

掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)中的電子束盡量聚焦在樣本的一小塊地方,然後一行一行地掃描樣本。入射的電子導致樣本表面散發出電子,顯微鏡觀察的是這些每個點散射出來的電子。由於這樣的顯微鏡中電子不必透射樣本,因此其電子加速的電壓不必非常高。場發射掃描電子顯微鏡是一種比較簡單的電子顯微鏡,它觀察樣本上因強電場導致的場發射所散發出來的電子。

假如觀察的是透過樣本的掃描電子的話,那麼這種顯微鏡被稱為掃描透射電子顯微鏡(Scanning Transmission Electron Microscopy,STEM)。  

歷史

電子顯微鏡的分辨能力以它所能分辨的相鄰兩點的最小間距來表示。20世紀70年代,透射式電子顯微鏡的解析度約為0.3奈米(人眼的分辨本領約為0.1毫米)。現在電子顯微鏡最大放大倍率超過300萬倍,而光學顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍,所以通過電子顯微鏡就能直接觀察到某些重金屬的原子和晶體中排列整齊的原子點陣。

電子顯微鏡 觀察

1931年,德國的M.諾爾和E.魯斯卡,用冷陰極放電電子源和三個電子透鏡改裝了一台高壓示波器,並獲得了放大十幾倍的圖象,發明的是透射電鏡,證實了電子顯微鏡放大成像的可能性。1932年,經過魯斯卡的改進,電子顯微鏡的分辨能力達到了50奈米,約為當時光學顯微鏡分辨本領的十倍,突破了光學顯微鏡分辨極限,於是電子顯微鏡開始受到人們的重視。  

完善

到了二十世紀40年代,美國的希爾用消像散器補償電子透鏡的旋轉不對稱性,使電子顯微鏡的分辨本領有了新的突破,逐步達到了現代水平。在中國,1958年研製成功透射式電子顯微鏡,其分辨本領為3奈米,1979年又製成分辨本領為0.3奈米的大型電子顯微鏡。

電子顯微鏡的分辨本領雖已遠勝於光學顯微鏡,但電子顯微鏡因需在真空條件下工作,所以很難觀察活的生物,而且電子束的照射也會使生物樣品受到輻照損傷。其他的問題,如電子槍亮度和電子透鏡質量的提高等問題也有待繼續研究。  

重要指標

它與透過樣品的電子束入射錐角和波長有關。可見光的波長約為300~700奈米,而電子束的波長與加速電壓有關。當加速電壓為50~100千伏時,電子束波長約為0.0053~0.0037奈米。由於電子束的波長遠遠小於可見光的波長,所以即使電子束的錐角僅為光學顯微鏡的1%,電子顯微鏡的分辨本領仍遠遠優於光學顯微鏡。

電子顯微鏡由鏡筒、真空系統和電源櫃三部分組成。鏡筒主要有電子槍、電子透鏡、樣品架、熒光屏和照相機構等部件,這些部件通常是自上而下地裝配成一個柱體;真空系統由機械真空泵、擴散泵和真空閥門等構成,並通過抽氣管道與鏡筒相聯接;電源櫃由高壓發生器、勵磁電流穩流器和各種調節控制單元組成。

電子透鏡是電子顯微鏡鏡筒中最重要的部件,它用一個對稱於鏡筒軸線的空間電場或磁場使電子軌跡向軸線彎曲形成聚焦,其作用與玻璃凸透鏡使光束聚焦的作用相似,所以稱為電子透鏡。現代電子顯微鏡大多採用電磁透鏡,由很穩定的直流勵磁電流通過帶極靴的線圈產生的強磁場使電子聚焦。

電子槍是由鎢絲熱陰極、柵極和陰極構成的部件。它能發射並形成速度均勻的電子束,所以加速電壓的穩定度要求不低於萬分之一。  

用途

電子顯微鏡按結構和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、反射式電子顯微鏡和發射式電子顯微鏡等。透射式電子顯微鏡常用於觀察那些用普通顯微鏡所不能分辨的細微物質結構;掃描式電子顯微鏡主要用於觀察固體表面的形貌,也能與 X射線衍射儀或電子能譜儀相結合,構成電子微探針,用於物質成分分析;發射式電子顯微鏡用於自發無線電子表面的研究。

電子顯微鏡圖2

投射式電子顯微鏡因電子束穿透樣品後,再用電子透鏡成像放大而得名。它的光路與光學顯微鏡相仿。在這種電子顯微鏡中,圖像細節的對比度是由樣品的原子對電子束的散射形成的。樣品較薄或密度較低的部分,電子束散射較少,這樣就有較多的電子通過物鏡光欄,參與成像,在圖像中顯得較亮。反之,樣品中較厚或較密的部分,在圖像中則顯得較暗。如果樣品太厚或過密,則像的對比度就會惡化,甚至會因吸收電子束的能量而被損傷或破壞。  

種類

透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍,電子由鎢絲熱陰極發射出、通過第一,第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品後由物鏡成像於中間鏡上,再通過中間鏡和投影鏡逐級放大,成像於熒光屏或照相干版上。

中間鏡主要通過對勵磁電流的調節,放大倍數可從幾十倍連續地變化到幾十萬倍;改變中間鏡的焦距,即可在同一樣品的微小部位上得到電子顯微像和電子衍射圖像。為了能研究較厚的金屬切片樣品,法國杜洛斯電子光學實驗室研製出加速電壓為3500千伏的超高壓電子顯微鏡。

掃描式電子顯微鏡的電子束不穿過樣品,僅在樣品表面掃描激發出次級電子。放在樣品旁的閃爍晶體接收這些次級電子,通過放大後調製顯像管的電子束強度,從而改變顯像管熒光屏上的亮度。顯像管的偏轉線圈與樣品表面上的電子束保持同步掃描,這樣顯像管的熒光屏就顯示出樣品表面的形貌圖像,這與工業電視機的工作原理相類似。

電子顯微鏡圖3

掃描式電子顯微鏡的解析度主要決定於樣品表面上電子束的直徑。放大倍數是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比,可從幾十倍連續地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品;圖像有很強的立體感;能利用電子束與物質相互作用而產生的次級電子、吸收電子和 X射線等信息分析物質成分。

掃描式電子顯微鏡的電子槍和聚光鏡與透射式電子顯微鏡的大致相同,但是為了使電子束更細,在聚光鏡下又增加了物鏡和消像散器,在物鏡內部還裝有兩組互相垂直的掃描線圈。物鏡下面的樣品室內裝有可以移動、轉動和傾斜的樣品台。  

電子顯微鏡光學顯微鏡成像原理異同點

電子顯微鏡是根據電子光學原理,用電子束和電子透鏡代替光束和光學透鏡,使物質的細微結構在非常高的放大倍數下成像的儀器。

電子顯微鏡的分辨能力以它所能分辨的相鄰兩點的最小間距來表示。20世紀70年代,透射式電子顯微鏡的解析度約為0.3奈米(人眼的分辨本領約為0.1毫米)。現在電子顯微鏡最大放大倍率超過300萬倍,而光學顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍,所以通過電子顯微鏡就能直接觀察到某些重金屬的原子和晶體中排列整齊的原子點陣。

1931年,德國的克諾爾和魯斯卡,用冷陰極放電電子源和三個電子透鏡改裝了一台高壓示波器,並獲得了放大十幾倍的圖象,證實了電子顯微鏡放大成像的可能性。1932年,經過魯斯卡的改進,電子顯微鏡的分辨能力達到了50奈米,約為當時光學顯微鏡分辨本領的十倍,於是電子顯微鏡開始受到人們的重視。

到了二十世紀40年代,美國的希爾用消像散器補償電子透鏡的旋轉不對稱性,使電子顯微鏡的分辨本領有了新的突破,逐步達到了現代水平。在中國,1958年研製成功透射式電子顯微鏡,其分辨本領為3奈米,1979年又製成分辨本領為0.3奈米的大型電子顯微鏡。

電子顯微鏡的分辨本領雖已遠勝於光學顯微鏡,但電子顯微鏡因需在真空條件下工作,所以很難觀察活的生物,而且電子束的照射也會使生物樣品受到輻照損傷。其他的問題,如電子槍亮度和電子透鏡質量的提高等問題也有待繼續研究。

分辨能力是電子顯微鏡的重要指標,它與透過樣品的電子束入射錐角和波長有關。可見光的波長約為300~700奈米,而電子束的波長與加速電壓有關。當加速電壓為50~100千伏時,電子束波長約為0.0053~0.0037奈米。由於電子束的波長遠遠小於可見光的波長,所以即使電子束的錐角僅為光學顯微鏡的1%,電子顯微鏡的分辨本領仍遠遠優於光學顯微鏡。  

電子顯微鏡組成

電子顯微鏡由鏡筒、真空系統和電源櫃三部分組成。鏡筒主要有電子槍、電子透鏡、樣品架、熒光屏和照相機構等部件,這些部件通常是自上而下地裝配成一個柱體;真空系統由機械真空泵、擴散泵和真空閥門等構成,並通過抽氣管道與鏡筒相聯接;電源櫃由高壓發生器、勵磁電流穩流器和各種調節控制單元組成。

電子顯微鏡圖4

電子透鏡是電子顯微鏡鏡筒中最重要的部件,它用一個對稱於鏡筒軸線的空間電場或磁場使電子軌跡向軸線彎曲形成聚焦,其作用與玻璃凸透鏡使光束聚焦的作用相似,所以稱為電子透鏡。現代電子顯微鏡大多採用電磁透鏡,由很穩定的直流勵磁電流通過帶極靴的線圈產生的強磁場使電子聚焦。

電子槍是由鎢絲熱陰極、柵極和陰極構成的部件。它能發射並形成速度均勻的電子束,所以加速電壓的穩定度要求不低於萬分之一。

電子顯微鏡按結構和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、反射式電子顯微鏡和發射式電子顯微鏡等。透射式電子顯微鏡常用於觀察那些用普通顯微鏡所不能分辨的細微物質結構;掃描式電子顯微鏡主要用於觀察固體表面的形貌,也能與 X射線衍射儀或電子能譜儀相結合,構成電子微探針,用於物質成分分析;發射式電子顯微鏡用於自發無線電子表面的研究。  

投射式電子顯微鏡

投射式電子顯微鏡因電子束穿透樣品後,再用電子透鏡成像放大而得名。它的光路與光學顯微鏡相仿。在這種電子顯微鏡中,圖像細節的對比度是由樣品的原子對電子束的散射形成的。樣品較薄或密度較低的部分,電子束散射較少,這樣就有較多的電子通過物鏡光欄,參與成像,在圖像中顯得較亮。反之,樣品中較厚或較密的部分,在圖像中則顯得較暗。如果樣品太厚或過密,則像的對比度就會惡化,甚至會因吸收電子束的能量而被損傷或破壞。  

透射式電子顯微鏡

透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍,電子由鎢絲熱陰極發射出、通過第一,第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品後由物鏡成像於中間鏡上,再通過中間鏡和投影鏡逐級放大,成像於熒光屏或照相干版上。

中間鏡主要通過對勵磁電流的調節,放大倍數可從幾十倍連續地變化到幾十萬倍;改變中間鏡的焦距,即可在同一樣品的微小部位上得到電子顯微像和電子衍射圖像。為了能研究較厚的金屬切片樣品,法國杜洛斯電子光學實驗室研製出加速電壓為3500千伏的超高壓電子顯微鏡。掃描式電子顯微鏡結構示意圖  

掃描式電子顯微鏡

掃描式電子顯微鏡的電子束不穿過樣品,僅在樣品表面掃描激發出次級電子。放在樣品旁的閃爍晶體接收這些次級電子,通過放大後調製顯像管的電子束強度,從而改變顯像管熒光屏上的亮度。顯像管的偏轉線圈與樣品表面上的電子束保持同步掃描,這樣顯像管的熒光屏就顯示出樣品表面的形貌圖像,這與工業電視機的工作原理相類似。

掃描式電子顯微鏡的解析度主要決定於樣品表面上電子束的直徑。放大倍數是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比,可從幾十倍連續地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品;圖像有很強的立體感;能利用電子束與物質相互作用而產生的次級電子、吸收電子和 X射線等信息分析物質成分。

掃描式電子顯微鏡的電子槍和聚光鏡與透射式電子顯微鏡的大致相同,但是為了使電子束更細,在聚光鏡下又增加了物鏡和消像散器,在物鏡內部還裝有兩組互相垂直的掃描線圈。物鏡下面的樣品室內裝有可以移動、轉動和傾斜的樣品台。

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