電子顯微鏡的原理和應(yīng)用

        電子顯微鏡是根據(jù)電子光學(xué)原理，利用電子束和電子透鏡代替光束和光學(xué)透鏡，從而可以在很高的放大倍數(shù)下對(duì)物質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的一種儀器。
        電子顯微鏡的分辨能力用它所能分辨的兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的*小距離來(lái)表示。 1970年代，透射電子顯微鏡的分辨率約為0.3納米（人眼的分辨率約為0.1毫米）?，F(xiàn)在電子顯微鏡的*大放大倍數(shù)在300萬(wàn)倍以上，而光學(xué)顯微鏡的*大放大倍數(shù)在2000倍左右，所以可以直接觀察到一些重金屬的原子和晶體中排列整齊的原子晶格。電子顯微鏡。
         1931年，德國(guó)Knorr和Ruska用冷陰極放電電子源和三個(gè)電子透鏡改進(jìn)了高壓示波器，得到了十倍放大圖像，證實(shí)了電子顯微鏡的放大倍率?？赡苄?。 1932年，經(jīng)過(guò)魯斯卡的改進(jìn)，電子顯微鏡的分辨率達(dá)到了50納米，是當(dāng)時(shí)光學(xué)顯微鏡分辨率的十倍左右，因此電子顯微鏡開(kāi)始受到人們的重視。
         1940年代，美國(guó)希爾用色散器補(bǔ)償電子透鏡的不對(duì)稱(chēng)性，使電子顯微鏡的分辨能力有了新的突破，逐漸達(dá)到現(xiàn)代水平。我國(guó)于1958年研制成功分辨率為3納米的透射電子顯微鏡。 1979年制成分辨率為0.3納米的大型電子顯微鏡。
        雖然電子顯微鏡的分辨能力遠(yuǎn)好于光學(xué)顯微鏡，但電子顯微鏡需要在真空條件下工作，因此很難觀察生物體，而且電子束的照射也會(huì)對(duì)生物樣品造成損傷。其他問(wèn)題，如電子槍亮度的提高、電子透鏡的質(zhì)量等，也有待進(jìn)一步研究。
        分辨力是電子顯微鏡的一個(gè)重要指標(biāo)，它與穿過(guò)樣品的電子束的入射錐角和波長(zhǎng)有關(guān)。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)約為300～700納米，電子束的波長(zhǎng)與加速電壓有關(guān)。當(dāng)加速電壓為50-100 kV時(shí)，電子束的波長(zhǎng)約為0.0053-0.0037納米。由于電子束的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，即使電子束的錐角只有光學(xué)顯微鏡的1%，但電子顯微鏡的分辨能力仍遠(yuǎn)優(yōu)于光學(xué)顯微鏡。光學(xué)顯微鏡。
        電子顯微鏡由管子、真空系統(tǒng)和電源柜由三部分組成。鏡筒主要由電子槍、電子透鏡、樣品架、熒光屏和相機(jī)機(jī)構(gòu)組成。這些部件通常從上到下組裝成一個(gè)圓柱體；真空系統(tǒng)由機(jī)械真空泵、擴(kuò)散泵、真空閥組成。氣管與鏡管連接；電源柜由高壓發(fā)生器、勵(lì)磁穩(wěn)流器和各種調(diào)節(jié)控制單元組成。
        電子透鏡是電子顯微鏡鏡筒中*重要的部分。它利用與桶軸對(duì)稱(chēng)的空間電場(chǎng)或磁場(chǎng)，使電子軌跡向軸彎曲，形成焦點(diǎn)。其功能類(lèi)似于玻璃凸透鏡使光束聚焦，故稱(chēng)為電子透鏡。大多數(shù)現(xiàn)代電子顯微鏡都使用電磁透鏡，電子被非常穩(wěn)定的直流激勵(lì)電流通過(guò)帶極靴的線(xiàn)圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)聚焦。
        電子槍是由鎢絲熱陰極、柵極和陰極組成的部件。它能以均勻的速度發(fā)射并形成電子束，因此加速電壓的穩(wěn)定性不低于萬(wàn)分之一。
        電子顯微鏡按其結(jié)構(gòu)和用途可分為透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、反射電子顯微鏡和發(fā)射電子顯微鏡。透射電子顯微鏡常用于觀察普通顯微鏡無(wú)法分辨的精細(xì)材料結(jié)構(gòu)；掃描電子顯微鏡主要用于觀察固體表面形貌，也可與X射線(xiàn)衍射儀或電子能譜儀結(jié)合形成電子。微探針用于材料成分分析；發(fā)射電子顯微鏡用于研究自發(fā)射電子表面。
        投影電子顯微鏡因電子束穿透樣品，然后利用電子透鏡成像放大而得名。它的光路類(lèi)似于光學(xué)顯微鏡。在這種類(lèi)型的電子顯微鏡中，圖像細(xì)節(jié)的對(duì)比度是由樣品原子對(duì)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，使更多的電子通過(guò)物鏡參與成像，在圖像中顯得更亮。相反，樣本中較厚或較密的部分在圖像中顯得較暗。如果樣品太厚或太密，圖像的對(duì)比度就會(huì)變差，甚至?xí)驗(yàn)槲针娮邮哪芰慷鴵p壞或毀壞。
        透射電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍。電子從鎢熱陰極發(fā)射并通過(guò)*。第  二個(gè)兩個(gè)聚光透鏡聚焦電子束。電子束穿過(guò)樣品后，由物鏡在中間鏡上成像，然后通過(guò)中間鏡和投影鏡逐級(jí)放大，在熒光屏或光干燥板上成像.
        中間鏡主要調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，放大倍數(shù)可以從幾十倍到幾十萬(wàn)倍連續(xù)變化；通過(guò)改變中間鏡的焦距，可以得到同一樣品微小部位的電子顯微鏡圖像和電子衍射圖像。
        掃描電子顯微鏡的電子束不穿過(guò)樣品，只掃描激發(fā)樣品表面的二次電子。放置在樣品旁邊的閃爍晶體接收這些二次電子，放大后調(diào)制顯像管電子束的強(qiáng)度，從而改變顯像管熒光屏上的亮度。顯像管的偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈與樣品表面的電子束同步掃描，使顯像管的熒光屏顯示樣品表面的形貌圖像，類(lèi)似于工業(yè)電視的工作原理.
        掃描電子顯微鏡的分辨率主要由樣品表面電子束的直徑?jīng)Q定。放大倍數(shù)是顯像管上的掃描幅度與樣品上的掃描幅度之比，可以從幾十倍到幾十萬(wàn)倍連續(xù)變化。掃描電子顯微鏡不需要薄樣品；圖像具有很強(qiáng)的立體感；它可以利用電子束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的二次電子、吸收電子和X射線(xiàn)等信息來(lái)分析物質(zhì)的成分。
        掃描電子顯微鏡的電子槍和聚光鏡與透射電子顯微鏡的電子槍和聚光鏡大致相同，但為了使電子束更細(xì)，在聚光鏡下增加了物鏡和像散，兩套垂直于彼此安裝在掃描線(xiàn)圈的物鏡內(nèi)。物鏡下的樣品室裝有可移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和傾斜的樣品臺(tái)。