电子显微镜的原理和应用
电子显微镜的原理和应用
电子显微镜是根据电子光学原理，利用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，从而可以在很高的放大倍数下对物质的精细结构进行成像的一种仪器。
电子显微镜的分辨能力用它所能分辨的两个相邻点之间的*小距离来表示。 1970年代，透射电子显微镜的分辨率约为0.3纳米（人眼的分辨率约为0.1毫米）。现在电子显微镜的*大放大倍数在300万倍以上，而光学显微镜的*大放大倍数在2000倍左右，所以可以直接观察到一些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子晶格。电子显微镜。
1931年，德国Knorr和Ruska用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改进了高压示波器，得到了十倍放大图像，证实了电子显微镜的放大倍率。可能性。 1932年，经过鲁斯卡的改进，电子显微镜的分辨率达到了50纳米，是当时光学显微镜分辨率的十倍左右，因此电子显微镜开始受到人们的重视。
1940年代，美国希尔用色散器补偿电子透镜的不对称性，使电子显微镜的分辨能力有了新的突破，逐渐达到现代水平。我国于1958年研制成功分辨率为3纳米的透射电子显微镜。 1979年制成分辨率为0.3纳米的大型电子显微镜。
虽然电子显微镜的分辨能力远好于光学显微镜，但电子显微镜需要在真空条件下工作，因此很难观察生物体，而且电子束的照射也会对生物样品造成损伤。其他问题，如电子枪亮度的提高、电子透镜的质量等，也有待进一步研究。
分辨力是电子显微镜的一个重要指标，它与穿过样品的电子束的入射锥角和波长有关。可见光的波长约为300～700纳米，电子束的波长与加速电压有关。当加速电压为50-100 kV时，电子束的波长约为0.0053-0.0037纳米。由于电子束的波长远小于可见光的波长，即使电子束的锥角只有光学显微镜的1%，但电子显微镜的分辨能力仍远优于光学显微镜。光学显微镜。
电子显微镜由管子、真空系统和电源柜由三部分组成。镜筒主要由电子枪、电子透镜、样品架、荧光屏和相机机构组成。这些部件通常从上到下组装成一个圆柱体；真空系统由机械真空泵、扩散泵、真空阀组成。气管与镜管连接；电源柜由高压发生器、励磁稳流器和各种调节控制单元组成。
电子透镜是电子显微镜镜筒中*重要的部分。它利用与桶轴对称的空间电场或磁场，使电子轨迹向轴弯曲，形成焦点。其功能类似于玻璃凸透镜使光束聚焦，故称为电子透镜。大多数现代电子显微镜都使用电磁透镜，电子被非常稳定的直流激励电流通过带极靴的线圈产生的强磁场聚焦。
电子枪是由钨丝热阴极、栅极和阴极组成的部件。它能以均匀的速度发射并形成电子束，因此加速电压的稳定性不低于万分之一。
电子显微镜按其结构和用途可分为透射电子显微镜、扫描电子显微镜、反射电子显微镜和发射电子显微镜。透射电子显微镜常用于观察普通显微镜无法分辨的精细材料结构；扫描电子显微镜主要用于观察固体表面形貌，也可与X射线衍射仪或电子能谱仪结合形成电子。微探针用于材料成分分析；发射电子显微镜用于研究自发射电子表面。
投影电子显微镜因电子束穿透样品，然后利用电子透镜成像放大而得名。它的光路类似于光学显微镜。在这种类型的电子显微镜中，图像细节的对比度是由样品原子对电子束的散射形成的。样品较薄或密度较低的部分电子束散射较少，使更多的电子通过物镜参与成像，在图像中显得更亮。相反，样本中较厚或较密的部分在图像中显得较暗。如果样品太厚或太密，图像的对比度就会变差，甚至会因为吸收电子束的能量而损坏或毁坏。
透射电子显微镜镜筒的顶部是电子枪。电子从钨热阴极发射并通过*。第 二个两个聚光透镜聚焦电子束。电子束穿过样品后，由物镜在中间镜上成像，然后通过中间镜和投影镜逐级放大，在荧光屏或光干燥板上成像.
中间镜主要调节励磁电流，放大倍数可以从几十倍到几十万倍连续变化；通过改变中间镜的焦距，可以得到同一样品微小部位的电子显微镜图像和电子衍射图像。
扫描电子显微镜的电子束不穿过样品，只扫描激发样品表面的二次电子。放置在样品旁边的闪烁晶体接收这些二次电子，放大后调制显像管电子束的强度，从而改变显像管荧光屏上的亮度。显像管的偏转线圈与样品表面的电子束同步扫描，使显像管的荧光屏显示样品表面的形貌图像，类似于工业电视的工作原理.
扫描电子显微镜的分辨率主要由样品表面电子束的直径决定。放大倍数是显像管上的扫描幅度与样品上的扫描幅度之比，可以从几十倍到几十万倍连续变化。扫描电子显微镜不需要薄样品；图像具有很强的立体感；它可以利用电子束与物质相互作用产生的二次电子、吸收电子和X射线等信息来分析物质的成分。
扫描电子显微镜的电子枪和聚光镜与透射电子显微镜的电子枪和聚光镜大致相同，但为了使电子束更细，在聚光镜下增加了物镜和像散，两套垂直于彼此安装在扫描线圈的物镜内。物镜下的样品室装有可移动、旋转和倾斜的样品台。