ข้อดีของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเทียบกับกล้องจุลทรรศน์แสง
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน หลักการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ความเหมือนและความแตกต่าง
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นเครื่องมือที่แทนที่ลำแสงและเลนส์ออพติคอลด้วยลำแสงอิเล็กตรอนและเลนส์อิเล็กตรอนตามหลักการของเลนส์อิเล็กตรอน เพื่อให้สามารถถ่ายภาพโครงสร้างที่ละเอียดของสสารภายใต้กำลังขยายที่สูงมาก
กำลังแยกของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแสดงด้วยระยะห่างเล็กน้อยระหว่างจุดที่อยู่ติดกันสองจุดที่สามารถแยกได้ ในช่วงทศวรรษที่ 1970 กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านมีความละเอียดประมาณ 0.3 นาโนเมตร (สายตามนุษย์มีกำลังแยกภาพประมาณ 0.1 มิลลิเมตร) ขณะนี้กำลังขยายสูงสุดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีมากกว่า 3 ล้านเท่า และกำลังขยายสูงสุดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงอยู่ที่ประมาณ 2,000 เท่า ดังนั้นอะตอมของโลหะหนักบางชนิดและตาข่ายอะตอมที่จัดเรียงอย่างประณีตในผลึกจึงสามารถสังเกตได้โดยตรงผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
ในปี พ.ศ. 2474 Knorr-Bremse และ Ruska ในเยอรมนีได้ดัดแปลงออสซิลโลสโคปไฟฟ้าแรงสูงที่มีแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนแบบปล่อยประจุแคโทดเย็นและเลนส์อิเล็กตรอนสามตัว และได้รับภาพขยายมากกว่าสิบเท่า ซึ่งยืนยันความเป็นไปได้ในการขยายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน . . ในปีพ.ศ. 2475 หลังจากการปรับปรุงของ Ruska กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีกำลังการแยกสูงถึง 50 นาโนเมตร ซึ่งมากกว่ากำลังการแยกของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงประมาณสิบเท่าในขณะนั้น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงเริ่มดึงดูดความสนใจของผู้คน
ในปี 1940 ฮิลล์ในสหรัฐอเมริกาได้ทำการชดเชยความไม่สมมาตรในการหมุนของเลนส์อิเล็กตรอนด้วยเครื่องมือวัดสายตาเอียง ซึ่งทำให้เกิดความก้าวหน้าครั้งใหม่ในด้านกำลังการแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน และค่อยๆ ไปถึงระดับที่ทันสมัย ในประเทศจีน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านที่มีความละเอียด 3 นาโนเมตรได้รับการพัฒนาสำเร็จในปี 2501 และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านขนาดใหญ่ที่มีความละเอียด 0.3 นาโนเมตรถูกสร้างขึ้นในปี 2522
แม้ว่ากำลังการแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจะดีกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมาก แต่ก็ยากที่จะสังเกตเห็นสิ่งมีชีวิตเนื่องจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจำเป็นต้องทำงานภายใต้สภาวะสุญญากาศ และการฉายรังสีของลำแสงอิเล็กตรอนจะทำให้ตัวอย่างทางชีววิทยาเสียหายจากรังสี ประเด็นอื่นๆ เช่น การปรับปรุงความสว่างของปืนอิเล็กตรอนและคุณภาพของเลนส์อิเล็กตรอน ก็จำเป็นต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติมเช่นกัน
กำลังการแยกตัวเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งสัมพันธ์กับมุมกรวยตกกระทบและความยาวคลื่นของลำแสงอิเล็กตรอนที่ผ่านตัวอย่าง ความยาวคลื่นของแสงที่ตามองเห็นอยู่ที่ประมาณ 300 ถึง 700 นาโนเมตร ในขณะที่ความยาวคลื่นของลำแสงอิเล็กตรอนจะสัมพันธ์กับแรงดันไฟฟ้าที่เร่งขึ้น เมื่อแรงดันเร่งคือ 50-100 kV ความยาวคลื่นของลำอิเล็กตรอนจะอยู่ที่ประมาณ 0.0053-0.0037 nm เนื่องจากความยาวคลื่นของลำแสงอิเล็กตรอนนั้นเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ตามองเห็นมาก แม้ว่ามุมกรวยของลำแสงอิเล็กตรอนจะเป็นเพียง 1 เปอร์เซ็นต์ของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง อำนาจการแยกของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนก็ยังเหนือกว่านั้นมาก ของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ ท่อเลนส์ ระบบสุญญากาศ และตู้จ่ายไฟ กระบอกเลนส์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยปืนอิเล็กตรอน เลนส์อิเล็กตรอน ตัวยึดตัวอย่าง หน้าจอเรืองแสง และกลไกกล้อง ซึ่งมักจะประกอบกันเป็นทรงกระบอกจากบนลงล่าง ระบบสุญญากาศประกอบด้วยปั๊มสุญญากาศเชิงกล ปั๊มกระจาย และวาล์วสุญญากาศ ฯลฯ ท่อส่งก๊าซเชื่อมต่อกับกระบอกเลนส์ ตู้จ่ายไฟประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงสูง ตัวปรับเสถียรภาพกระแสกระตุ้น และชุดปรับและควบคุมต่างๆ
เลนส์อิเล็กตรอนเป็นส่วนสำคัญของกระบอกกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน มันใช้สนามไฟฟ้าเชิงพื้นที่หรือสนามแม่เหล็กที่สมมาตรกับแกนของลำกล้องเพื่อโค้งวิถีโคจรของอิเล็กตรอนไปที่แกนเพื่อสร้างโฟกัส มีหน้าที่คล้ายกับเลนส์นูนแก้วเพื่อโฟกัสลำแสง จึงเรียกว่าเลนส์อิเล็กตรอน . กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้เลนส์แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งโฟกัสอิเล็กตรอนด้วยสนามแม่เหล็กแรงสูงที่เกิดจากกระแสกระตุ้น DC ที่เสถียรมากผ่านขดลวดที่มีขั้วเสียบ
ปืนอิเล็กตรอนเป็นส่วนประกอบที่ประกอบด้วยไส้หลอดทังสเตนร้อน แคโทด กริด และแคโทด สามารถปล่อยและสร้างลำแสงอิเล็กตรอนด้วยความเร็วสม่ำเสมอ ดังนั้นความเสถียรของแรงดันเร่งจึงไม่ต่ำกว่า 1/10000
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถแบ่งออกเป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสะท้อน และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเปล่งแสงตามโครงสร้างและการใช้งาน กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบส่องผ่านมักใช้เพื่อสังเกตโครงสร้างวัสดุละเอียดที่ไม่สามารถจำแนกได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ธรรมดา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดส่วนใหญ่ใช้เพื่อสังเกตสัณฐานวิทยาของพื้นผิวของแข็ง และยังสามารถใช้ร่วมกับ X-ray diffractometers หรือเครื่องสเปกโตรมิเตอร์พลังงานอิเล็กตรอนเพื่อสร้างอิเล็กตรอน ไมโครโพรบสำหรับวิเคราะห์องค์ประกอบของวัสดุ กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบเปล่งแสงสำหรับศึกษาพื้นผิวอิเลคตรอนที่เปล่งแสงได้เอง
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบฉายได้รับการตั้งชื่อตามลำแสงอิเล็กตรอนที่เจาะเข้าไปในตัวอย่าง จากนั้นใช้เลนส์อิเล็กตรอนในการถ่ายภาพและขยาย เส้นทางแสงคล้ายกับของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนนี้ ความคมชัดของรายละเอียดของภาพถูกสร้างขึ้นโดยการกระเจิงของลำแสงอิเล็กตรอนโดยอะตอมของตัวอย่าง ส่วนที่บางลงหรือหนาแน่นน้อยกว่าของตัวอย่าง ลำแสงอิเล็กตรอนจะกระเจิงน้อยลง อิเล็กตรอนจึงผ่านรูรับแสงวัตถุได้มากขึ้น มีส่วนร่วมในการถ่ายภาพ และปรากฏสว่างขึ้นในภาพ ในทางกลับกัน ส่วนที่หนาหรือหนาแน่นกว่าของตัวอย่างจะดูมืดกว่าในภาพ หากตัวอย่างหนาหรือหนาแน่นเกินไป คอนทราสต์ของภาพจะลดลงหรืออาจเสียหายหรือถูกทำลายโดยการดูดซับพลังงานของลำแสงอิเล็กตรอน
ด้านบนของหลอดกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านคือปืนอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาจากแคโทดร้อนของไส้หลอดทังสเตน ผ่านเลเซอร์ และเลนส์คอนเดนเซอร์สองตัวที่สองโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอน หลังจากผ่านตัวอย่างแล้ว ลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายภาพบนกระจกเงาตรงกลางด้วยเลนส์ใกล้วัตถุ จากนั้นขยายทีละขั้นตอนผ่านกระจกเงากลางและกระจกฉายภาพ จากนั้นจึงถ่ายภาพบนจอเรืองแสงหรือแผ่นแห้งสำหรับถ่ายภาพ
กระจกระดับกลางส่วนใหญ่ปรับกระแสกระตุ้น และการขยายสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่องจากนับสิบเท่าเป็นแสนเท่า โดยการเปลี่ยนทางยาวโฟกัสของกระจกเงาตรงกลาง ภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและภาพการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนสามารถหาได้จากชิ้นส่วนเล็กๆ ของตัวอย่างเดียวกัน . เพื่อศึกษาตัวอย่างชิ้นโลหะที่หนาขึ้น ห้องปฏิบัติการทัศนศาสตร์ Dulos Electron ของฝรั่งเศสได้พัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแรงดันสูงพิเศษที่มีแรงดันไฟฟ้าเร่ง 3500 kV แผนผังโครงสร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด
ลำแสงอิเล็กตรอนของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดไม่ผ่านตัวอย่าง แต่จะสแกนพื้นผิวของตัวอย่างเพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนทุติยภูมิเท่านั้น คริสตัลเรืองแสงวาบที่วางอยู่ข้างตัวอย่างจะรับอิเล็กตรอนทุติยภูมิเหล่านี้และปรับความเข้มของลำแสงอิเล็กตรอนของหลอดภาพหลังจากการขยาย ซึ่งจะเป็นการเปลี่ยนความสว่างบนหน้าจอของหลอดภาพ แอกโก่งของหลอดภาพจะสแกนพร้อมกันกับลำแสงอิเล็กตรอนบนพื้นผิวตัวอย่าง เพื่อให้หน้าจอเรืองแสงของหลอดภาพแสดงภาพภูมิประเทศของพื้นผิวตัวอย่าง ซึ่งคล้ายกับหลักการทำงานของโทรทัศน์อุตสาหกรรม
ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดส่วนใหญ่กำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของตัวอย่าง กำลังขยายคืออัตราส่วนของแอมพลิจูดการสแกนบนหลอดภาพต่อแอมพลิจูดการสแกนบนตัวอย่าง ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่องตั้งแต่หลายสิบเท่าไปจนถึงหลายแสนเท่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดไม่ต้องการตัวอย่างที่บางมาก ภาพมีเอฟเฟกต์สามมิติที่แข็งแกร่ง มันสามารถวิเคราะห์องค์ประกอบของสสารโดยใช้ข้อมูล เช่น อิเล็กตรอนทุติยภูมิ อิเล็กตรอนที่ถูกดูดกลืน และรังสีเอกซ์ที่เกิดจากการทำงานร่วมกันของลำแสงอิเล็กตรอนกับสสาร
ปืนอิเล็กตรอนและคอนเดนเซอร์ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดนั้นเกือบจะเหมือนกับของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน แต่เพื่อให้ลำแสงอิเล็กตรอนบางลง เลนส์ใกล้วัตถุและเครื่องมือวัดสายตาเอียงจะถูกเพิ่มเข้าไปใต้คอนเดนเซอร์ และอิเล็กตรอนแบบส่องกราดสองชุด ซึ่งตั้งฉากกันอยู่ภายในเลนส์ใกล้วัตถุ ม้วน. ห้องเก็บตัวอย่างใต้เลนส์ใกล้วัตถุมีแท่นวางตัวอย่างซึ่งสามารถเคลื่อนย้าย หมุน และเอียงได้
