กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนขยายวัตถุได้อย่างไร

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนขยายวัตถุได้อย่างไร

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นเครื่องมือที่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนและเลนส์อิเล็กตรอนแทนลำแสงและเลนส์ออพติคอล เพื่อถ่ายภาพโครงสร้างที่ละเอียดของสสารด้วยกำลังขยายที่สูงมากตามหลักการของออปติกอิเล็กตรอน

กำลังแยกของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแสดงด้วยระยะห่างขั้นต่ำระหว่างจุดที่อยู่ติดกันสองจุดที่สามารถแยกได้ ในช่วงทศวรรษที่ 1970 กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านมีความละเอียดประมาณ 0.3 นาโนเมตร (กำลังแยกของสายตามนุษย์ประมาณ 0.1 มิลลิเมตร) ขณะนี้กำลังขยายสูงสุดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเกิน 3 ล้านเท่า ในขณะที่กำลังขยายสูงสุดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงอยู่ที่ประมาณ 2,000 เท่า ดังนั้นอะตอมของโลหะหนักบางชนิดและโครงสร้างอะตอมที่จัดเรียงอย่างประณีตในผลึกจึงสามารถสังเกตได้โดยตรงผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน .

ในปี พ.ศ. 2474 Knorr-Bremse และ Ruska จากเยอรมนีได้ติดตั้งออสซิลโลสโคปไฟฟ้าแรงสูงที่มีแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนแบบปล่อยประจุแคโทดเย็นและเลนส์อิเล็กตรอนสามตัว และได้รับภาพที่ขยายมากกว่าสิบเท่า ซึ่งยืนยันความเป็นไปได้ของการขยายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ในปีพ.ศ. 2475 หลังจากการปรับปรุงของรุสกา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีกำลังการแยกภาพสูงถึง 50 นาโนเมตร ซึ่งมากกว่ากำลังการแยกของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงประมาณสิบเท่าในขณะนั้น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงเริ่มได้รับความสนใจจากผู้คน

ในปี 1940 ฮิลล์ในสหรัฐอเมริกาใช้เครื่องมือวัดสายตาเพื่อชดเชยความไม่สมมาตรในการหมุนของเลนส์อิเล็กตรอน ซึ่งทำให้เกิดความก้าวหน้าครั้งใหม่ในด้านกำลังแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน และค่อยๆ มาถึงระดับที่ทันสมัย ในประเทศจีน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านได้รับการพัฒนาสำเร็จในปี 2501 ด้วยความละเอียด 3 นาโนเมตร และในปี 2522 ได้มีการผลิตกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนขนาดใหญ่ที่มีความละเอียด 0.3 นาโนเมตร

แม้ว่ากำลังการแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจะดีกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมาก แต่ก็ยากที่จะสังเกตเห็นสิ่งมีชีวิตเนื่องจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจำเป็นต้องทำงานภายใต้สภาวะสุญญากาศ และการฉายรังสีของลำแสงอิเล็กตรอนจะทำให้ตัวอย่างทางชีววิทยา ได้รับความเสียหายจากรังสี ประเด็นอื่นๆ เช่น การปรับปรุงความสว่างของปืนอิเล็กตรอนและคุณภาพของเลนส์อิเล็กตรอน ก็จำเป็นต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติมเช่นกัน

กำลังการแยกตัวเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งสัมพันธ์กับมุมกรวยตกกระทบและความยาวคลื่นของลำแสงอิเล็กตรอนที่ผ่านตัวอย่าง ความยาวคลื่นของแสงที่ตามองเห็นอยู่ที่ประมาณ {{0}} นาโนเมตร ในขณะที่ความยาวคลื่นของลำแสงอิเล็กตรอนจะสัมพันธ์กับแรงดันไฟฟ้าที่มีความเร่ง เมื่อแรงดันเร่งคือ 50-100 kV ความยาวคลื่นของลำอิเล็กตรอนจะอยู่ที่ประมาณ 0.0053-0.0037 นาโนเมตร เนื่องจากความยาวคลื่นของลำแสงอิเล็กตรอนนั้นเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ตามองเห็นมาก แม้ว่ามุมกรวยของลำแสงอิเล็กตรอนจะเป็นเพียง 1 เปอร์เซ็นต์ของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง อำนาจการแยกของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนก็ยังเหนือกว่านั้นมาก ของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ กระบอกเลนส์ ระบบสุญญากาศ และตู้จ่ายไฟ กระบอกเลนส์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยปืนอิเล็กตรอน เลนส์อิเล็กตรอน ที่จับตัวอย่าง หน้าจอเรืองแสง และกลไกของกล้อง ส่วนประกอบเหล่านี้มักจะประกอบเป็นคอลัมน์จากบนลงล่าง ระบบสุญญากาศประกอบด้วยปั๊มสุญญากาศเชิงกล ปั๊มแพร่ และวาล์วสุญญากาศ ท่อส่งก๊าซเชื่อมต่อกับกระบอกเลนส์ ตู้จ่ายไฟประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงสูง เครื่องควบคุมกระแสไฟกระตุ้น และชุดควบคุมการปรับแต่งต่างๆ

เลนส์อิเล็กตรอนเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดของกระบอกเลนส์ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน มันใช้สนามไฟฟ้าอวกาศหรือสนามแม่เหล็กที่สมมาตรกับแกนของกระบอกเลนส์เพื่อทำให้รางอิเล็กตรอนงอเข้ากับแกนเพื่อสร้างโฟกัส มีหน้าที่คล้ายกับเลนส์นูนแก้วเพื่อโฟกัสลำแสง จึงเรียกว่าอิเล็กตรอน เลนส์. กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้เลนส์แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งโฟกัสอิเล็กตรอนผ่านสนามแม่เหล็กแรงสูงที่เกิดจากกระแสกระตุ้น DC ที่เสถียรมากผ่านขดลวดที่มีขั้วรองเท้า

ปืนอิเล็กตรอนเป็นส่วนประกอบที่ประกอบด้วยไส้หลอดทังสเตนร้อน แคโทด กริด และแคโทด มันสามารถปล่อยและสร้างลำแสงอิเล็กตรอนด้วยความเร็วสม่ำเสมอ ดังนั้นความเสถียรของแรงดันเร่งจะต้องไม่น้อยกว่าหนึ่งในหมื่น

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถแบ่งออกเป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสะท้อน และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเปล่งแสงตามโครงสร้างและการใช้งาน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านมักใช้เพื่อสังเกตโครงสร้างวัสดุละเอียดที่ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ธรรมดา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดส่วนใหญ่จะใช้ในการสังเกตสัณฐานวิทยาของพื้นผิวของแข็ง และยังสามารถใช้ร่วมกับ X-ray diffractometers หรือเครื่องสเปกโตรมิเตอร์พลังงานอิเล็กตรอนเพื่อสร้างโพรบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการวิเคราะห์องค์ประกอบของวัสดุ กล้องจุลทรรศน์อิเล็คตรอนแบบเปล่งแสงเพื่อการศึกษาพื้นผิวอิเล็คตรอนที่เปล่งแสงได้เอง

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านได้รับการตั้งชื่อตามลำแสงอิเล็กตรอนที่เจาะเข้าไปในตัวอย่างแล้วขยายภาพด้วยเลนส์อิเล็กตรอน เส้นทางแสงคล้ายกับของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนประเภทนี้ ความคมชัดในรายละเอียดของภาพถูกสร้างขึ้นโดยการกระเจิงของลำแสงอิเล็กตรอนโดยอะตอมของตัวอย่าง ส่วนที่บางกว่าหรือมีความหนาแน่นต่ำกว่าของตัวอย่างมีการกระเจิงของลำแสงอิเล็กตรอนน้อยกว่า เพื่อให้มีอิเล็กตรอนจำนวนมากผ่านไดอะแฟรมวัตถุประสงค์และมีส่วนร่วมในการสร้างภาพ และปรากฏสว่างขึ้นในภาพ ในทางกลับกัน ส่วนที่หนาหรือหนาแน่นกว่าของตัวอย่างจะดูมืดกว่าในภาพ หากตัวอย่างมีความหนาหรือหนาแน่นเกินไป คอนทราสต์ของภาพจะลดลง หรือแม้กระทั่งเสียหายหรือถูกทำลายโดยการดูดซับพลังงานของลำแสงอิเล็กตรอน

ด้านบนของกระบอกเลนส์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านคือปืนอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาโดยแคโทดทังสเตนร้อน และลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกโฟกัสโดยคอนเดนเซอร์ตัวที่หนึ่งและตัวที่สอง หลังจากผ่านตัวอย่างแล้ว ลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายภาพบนกระจกเงาตรงกลางด้วยเลนส์ใกล้วัตถุ จากนั้นขยายทีละขั้นตอนผ่านกระจกเงากลางและกระจกฉาย จากนั้นจึงถ่ายภาพบนจอเรืองแสงหรือแผ่นโฟโตโคเฮเรนต์

กำลังขยายของกระจกระดับกลางสามารถเปลี่ยนได้อย่างต่อเนื่องจากหลายสิบเท่าเป็นหลายแสนเท่าโดยส่วนใหญ่ผ่านการปรับกระแสกระตุ้น โดยการเปลี่ยนทางยาวโฟกัสของกระจกเงาตรงกลาง จะสามารถรับภาพจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและภาพการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนได้ในส่วนเล็กๆ ของตัวอย่างเดียวกัน เพื่อศึกษาตัวอย่างชิ้นโลหะที่หนาขึ้น ห้องปฏิบัติการทัศนศาสตร์ Dulos Electron ของฝรั่งเศสได้พัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแรงดันสูงพิเศษที่มีแรงดันไฟฟ้าเร่ง 3500 kV แผนผังโครงสร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

ลำแสงอิเล็กตรอนของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดไม่ผ่านตัวอย่าง แต่จะสแกนและกระตุ้นอิเล็กตรอนทุติยภูมิบนพื้นผิวของตัวอย่างเท่านั้น คริสตัลเรืองแสงวาบที่วางอยู่ข้างตัวอย่างจะได้รับอิเล็กตรอนทุติยภูมิเหล่านี้ ขยายและมอดูเลตความเข้มลำแสงอิเล็กตรอนของหลอดภาพ ซึ่งจะเป็นการเปลี่ยนความสว่างบนหน้าจอของหลอดภาพ ขดลวดเบี่ยงเบนของหลอดภาพยังคงสแกนแบบซิงโครนัสกับลำแสงอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของตัวอย่าง เพื่อให้หน้าจอเรืองแสงของหลอดภาพแสดงภาพภูมิประเทศของพื้นผิวตัวอย่าง ซึ่งคล้ายกับหลักการทำงานของทีวีอุตสาหกรรม .

ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดส่วนใหญ่กำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงอิเล็กตรอนบนพื้นผิวตัวอย่าง กำลังขยายคืออัตราส่วนของแอมพลิจูดการสแกนบนหลอดภาพต่อแอมพลิจูดการสแกนบนตัวอย่าง ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่องตั้งแต่สิบเท่าไปจนถึงหลายแสนเท่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดไม่ต้องการตัวอย่างที่บางมาก ภาพมีเอฟเฟกต์สามมิติที่แข็งแกร่ง สามารถใช้ข้อมูล เช่น อิเล็กตรอนทุติยภูมิ อิเล็กตรอนที่ถูกดูดกลืน และรังสีเอกซ์ที่เกิดจากการทำงานร่วมกันระหว่างลำแสงอิเล็กตรอนกับสารเพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบของสาร

ปืนอิเล็กตรอนและเลนส์คอนเดนเซอร์ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดจะเหมือนกับของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน แต่เพื่อให้ลำแสงอิเล็กตรอนบางลง เลนส์ใกล้วัตถุและตัวปรับสายตาเอียงจะถูกเพิ่มเข้าไปใต้เลนส์คอนเดนเซอร์ และชุดเลนส์สองชุด มีการติดตั้งลำแสงสแกนที่ตั้งฉากกันภายในเลนส์ใกล้วัตถุ ม้วน. ห้องเก็บตัวอย่างด้านล่างเลนส์ใกล้วัตถุมีแท่นวางตัวอย่างที่สามารถเคลื่อนที่ หมุน และเอียงได้