المبدأ البصري ونطاق تطبيق المجهر الإلكتروني
المجهر الإلكتروني هو أداة تستخدم الحزم الإلكترونية وعدسات الإلكترون بدلاً من أشعة الضوء والعدسات البصرية لتصوير الهياكل الدقيقة للمواد بتكبيرات عالية جدًا بناءً على مبدأ بصريات الإلكترون.
يتم تمثيل قوة حل المجهر الإلكتروني عن طريق الحد الأدنى للمسافة بين نقطتين متجاورتين يمكنه حلها. في 197 0 ، كانت دقة المجهر الإلكتروني النافذ حوالي 0. 3 نانومتر (دقة العين البشرية حوالي 0.1 مم). الآن يتجاوز الحد الأقصى لتكبير المجهر الإلكتروني 3 ملايين مرة ، ويبلغ أقصى تكبير للميكروسكوب البصري حوالي 2000 مرة ، لذلك يمكن ملاحظة ذرات بعض المعادن الثقيلة والشبكات الذرية المرتبة بدقة في البلورة مباشرة من خلال المجهر الإلكتروني .
في عام 1931 ، قام Knorr-Bremse و Ruska من ألمانيا بإعادة تجهيز راسم الذبذبات عالي الجهد بمصدر إلكترون لتفريغ الكاثود البارد وثلاث عدسات إلكترونية ، وحصلا على صورة مكبرة أكثر من عشر مرات ، مما أكد إمكانية التصوير المكبر بالمجهر الإلكتروني. في عام 1932 ، بعد تحسين روسكا ، وصل دقة المجهر الإلكتروني إلى 50 نانومترًا ، أي حوالي عشرة أضعاف دقة المجهر الضوئي في ذلك الوقت ، لذلك بدأ المجهر الإلكتروني في جذب انتباه الناس.
في 194 0 ، استخدم هيل في الولايات المتحدة اللابؤرة لتعويض عدم تناسق الدوران لعدسة الإلكترون ، مما أدى إلى اختراق جديد في القدرة التحليلية للميكروسكوب الإلكتروني ووصل تدريجيًا إلى المستوى الحديث. في الصين ، تم تطوير مجهر إلكتروني للإرسال بدقة 3 نانومتر بنجاح في عام 1958 ، وتم تصنيع مجهر إلكتروني كبير بدقة 0. تم تصنيع 3 نانومتر في عام 1979. على الرغم من أن قوة التحليل للميكروسكوب الإلكتروني هي أفضل بكثير من المجهر الضوئي ، من الصعب مراقبة الكائنات الحية لأن المجهر الإلكتروني يحتاج إلى العمل في ظل ظروف الفراغ ، كما أن تشعيع الحزمة الإلكترونية سيؤدي أيضًا إلى إتلاف العينات البيولوجية بواسطة الإشعاع. لا تزال هناك قضايا أخرى ، مثل تحسين سطوع مسدس الإلكترون وجودة عدسة الإلكترون ، قيد الدراسة. قوة الحل هي مؤشر مهم للميكروسكوب الإلكتروني ، والذي يرتبط بزاوية مخروط الحادث وطول موجة شعاع الإلكترون الذي يمر عبر العينة. يبلغ الطول الموجي للضوء المرئي حوالي 300-700 نانومتر ، بينما الطول الموجي لحزمة الإلكترون مرتبط بجهد التسارع. عندما يكون الجهد المتسارع 50-100 كيلو فولت ، يكون الطول الموجي لحزمة الإلكترون حوالي 0. 0053-0 0037 نانومتر. نظرًا لأن الطول الموجي لشعاع الإلكترون أصغر بكثير من الطول الموجي للضوء المرئي ، حتى لو كانت زاوية مخروط شعاع الإلكترون 1 في المائة فقط من تلك الخاصة بالمجهر الضوئي ، فإن قوة حل المجهر الإلكتروني لا تزال أعلى بكثير من ذلك من المجهر الضوئي. يتكون المجهر الإلكتروني من ثلاثة أجزاء: برميل العدسة ، ونظام الفراغ ، وخزانة الطاقة. يشتمل برميل العدسة بشكل أساسي على مسدسات إلكترونية وعدسات إلكترونية وحاملات عينات وشاشات فلورية وآليات الكاميرا. عادة ما يتم تجميع هذه المكونات في عمود من الأعلى إلى الأسفل ؛ يتكون نظام الفراغ من مضخات تفريغ ميكانيكية ومضخات نشر وصمامات تفريغ. يتم توصيل خط أنابيب الغاز ببرميل العدسة ؛ تتكون خزانة الطاقة من مولد عالي الجهد ومثبت تيار الإثارة ووحدات تحكم ضبط متنوعة.
تعد عدسة الإلكترون أهم مكون في أسطوانة المجهر الإلكتروني. يستخدم مجالًا كهربائيًا فضائيًا أو مجالًا مغناطيسيًا متماثلًا مع محور أسطوانة العدسة لثني مسار الإلكترون إلى المحور لتشكيل التركيز ، وتكون وظيفته مماثلة لوظيفة عدسة زجاجية محدبة لتركيز الحزمة ، لذلك فهي تسمى العدسة الإلكترونية. تستخدم معظم المجاهر الإلكترونية الحديثة العدسات الكهرومغناطيسية ، والتي تركز الإلكترونات من خلال مجال مغناطيسي قوي يولده تيار إثارة ثابت للغاية يمر عبر ملف بقطع قطب.
يتكون مسدس الإلكترون من كاثود التنغستن الساخن والشبكة والكاثود.
قِطَع. يمكن أن تنبعث وتشكل حزم إلكترونية بسرعة موحدة ، لذلك يجب ألا يقل ثبات الجهد المتسارع عن واحد على عشرة آلاف.
يمكن تقسيم المجاهر الإلكترونية إلى المجاهر الإلكترونية الناقلة حسب هياكلها واستخداماتها.
المجاهر ، المجاهر الإلكترونية الماسحة ، المجاهر الإلكترونية للانبعاثات ، إلخ. غالبًا ما تستخدم المجاهر الإلكترونية الناقلة لمراقبة الهياكل المادية الدقيقة التي لا يمكن حلها بواسطة المجاهر العادية ؛ تُستخدم مجاهر المسح الإلكتروني بشكل أساسي لمراقبة شكل الأسطح الصلبة ، ويمكن أيضًا دمجها مع مقاييس حيود الأشعة السينية أو مطياف طاقة الإلكترون لتشكيل ميكروبولوجيا إلكترونية لتحليل تكوين المواد ؛ المجهر الإلكتروني المنبعث لدراسة أسطح الإلكترون ذاتية الانبعاث.
تم تسمية المجهر الإلكتروني النافذ على اسم شعاع الإلكترون الذي يخترق العينة ثم يكبر الصورة بعدسة إلكترونية. يشبه مساره البصري مسار المجهر الضوئي. في هذا النوع من المجهر الإلكتروني ، يتم إنشاء التباين في تفاصيل الصورة عن طريق تشتت شعاع الإلكترون بواسطة ذرات العينة. أجزاء العينة الأقل كثافة أو الأقل كثافة تكون أقل تشتتًا بواسطة حزمة الإلكترون ، بحيث تمر المزيد من الإلكترونات عبر الحجاب الحاجز الموضوعي للمشاركة في التصوير وتظهر أكثر إشراقًا في الصورة. على العكس من ذلك ، تظهر الأجزاء السميكة أو الأكثر كثافة من العينة أغمق في الصورة. إذا كانت العينة سميكة جدًا أو كثيفة جدًا ، فسوف يتدهور تباين الصورة ، أو حتى يتلف أو يتلف عن طريق امتصاص طاقة شعاع الإلكترون.
الجزء العلوي من برميل عدسة المجهر الإلكتروني للإرسال هو مسدس الإلكترون ، وتنبعث الإلكترونات من كاثود التنغستن الساخن ، ويتم تركيز شعاع الإلكترون بواسطة العدسات المكثفة الأولى والثانية. بعد المرور عبر العينة ، يتم تصوير شعاع الإلكترون على المرآة الوسيطة بواسطة العدسة الموضوعية ، ثم يتم تكبيره خطوة بخطوة بواسطة المرآة الوسيطة ومرآة الإسقاط ، ثم يتم تصويره على شاشة الفلورسنت أو اللوحة الضوئية.
يمكن تغيير تكبير المرآة الوسيطة باستمرار من عشرات المرات إلى مئات الآلاف من المرات بشكل أساسي من خلال تعديل تيار الإثارة ؛ يمكن أن يؤدي تغيير الطول البؤري للمرآة الوسيطة إلى الحصول على صورة مجهرية إلكترونية على جزء صغير من نفس العينة
وصور حيود الإلكترون. من أجل التمكن من دراسة عينات الشرائح المعدنية السميكة ، طور مختبر البصريات الإلكترونية في دولوس بفرنسا مجهرًا إلكترونيًا عالي الجهد بجهد تسارع يبلغ 3500 كيلو فولت.
لا يمر شعاع الإلكترون الخاص بالمجهر الإلكتروني الماسح عبر العينة ، ولكنه يمسح ويثير الإلكترونات الثانوية فقط على سطح العينة. تستقبل بلورة التلألؤ الموضوعة بجوار العينة هذه الإلكترونات الثانوية ، وتضخم وتعديل شدة شعاع الإلكترون لأنبوب الصورة ، وبالتالي تغير السطوع على شاشة الفلورسنت لأنبوب الصورة. يحافظ ملف الانحراف الخاص بمنظار الحركة على المسح بشكل متزامن مع شعاع الإلكترون على سطح العينة ، بحيث تعرض شاشة الفلورسنت الخاصة بالمنظار الصورة الطبوغرافية لسطح العينة ، والتي تشبه مبدأ العمل في التلفزيون الصناعي.
يتم تحديد دقة المجهر الإلكتروني الماسح بشكل أساسي من خلال قطر شعاع الإلكترون على سطح العينة. التكبير هو نسبة سعة المسح على أنبوب الصورة إلى سعة المسح على العينة ، والتي يمكن تغييرها باستمرار من عشرات المرات إلى مئات الآلاف من المرات. لا يتطلب المسح المجهري الإلكتروني عينات رفيعة جدًا ؛ الصورة لها تأثير قوي ثلاثي الأبعاد ؛ يمكنه استخدام معلومات مثل الإلكترونات الثانوية والإلكترونات الممتصة والأشعة السينية الناتجة عن التفاعل بين حزم الإلكترون والمواد لتحليل تركيبة المواد.
إن مسدس الإلكترون وعدسة المكثف لمجهر إلكتروني الماسح هي تقريبًا نفس تلك الموجودة في المجهر الإلكتروني للإرسال ، ولكن من أجل جعل شعاع الإلكترون أرق ، تتم إضافة عدسة موضوعية واستجماتيزر تحت العدسة المكثفة ، ومجموعتين من يتم تثبيت أشعة مسح متعامدة بشكل متبادل داخل العدسة الشيئية. لفه. تم تجهيز غرفة العينة أسفل العدسة الشيئية بمرحلة عينة يمكن تحريكها وتدويرها وإمالتها.
