Avantages de la microscopie électronique par rapport à la microscopie optique
Similitudes et différences du principe d'imagerie au microscope optique au microscope électronique
Le microscope électronique est un instrument qui remplace le faisceau lumineux et la lentille optique par un faisceau d'électrons et une lentille électronique selon le principe de l'optique électronique, de sorte que la structure fine de la matière puisse être imagée sous un grossissement très élevé.
Le pouvoir de résolution d'un microscope électronique s'exprime par la faible distance entre deux points adjacents qu'il peut résoudre. Dans les années 1970, les microscopes électroniques à transmission avaient une résolution d'environ 0,3 nanomètres (l'œil humain a un pouvoir de résolution d'environ 0,1 millimètre). Maintenant, le grossissement maximal du microscope électronique est de plus de 3 millions de fois et le grossissement maximal du microscope optique est d'environ 2000 fois, de sorte que les atomes de certains métaux lourds et le réseau atomique bien agencé dans les cristaux peuvent être directement observés au microscope électronique.
En 1931, Knorr-Bremse et Ruska en Allemagne ont modifié un oscilloscope haute tension avec une source d'électrons à décharge à cathode froide et trois lentilles électroniques, et ont obtenu une image agrandie plus de dix fois, ce qui a confirmé la possibilité d'agrandir l'imagerie par un microscope électronique. . . En 1932, après l'amélioration de Ruska, le pouvoir de résolution du microscope électronique a atteint 50 nanomètres, soit environ dix fois le pouvoir de résolution du microscope optique à l'époque, de sorte que le microscope électronique a commencé à attirer l'attention des gens.
Dans les années 1940, Hill aux États-Unis a compensé l'asymétrie de rotation de la lentille électronique avec un astigmatisme, qui a fait une nouvelle percée dans le pouvoir de résolution du microscope électronique et a progressivement atteint le niveau moderne. En Chine, un microscope électronique à transmission avec une résolution de 3 nanomètres a été développé avec succès en 1958, et un microscope électronique à grande échelle avec une résolution de 0,3 nanomètre a été fabriqué en 1979.
Bien que le pouvoir de résolution des microscopes électroniques soit bien meilleur que celui des microscopes optiques, il est difficile d'observer des organismes vivants car les microscopes électroniques doivent fonctionner dans des conditions de vide, et l'irradiation des faisceaux d'électrons causera également des dommages aux échantillons biologiques. D'autres questions, telles que l'amélioration de la luminosité du canon à électrons et la qualité de la lentille à électrons, doivent également être étudiées plus avant.
Le pouvoir de résolution est un indicateur important du microscope électronique, qui est lié à l'angle de cône incident et à la longueur d'onde du faisceau d'électrons traversant l'échantillon. La longueur d'onde de la lumière visible est d'environ 300 à 700 nanomètres, tandis que la longueur d'onde du faisceau d'électrons est liée à la tension d'accélération. Lorsque la tension d'accélération est de 50-100 kV, la longueur d'onde du faisceau d'électrons est d'environ 0,0053-0,0037 nm. Étant donné que la longueur d'onde du faisceau d'électrons est beaucoup plus petite que la longueur d'onde de la lumière visible, même si l'angle de cône du faisceau d'électrons n'est que de 1% de celui d'un microscope optique, le pouvoir de résolution d'un microscope électronique est encore bien supérieur à celui d'un microscope optique.
Le microscope électronique se compose de trois parties : le tube de l'objectif, le système de vide et l'armoire d'alimentation. Le barillet de l'objectif comprend principalement un canon à électrons, une lentille à électrons, un porte-échantillon, un écran fluorescent et un mécanisme de caméra, qui sont généralement assemblés dans un cylindre de haut en bas ; le système de vide est composé d'une pompe à vide mécanique, d'une pompe à diffusion et d'une soupape à vide, etc. Le gazoduc est relié au barillet de l'objectif ; l'armoire d'alimentation est composée d'un générateur haute tension, d'un stabilisateur de courant d'excitation et de diverses unités de réglage et de commande.
La lentille électronique est une partie importante du canon du microscope électronique. Il utilise un champ électrique spatial ou un champ magnétique symétrique à l'axe du barillet pour plier la trajectoire des électrons vers l'axe pour former le foyer. Sa fonction est similaire à celle d'une lentille convexe en verre pour focaliser le faisceau, on l'appelle donc une lentille électronique. . La plupart des microscopes électroniques modernes utilisent des lentilles électromagnétiques, qui focalisent les électrons par un champ magnétique puissant généré par un courant d'excitation continu très stable à travers une bobine avec un sabot polaire.
Le canon à électrons est un composant composé d'une cathode chaude à filament de tungstène, d'une grille et d'une cathode. Il peut émettre et former un faisceau d'électrons à vitesse uniforme, de sorte que la stabilité de la tension d'accélération n'est pas inférieure à 1/10,000.
Les microscopes électroniques peuvent être divisés en microscopes électroniques à transmission, microscopes électroniques à balayage, microscopes électroniques à réflexion et microscopes électroniques à émission selon leur structure et leur utilisation. Les microscopes électroniques à transmission sont souvent utilisés pour observer ces structures matérielles fines qui ne peuvent pas être distinguées par des microscopes ordinaires ; les microscopes électroniques à balayage sont principalement utilisés pour observer la morphologie des surfaces solides, et peuvent également être combinés avec des diffractomètres à rayons X ou des spectromètres d'énergie électronique pour former des électrons. Microsondes pour l'analyse de la composition des matériaux; Microscopie électronique d'émission pour l'étude des surfaces d'électrons auto-émetteurs.
Le microscope électronique à projection porte le nom du faisceau d'électrons qui pénètre dans l'échantillon, puis utilise la lentille électronique pour imager et agrandir. Son chemin optique est similaire à celui d'un microscope optique. Dans ce microscope électronique, le contraste des détails de l'image est créé par la diffusion du faisceau d'électrons par les atomes de l'échantillon. Dans les parties plus fines ou moins denses de l'échantillon, le faisceau d'électrons se disperse moins, de sorte que davantage d'électrons traversent l'ouverture de l'objectif, participent à l'imagerie et apparaissent plus brillants sur l'image. Inversement, les parties plus épaisses ou plus denses de l'échantillon apparaissent plus sombres sur l'image. Si l'échantillon est trop épais ou trop dense, le contraste de l'image va se détériorer voire être endommagé ou détruit en absorbant l'énergie du faisceau d'électrons.
Le haut du tube du microscope électronique à transmission est le canon à électrons, les électrons sont émis par la cathode chaude du filament de tungstène, traversent le laser et les deux secondes lentilles de condenseur focalisent le faisceau d'électrons. Après avoir traversé l'échantillon, le faisceau d'électrons est imagé sur le miroir intermédiaire par l'objectif, puis agrandi pas à pas à travers le miroir intermédiaire et le miroir de projection, puis imagé sur l'écran fluorescent ou la plaque sèche photographique.
Le miroir intermédiaire ajuste principalement le courant d'excitation et le grossissement peut être modifié en continu de dizaines de fois à des centaines de milliers de fois. en changeant la distance focale du miroir intermédiaire, des images au microscope électronique et des images de diffraction électronique peuvent être obtenues sur de minuscules parties du même échantillon. . Afin d'étudier des échantillons de tranches métalliques plus épaisses, le Laboratoire français d'optique électronique Dulos a développé un microscope électronique à ultra haute tension avec une tension d'accélération de 3500 kV. Schéma de la structure du microscope électronique à balayage
Le faisceau d'électrons d'un microscope électronique à balayage ne traverse pas l'échantillon, mais balaye uniquement la surface de l'échantillon pour exciter les électrons secondaires. Un cristal de scintillation placé à côté de l'échantillon reçoit ces électrons secondaires et module l'intensité du faisceau d'électrons du tube image après amplification, modifiant ainsi la luminosité sur l'écran du tube image. Le joug de déviation du tube image continue de balayer de manière synchrone avec le faisceau d'électrons sur la surface de l'échantillon, de sorte que l'écran fluorescent du tube image affiche l'image topographique de la surface de l'échantillon, ce qui est similaire au principe de fonctionnement de la télévision industrielle.
La résolution d'un microscope électronique à balayage est principalement déterminée par le diamètre du faisceau d'électrons à la surface de l'échantillon. Le grossissement est le rapport de l'amplitude de balayage sur le tube image à l'amplitude de balayage sur l'échantillon, qui peut être modifié en continu de dizaines de fois à des centaines de milliers de fois. Le microscope électronique à balayage ne nécessite pas d'échantillons très fins ; l'image a un fort effet tridimensionnel; il peut analyser la composition de la matière en utilisant des informations telles que les électrons secondaires, les électrons absorbés et les rayons X générés par l'interaction des faisceaux d'électrons avec la matière.
Le canon à électrons et le condenseur du microscope électronique à balayage sont à peu près les mêmes que ceux du microscope électronique à transmission, mais pour rendre le faisceau d'électrons plus fin, une lentille d'objectif et un astigmat sont ajoutés sous le condenseur, et deux ensembles d'électrons à balayage qui sont perpendiculaires les uns aux autres sont installés à l'intérieur de la lentille d'objectif. bobine. La chambre d'échantillon sous l'objectif abrite la platine d'échantillon qui peut être déplacée, tournée et inclinée.
