Avantages de la microscopie électronique par rapport à la microscopie optique
Similitudes et différences du principe d'imagerie par microscope optique au microscope électronique
Un microscope électronique est un instrument qui utilise des faisceaux d'électrons et des lentilles électroniques au lieu de faisceaux lumineux et de lentilles optiques pour imager les structures fines de substances à des grossissements très élevés basés sur le principe de l'optique électronique.
Le pouvoir de résolution d'un microscope électronique est représenté 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 (le pouvoir de résolution de l'œil humain est d'environ 0,1 millimètre). Maintenant, le grossissement maximal du microscope électronique dépasse 3 millions de fois, tandis que le grossissement maximal du microscope optique est d'environ 2000 fois, de sorte que les atomes de certains métaux lourds et les réseaux atomiques soigneusement disposés dans le cristal peuvent être directement observés à travers le microscope électronique. .
En 1931, Knorr-Bremse et Ruska d'Allemagne ont réaménagé 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'une imagerie agrandie au 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 cette époque, de sorte que le microscope électronique a commencé à attirer l'attention des gens.
Dans les années 1940, Hill aux États-Unis a utilisé un astigmatiseur pour compenser l'asymétrie de rotation de la lentille électronique, ce 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 a été développé avec succès en 1958 avec une résolution de 3 nanomètres, et en 1979 un grand microscope électronique avec une résolution de 0,3 nanomètre a été fabriqué.
Bien que le pouvoir de résolution du microscope électronique soit bien meilleur que celui du microscope optique, il est difficile d'observer des organismes vivants car le microscope électronique doit fonctionner dans des conditions de vide, et l'irradiation du faisceau d'électrons entraînera également la être endommagé par les radiations. 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 de la microscopie 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 {{0}} nanomètres, tandis que la longueur d'onde des faisceaux 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 0,0053-00,0037 nanomètre. 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 du microscope optique, le pouvoir de résolution du microscope électronique est encore bien supérieur à celui du microscope optique.
Le microscope électronique se compose de trois parties : le barillet de l'objectif, le système de vide et l'armoire d'alimentation. Le barillet d'objectif comprend principalement des canons à électrons, des lentilles électroniques, des porte-échantillons, des écrans fluorescents et des mécanismes de caméra. Ces composants sont généralement assemblés dans une colonne de haut en bas ; le système de vide est composé de pompes à vide mécaniques, de pompes à diffusion et de vannes à vide. Le gazoduc est relié au barillet de l'objectif ; l'armoire de puissance est composée d'un générateur haute tension, d'un stabilisateur de courant d'excitation et de diverses unités de commande de réglage.
La lentille électronique est une partie importante du barillet de la lentille du microscope électronique. Il utilise un champ électrique spatial ou un champ magnétique symétrique à l'axe du barillet de l'objectif pour plier la piste d'électrons vers l'axe pour former un 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 à travers un champ magnétique puissant généré par un courant d'excitation continu très stable traversant une bobine avec des sabots polaires.
Le canon à électrons est un composant constitué d'une cathode chaude à filament de tungstène, d'une grille et d'une cathode. Il peut émettre et former un faisceau d'électrons avec une vitesse uniforme, de sorte que la stabilité de la tension d'accélération ne doit pas être inférieure à un dix millième.
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 leurs structures et leurs utilisations. Les microscopes électroniques à transmission sont souvent utilisés pour observer les structures matérielles fines qui ne peuvent pas être résolues 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 microsondes électroniques 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 transmission porte le nom du faisceau d'électrons qui pénètre dans l'échantillon, puis agrandit l'image avec la lentille électronique. Son chemin optique est similaire à celui d'un microscope optique. Dans ce type de microscope électronique, le contraste des détails de l'image est créé par la diffusion du faisceau d'électrons par les atomes de l'échantillon. La partie la plus fine ou de plus faible densité de l'échantillon a moins de diffusion du faisceau d'électrons, de sorte que plus d'électrons traversent le diaphragme objectif et participent à l'imagerie, et apparaissent plus brillants dans 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 sommet de la colonne du microscope électronique à transmission est le canon à électrons, les électrons sont émis par la cathode chaude en tungstène, traversent le premier et les deux seconds miroirs condenseurs 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 photocohérente.
Le grossissement du miroir intermédiaire peut être modifié en continu de dizaines de fois à des centaines de milliers de fois principalement par l'ajustement du courant d'excitation ; en changeant la distance focale du miroir intermédiaire, des images de microscopie électronique et des images de diffraction électronique peuvent être obtenues sur les minuscules parties d'un 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 principe de la structure du microscope électronique à balayage
Le faisceau d'électrons du microscope électronique à balayage ne traverse pas l'échantillon, mais seulement balaye et excite les électrons secondaires à la surface de l'échantillon. Le cristal de scintillation placé à côté de l'échantillon reçoit ces électrons secondaires, amplifie et module l'intensité du faisceau d'électrons du tube image, modifiant ainsi la luminosité sur l'écran du tube image. La bobine de déviation du tube image maintient un balayage 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 d'un téléviseur industriel. .
La résolution d'un microscope électronique à balayage est principalement déterminée par le diamètre du faisceau d'électrons sur 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. La microscopie électronique à balayage ne nécessite pas d'échantillons très fins ; l'image a un fort effet tridimensionnel; il peut utiliser des informations telles que les électrons secondaires, les électrons absorbés et les rayons X générés par l'interaction entre les faisceaux d'électrons et les substances pour analyser la composition des substances.
Le canon à électrons et la lentille de condenseur d'un microscope électronique à balayage sont à peu près les mêmes que ceux d'un microscope électronique à transmission, mais afin de rendre le faisceau d'électrons plus fin, une lentille d'objectif et un astigmatiseur sont ajoutés sous la lentille de condenseur, et deux ensembles de des faisceaux de balayage mutuellement perpendiculaires sont installés à l'intérieur de la lentille d'objectif. bobine. La chambre d'échantillon sous l'objectif est équipée d'une platine d'échantillon qui peut se déplacer, tourner et s'incliner.
