Composition du microscope électronique Historique du développement du microscope électronique
Composants d'un microscope électronique
Source d'électrons : C'est une cathode qui libère des électrons libres, et une anode en forme d'anneau accélère les électrons. La différence de tension entre la cathode et l'anode doit être très élevée, typiquement entre plusieurs milliers de volts et trois millions de volts.
Electrons : Utilisé pour focaliser les électrons. Généralement, des lentilles magnétiques sont utilisées, et parfois des lentilles électrostatiques sont également utilisées. La fonction de la lentille électronique est la même que celle de la lentille optique dans le microscope optique. La mise au point de la lentille optique est fixe, mais la mise au point de la lentille électronique peut être ajustée, de sorte que le microscope électronique n'a pas de système de lentille mobile comme un microscope optique.
Dispositif à vide : Le dispositif à vide est utilisé pour assurer l'état de vide à l'intérieur du microscope, afin que les électrons ne soient pas absorbés ou déviés sur leur chemin.
Porte-échantillon : Les échantillons peuvent être placés sur le porte-échantillon de manière stable. De plus, il existe souvent des dispositifs qui peuvent être utilisés pour changer l'échantillon (tels que le déplacement, la rotation, le chauffage, le refroidissement, l'allongement, etc.).
Détecteur : un signal ou un signal secondaire utilisé pour collecter des électrons. La projection d'un échantillon peut être obtenue directement en utilisant un microscope électronique à transmission (Transmission Electron Microscopy TEM). Les électrons traversent l'échantillon dans ce microscope, l'échantillon doit donc être très fin. Le poids atomique des atomes composant l'échantillon, la tension à laquelle les électrons sont accélérés et la résolution souhaitée déterminent l'épaisseur de l'échantillon. L'épaisseur de l'échantillon peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. Plus la masse atomique est élevée et plus la tension est faible, plus l'échantillon doit être mince.
En changeant le système de lentille de l'objectif, on peut agrandir directement l'image au point focal de l'objectif. A partir de celle-ci, on peut obtenir des images de diffraction électronique. En utilisant cette image, la structure cristalline de l'échantillon peut être analysée.
Le principe de composition du microscope électronique
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 la partie la plus 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 électron. lentille. 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 microsphères électroniques sont formées 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 haut du barillet de l'objectif du microscope électronique à transmission est un canon à électrons. Les électrons sont émis par la cathode chaude en tungstène et les faisceaux d'électrons sont focalisés par les premier et second condenseurs. 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.
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 des faisceaux d'électrons et des substances pour analyser la composition des substances.
Le canon à électrons et la lentille du condenseur du microscope électronique à balayage sont à peu près les mêmes que ceux du 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 du 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.
Utilisations des microscopes électroniques
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.
