Principe optique et champ d'application du 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 distance minimale entre deux points adjacents qu'il peut résoudre. Dans les années 1970, la résolution du microscope électronique à transmission était d'environ 0,3 nanomètres (la résolution de l'œil humain est d'environ 0,1 mm). Maintenant, le grossissement maximal du microscope électronique dépasse 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 les réseaux atomiques bien 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, la résolution du microscope électronique a atteint 50 nanomètres, soit environ dix fois la 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 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 avec une résolution de 3 nanomètres a été développé avec succès en 1958, et un grand microscope électronique avec une résolution de 0.3 nanomètres a été fabriqué en 1979. 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 va également endommager les échantillons biologiques par rayonnement. D'autres questions, telles que l'amélioration de la luminosité du canon à électrons et de la qualité de la lentille à électrons, restent à étudier. Le pouvoir de résolution est un indice 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 300-700 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 nanomètres. 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 électrique. 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 en 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 le composant le plus important du canon 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 trajectoire des électrons vers l'axe pour former un foyer, et sa fonction est similaire à celle d'une lentille convexe en verre pour focaliser le faisceau, il est donc appelée 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 pièces polaires.
Le canon à électrons est composé d'une cathode chaude, d'une grille et d'une cathode en tungstène.
pièces. Il peut émettre et former des faisceaux d'électrons à 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 selon leurs structures et leurs utilisations.
Microscopes, microscopes électroniques à balayage et microscopes électroniques à émission, etc. 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 une 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. Les parties de l'échantillon qui sont plus fines ou moins denses sont moins diffusées par le faisceau d'électrons, de sorte que davantage d'électrons traversent le diaphragme de l'objectif pour participer 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 canon de l'objectif du microscope électronique à transmission est le canon à électrons, et les électrons sont émis par la cathode chaude en tungstène, et le faisceau d'électrons est focalisé par les première et seconde lentilles de condenseur. Après avoir traversé l'échantillon, le faisceau d'électrons est imagé sur le miroir intermédiaire par l'objectif, puis agrandi pas à pas par 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 ; la modification de la distance focale du miroir intermédiaire permet d'obtenir une image au microscope électronique sur une infime partie du même échantillon
et des images de diffraction électronique. Afin de pouvoir étudier des échantillons de tranches métalliques plus épaisses, le Laboratoire d'optique électronique de Dulos, en France, 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 fluorescent du tube image. La bobine de déviation du kinéscope continue de balayer de manière synchrone avec le faisceau d'électrons sur la surface de l'échantillon, de sorte que l'écran fluorescent du kinéscope affiche l'image topographique de la surface de l'échantillon, ce qui est similaire au principe de fonctionnement d'une télévision industrielle.
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 être déplacée, tournée et inclinée.
