전자현미경이란 무엇인가요?

일반적으로 사용되는 전자현미경으로는 투과전자현미경(TEM)과 주사전자현미경(SEM)이 있다. 광학현미경에 비해 전자현미경은 가시광선을 전자빔으로 대체하고, 광학렌즈를 전자기렌즈로 대체하며, 형광스크린을 사용하여 육안으로 보이지 않는 전자빔을 이미지화합니다. 광학현미경에 비해 전자현미경은 가시광선을 전자빔으로 대체하고, 광학렌즈를 전자기렌즈로 대체하며, 형광스크린을 사용하여 육안으로 보이지 않는 전자빔을 이미지화합니다.

이미지 원리

1. 투과전자현미경 기술 투과전자현미경 기술

투과전자현미경은 전자빔을 이용하여 시료에 초점을 맞추고 확대한 후 시료를 통과시켜 물체의 영상을 만들고 이를 형광판이나 사진 필름에 투사하여 관찰하는 기술입니다. 투과전자현미경은 전자빔을 이용하여 시료에 초점을 맞추고 증폭한 후 시료를 통과시켜 물체의 이미지를 생성하고, 이를 형광판이나 사진 필름에 투사하여 관찰합니다. 투과전자현미경의 분해능은 0.1~0.2nm이고 배율은 수만~수십만배이다. 투과전자현미경의 분해능은 0.1~0.2nm이고 배율은 수만~수십만배이다. 전자는 물체에 의해 쉽게 산란되거나 흡수되기 때문에 침투력이 낮고, 더 얇은 초박막을 준비해야 합니다(보통 50~100nm). 전자는 물체에 의해 쉽게 산란되거나 흡수되기 때문에 침투력이 낮고, 더 얇은 초박막을 준비해야 합니다(보통 50~100nm). 준비 과정은 파라핀 절편과 유사하지만 요구 사항이 매우 엄격합니다. 준비 과정은 파라핀 절편과 유사하지만 요구 사항이 매우 엄격합니다. 시체가 죽은 지 몇 분 후에 재료를 얻으려면 조직 블록이 작아야 합니다(1 입방 밀리미터 이내). 글루타르알데히드와 기아산은 종종 이중 고정 및 레진 매립에 사용되며, 그 후 초박형 조각으로 절단됩니다. 그런 다음 특수 초박절편(ultramicrotome)을 우라닐 아세테이트와 납 구연산염으로 전자적으로 염색했습니다. 시체가 죽은 지 몇 분 후에 재료를 얻으려면 조직 블록이 작아야 합니다(1 입방 밀리미터 이내). 글루타르알데히드와 기아산은 종종 이중 고정 및 레진 매립에 사용되며, 그 후 초박형 조각으로 절단됩니다. 그런 다음 특수 초박절편(ultramicrotome)을 우라닐 아세테이트와 납 구연산염으로 전자적으로 염색했습니다. 전자빔이 시료에 투사되면 조직 구성 요소의 밀도에 따라 해당 전자 방출이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 질량이 큰 구조물에 전자빔을 투사하면 전자가 더 많이 산란되므로 전자가 방출됩니다. 형광판에 투사된 빛은 전자 사진에서처럼 검게 보이고 덜 어둡게 보입니다. 전자빔이 시료에 투사되면 조직 구성 요소의 밀도에 따라 해당 전자 방출이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 질량이 큰 구조물에 전자빔을 투사하면 전자가 더 많이 산란되므로 전자가 방출됩니다. 형광판에 투사된 빛은 전자 사진에서처럼 검게 보이고 덜 어둡게 보입니다. 전자밀도라고 합니다. 이를 전자밀도가 높다고 합니다. 반대로 전자투명(electron lucent)이라고 합니다. 반대로 낮은 전자밀도(전자투명)라고 합니다.

2． 주사전자현미경 주사전자현미경

주사전자현미경은 극히 미세한 전자빔을 사용하여 시료의 표면을 스캔하며, 생성된 2차 전자를 특수 검출기로 수집하여 전기 신호를 형성하고 사진으로 전송합니다. 형광 스크린에 표시되는 튜브입니다. 주사형 전자현미경은 극히 미세한 전자빔을 이용하여 시료의 표면을 주사하며, 생성된 2차 전자를 특수 검출기로 수집하여 전기 신호를 형성한 후 브라운관으로 운반하여 형광판에 물체를 표시합니다. 표면(세포, 조직)의 3차원적 구성을 촬영할 수 있습니다. 표면(세포, 조직)의 3차원적 구성을 촬영할 수 있습니다.

주사형 전자현미경 시료를 글루타르알데히드와 기아산으로 고정한 뒤 탈수 및 임계 건조 후 시료 표면에 얇은 금막을 분사해 2차 파동 전자 수를 늘린다. . 주사전자현미경 시료를 글루타르알데히드와 기아산으로 고정한 후 탈수 및 임계점 건조 후 얇은 금막을 시료 표면에 분사하여 2차 파동 전자 수를 늘립니다. 주사전자현미경은 피사계 심도가 길어 더 넓은 조직 표면 구조를 관찰할 수 있어 약 1mm의 고르지 못한 표면도 선명하게 촬영할 수 있어 샘플 이미지가 입체감이 넘칩니다.

주사전자현미경은 피사계 심도가 길어 더 넓은 조직 표면 구조를 관찰할 수 있어 약 1mm의 고르지 못한 표면도 선명하게 촬영할 수 있어 샘플 이미지가 입체감이 넘칩니다.

관련지식

1. 광학현미경은 가시광선을 매질로 사용하고, 전자현미경은 전자빔의 파장이 전자빔의 파장보다 훨씬 작기 때문에 사용한다. 가시광선, 전자 현미경의 해상도는 광학 현미경의 해상도보다 훨씬 높습니다. 광학현미경은 가시광선을 매질로 사용하고, 전자현미경은 전자빔의 파장이 가시광선의 파장보다 훨씬 작기 때문에 광학현미경에 비해 분해능이 훨씬 높다. . 광학현미경은 최대 배율이 약 1,500배에 불과한 반면, 주사현미경은 10,000배 이상까지 확대할 수 있습니다. 광학현미경은 최대 배율이 약 1,500배에 불과한 반면, 주사현미경은 10,000배 이상까지 확대할 수 있습니다.

2. 드브로이 파동 이론에 따르면 전자의 파장은 가속 전압에만 관련됩니다. 드 브로이 파동 이론에 따르면 전자의 파장은 가속 전압에만 관련됩니다. :

λ e = h / mv = h / (2qmV) 1/2 = 12.2 / (V) 1/2 (?0?3) λ e = h / mv = h / (2qmV) 1/2 = 12.2 / (V) 1/2 (?0?3) 10KV의 가속 전압에서 전자의 파장은 0.12?0?3에 불과하며 이는 4000-7000?0?보다 훨씬 낮습니다. 따라서 전자현미경의 분해능은 당연히 광학현미경에 비해 월등히 우수하지만, 주사형 전자현미경의 전자빔 직경은 대부분 50~100×0×3이고, 탄성체의 반응량은 50~100×0×3이다. 전자와 원자핵 사이의 산란(탄성 산란)과 비탄성 산란(비탄성 산란)은 원래 전자보다 커지게 됩니다. 빔 직경이 증가하므로 투과전자현미경의 분해능은 일반적으로 주사전자현미경의 분해능보다 높습니다. 10KV의 가속전압에서 전자의 파장은 0.12Ω0Ω3에 불과하며, 이는 가시광선의 4000-7000Ω0Ω3보다 훨씬 낮으므로 전자현미경의 분해능은 당연히 그보다 훨씬 우수합니다. 광학현미경과 달리 주사전자현미경은 전자빔의 직경이 대부분 50~100×0×3 사이로 전자와 원자핵 사이의 탄성산란(Elastic Scattering)과 비탄성산란(Inelastic Scattering)의 반응량이 증가하게 된다. 일반적으로 투과전자현미경은 주사전자현미경보다 해상도가 더 높습니다.

3. 주사현미경의 중요한 특징은 피사계심도가 광학현미경의 약 300배에 달한다는 점입니다. 이는 주사현미경이 광학현미경보다 표면을 관찰하는 데 더 적합하다는 것입니다. 큰 기복. 주사형 현미경의 중요한 특징은 광학 현미경의 약 300배에 달하는 매우 넓은 피사계 심도입니다. 이는 주사형 현미경이 표면 기복이 큰 표본을 관찰하는 데 광학 현미경보다 더 적합하다는 것입니다.

4. 주사형 전자현미경의 시스템 설계는 전자총에 의해 방출된 후 차폐 구멍에 의해 집중됩니다. Aperture) 전자빔의 크기(Beam Size)를 선택한 후 전자빔을 제어하는 ​​스캐닝 코일 세트를 통과한 후 대물렌즈(Objective Lens)를 통해 집속되어 시험편에 부딪힙니다. 신호 수신기는 시험편 상부에 설치되어 이미징을 위한 2차 전자(Secondary Electron) 또는 후방 산란 전자(Backscattered Electron)를 선택하는 데 사용됩니다.

주사전자현미경의 시스템 설계는 위에서 아래로 이루어집니다. 전자총은 일련의 자기 렌즈(Condenser Lens)로 초점을 맞춘 후 전자빔(Beam)의 크기를 선택하는 데 사용됩니다. ).크기), 전자빔을 제어하는 ​​일련의 스캐닝 코일을 통과 한 다음 대물 렌즈를 통해 초점을 맞추고 시험편 상단에 신호 수신기를 설치하여 선택합니다. 2차 전자(Secondary Electron) 또는 후방 산란 전자(Backscattered Electron) 이미징.

5. 전자총의 필수 특성은 높은 밝기와 작은 전자 에너지 확산(Energy Spread)입니다. 현재 일반적으로 사용되는 유형은 텅스텐(W) 필라멘트와 란타늄 육붕화물(LaB 6)입니다. 필라멘트, 전계 방출(Field Emission), 서로 다른 필라멘트는 전자 소스 크기, 전류량, 전류 안정성 및 전자 소스 수명 등에 차이가 있습니다. 전자총의 필수 특성은 높은 밝기와 작은 전자 에너지 확산(Energy Spread)입니다. 현재 일반적으로 사용되는 유형은 텅스텐(W) 필라멘트, 란타늄 육붕소(LaB 6 ) 필라멘트 및 전계 방출(Field Emission)입니다. 필라멘트마다 전자 소스 크기, 전류, 전류 안정성 및 전자 소스 수명이 다릅니다. 투과전자현미경 투과전자현미경(영어: 투과전자현미경, 약어로 TEM)은 가속되고 집중된 전자빔을 매우 얇은 샘플에 투사합니다. 전자는 샘플의 원자와 충돌하여 방향을 바꿉니다. . 입체각 산란을 생성합니다. 산란각의 크기는 시료의 밀도, 두께와 관련되어 있어 서로 다른 밝은 색상과 어두운 색상의 이미지를 형성할 수 있습니다. 일반적으로 투과전자현미경의 분해능은 0.1~0.2nm이며, 배율은 수만~백만배로 초미세구조물, 즉 0.2~0~8m보다 작은 구조물을 관찰하는데 사용되며, 아래에서는 선명하게 보이지 않습니다. "초미세 구조"라고도 알려진 광학 현미경. 이미징 원리 투과전자현미경의 이미징 원리는 세 가지 상황으로 나눌 수 있습니다.

흡수 이미지: 전자가 질량과 밀도가 높은 샘플에 충돌할 때 주요 상 형성 효과는 산란입니다. 시료의 질량 두께가 큰 곳은 전자의 산란 각도가 크고, 통과하는 전자의 수가 적어서 이미지의 밝기가 어두워집니다. 초기 투과전자현미경은 이 원리에 기초했습니다.

회절 이미지: 전자빔이 샘플에 의해 회절된 후 샘플의 다양한 위치에서 회절파의 진폭 분포는 샘플 내 결정의 각 부분의 다양한 회절 능력에 해당합니다. 결정 결함이 발생하면 결함 부분의 회절 능력이 손상되지 않은 부분의 회절 능력과 다릅니다. 영역에 따라 회절 그릇의 진폭 분포가 고르지 않게 되어 결정 결함의 분포가 반영됩니다.

위상 이미지: 샘플이 100?0?3보다 얇으면 전자가 샘플을 통과할 수 있고 파동의 진폭 변화를 무시할 수 있으며 이미지는 위상 변화에서 비롯됩니다. 구성요소 전자총: 전자를 방출하며 음극, 그리드, 양극으로 구성됩니다. 음극관에서 방출된 전자는 그리드의 작은 구멍을 통과하여 광선 빔을 형성한 후 양극 전압에 의해 가속된 후 전자빔을 가속하고 가압하는 콘덴서로 향합니다.

집광기: 전자빔을 집중시키고 조명 강도와 조리개 각도를 제어할 수 있습니다.

시료실: 관찰할 시료를 놓고 시료의 각도를 변경할 수 있는 틸팅 테이블을 설치하며 가열, 냉각 등의 장비도 갖추고 있습니다.

대물렌즈: 전자영상을 확대하는데 사용되는 고배율 단거리 렌즈이다. 대물렌즈는 투과전자현미경의 해상도와 이미징 품질을 결정하는 핵심 요소입니다.

중간 거울: 배율이 가변적인 약한 렌즈로 전자 이미지를 2배로 증폭시키는 기능을 한다. 중간 거울의 전류를 조정함으로써 물체의 이미지 또는 전자 회절 패턴을 선택하여 확대할 수 있습니다.

투과렌즈 : 중간상을 확대한 후 형광판에 결상하는 데 사용되는 고배율의 강력한 렌즈이다.

이 밖에도 시료실을 비우기 위한 2차 진공펌프와 영상을 기록하기 위한 카메라 장치가 있다. 투과 전자 현미경 구조는 두 부분으로 구성됩니다. 주요 부분은 조명 시스템, 이미징 시스템 및 관찰 카메라실이며, 보조 부분은 진공 시스템 및 전기 시스템입니다.

1. 조명 시스템

시스템은 전자총과 수렴 거울의 두 부분으로 나뉩니다. 전자총은 필라멘트(음극), 그리드, 양극으로 구성됩니다. 가열된 필라멘트는 전자빔을 방출합니다. 양극에 전압을 가하면 전자가 가속됩니다. 양극과 음극 사이의 전위차는 총 가속 전압입니다. 가속되고 에너지가 풍부한 전자는 양극판의 구멍에서 방출됩니다. 방출된 전자빔의 에너지는 가속전압과 관련이 있으며, 그리드는 전자빔의 형태를 조절하는 역할을 한다. 전자빔은 수렴 거울에 의해 특정 발산각을 조정한 후 매우 작거나 심지어 0인 발산각을 갖는 평행 전자빔을 얻을 것으로 예상됩니다. 전자빔의 전류 밀도(빔 전류)는 수렴 거울의 전류를 조정하여 조정할 수 있습니다.

샘플에서 조명이 필요한 영역의 크기는 배율과 관련이 있습니다. 배율이 높을수록 조명 영역이 작아지므로 샘플을 조명하는 데 더 얇은 전자 빔이 필요합니다. 전자총에 의해 직접 방출되는 전자빔의 빔 스폿 크기는 더 크고 일관성이 좋지 않습니다. 이러한 전자를 보다 효과적으로 활용하고 다양한 배율에서 투과 전자 현미경의 요구를 충족시키기 위해 높은 밝기와 우수한 일관성을 갖춘 조명 전자빔을 얻으려면 전자총에서 방출된 전자빔을 추가로 수렴하여 다양한 빔 스폿 크기를 제공해야 합니다. , 대략 평행한 조명 빔. 이 작업은 일반적으로 콘덴서라고 불리는 두 개의 전자기 렌즈에 의해 수행됩니다. 그림에서 C1과 C2는 각각 1차 응축기와 2차 응축기를 나타낸다. C1은 일반적으로 변경되지 않은 상태로 유지되며 그 기능은 전자총의 교차점을 축소된 이미지로 줄여 크기를 10배 이상 줄이는 것입니다. 또한 조명 시스템에는 빔 틸팅 장치가 설치되어 있어 전자빔을 2°~3° 범위 내에서 쉽게 기울여 특정 틸트 각도로 시료를 조명할 수 있습니다.

2. 이미징 시스템

시스템에는 샘플 챔버, 대물 렌즈, 중간 거울, 대비 조리개, 회절 조리개, 투영 거울 및 기타 전자 광학 구성 요소가 포함됩니다. 샘플 챔버에는 샘플을 자주 교체할 때 본체의 진공이 파괴되지 않도록 하는 메커니즘이 있습니다. 샘플을 X 및 Y 방향으로 이동하여 관찰할 위치를 찾을 수 있습니다. 집광거울을 통해 얻은 평행전자빔은 시료를 통과한 후 대물렌즈와 콘트라스트 조리개의 작용을 통해 시료의 특성을 반영하는 정보를 전달하며, 그런 다음 중간 거울과 투사 거울을 통해 이를 한 번 증폭하여 최종 전자 이미지를 형광 스크린에서 얻습니다.

조명 시스템은 일관성이 좋은 조명 전자 빔을 제공합니다. 이러한 전자는 샘플을 통과한 후 샘플의 구조 정보를 전달하고 다른 방향으로 전파됩니다(예: 결정이 있는 경우). 브래그 방정식을 만족하는 패널 조립시 입사빔과 2θ 각도가 교차하는 방향으로 회절빔이 생성될 수 있다. 대물 렌즈는 동일한 전파 방향을 가진 샘플의 다른 부분에서 전자를 후면 초점 평면의 한 지점으로 수렴합니다. 서로 다른 방향으로 전파되는 전자는 그에 따라 산란 각도가 0인 직접 빔이 초점에 수렴됩니다. 대물 렌즈. 중앙 지점을 형성합니다. 이러한 방식으로 대물렌즈의 후면 초점면에 회절 패턴이 형성됩니다. 대물렌즈의 이미지 평면에서 이러한 전자빔은 재결합하여 일관된 이미지를 형성합니다. 중간거울의 물체면이 대물렌즈의 후방 초점면과 일치하도록 중간거울의 렌즈 전류를 조정함으로써, 중간거울의 물체면이 대물렌즈의 후면 초점면과 일치하면 회절 패턴을 얻을 수 있습니다. 대물렌즈의 상면에서 미세한 상을 얻을 수 있습니다. 두 개의 중간 거울을 결합하면 카메라 길이와 배율을 넓은 범위 내에서 조정할 수 있습니다.

투과전자현미경과 투과광학현미경의 광로 비교

3. 촬영실 관찰

전자이미지가 형광판에 반사된다 . 형광 발광은 전자빔 전류에 비례합니다. 형광판을 전자건판으로 교체하면 사진 촬영이 가능합니다. 건판의 감광성은 파장과 관련이 있습니다.

4. 진공 시스템

진공 시스템은 기계식 펌프, 오일 확산 펌프, 이온 펌프, 진공 측정기 및 진공 파이프라인으로 구성됩니다. 그 기능은 렌즈 경통의 가스를 제거하여 렌즈 튜브의 진공도가 최소 10-5Torr가 되도록 하는 것입니다. 현재 가장 좋은 진공도는 10-9-10-10Torr에 도달할 수 있습니다.

진공도가 낮으면 전자와 가스 분자 사이의 충돌로 인해 산란이 발생하고 대비에 영향을 미치며 전자 그리드와 양극 사이에 고전압 이온화가 발생하여 전극 간 방전도 발생합니다. 필라멘트가 늘어나 샘플을 오염시킵니다.

5. 전원 공급 장치 제어 시스템

가속 전압 및 렌즈 자기 전류의 불안정성은 심각한 색수차를 발생시키고 전자 현미경의 분해능을 저하시키므로 가속의 안정성이 저하됩니다. 전압과 렌즈 전류는 전자현미경의 성능을 측정하는 중요한 기준입니다. 투과 전자 현미경 회로는 주로 고전압 DC 전원 공급 장치, 렌즈 여기 전원 공급 장치, 편향기 코일 전원 공급 장치, 전자총 필라멘트 가열 전원 공급 장치, 진공 시스템 제어 회로, 진공 펌프 전원 공급 장치, 카메라 구동 장치 및 자동 노출 회로.

또한 많은 고성능 전자현미경에는 스캐닝 액세서리, 에너지 분광기, 전자 에너지 손실 분광기 및 기타 장비도 장착되어 있습니다. 투과전자현미경 구조 및 이미징 원리 응용 투과전자현미경은 재료과학 및 생물학에서 널리 사용됩니다. 전자는 물체에 의해 쉽게 산란되거나 흡수되기 때문에 시료의 밀도와 두께가 최종 이미징 품질에 영향을 미칩니다. 일반적으로 50~100nm의 얇은 초박형 단면을 준비해야 합니다. 따라서 투과전자현미경으로 관찰하기 위한 시료는 매우 얇게 가공해야 합니다. 일반적으로 사용되는 방법에는 초박 절편, 냉동 초박 절편, 동결 에칭, 동결 골절 등이 있습니다. 액체 샘플의 경우 일반적으로 관찰을 위해 전처리된 구리 그리드에 걸어 놓습니다.