電子顯微鏡控制電路原理

劉紀(jì)凱

（生物島實(shí)驗(yàn)室 廣東省廣州市 510535）

1 引言

為提高現(xiàn)代透射電子顯微鏡的分辨率，加速電壓和加速電流通過(guò)透鏡時(shí)必須保持非常穩(wěn)定。并且電壓和比流的偏差不得超過(guò)千分之一，確保透鏡穩(wěn)定。如今，電子光學(xué)的設(shè)計(jì)越來(lái)越先進(jìn)，這使得更多的用戶無(wú)需經(jīng)過(guò)多少訓(xùn)練就可以熟練地使用它。在電子顯微技術(shù)中，數(shù)字電子技術(shù)和微處理器相關(guān)技術(shù)可以說(shuō)是舉足輕重的。

2 電鏡控制電路基本原理及應(yīng)用

該系統(tǒng)主要由光電管、真空系統(tǒng)、必要的電子元件及控制軟件等組成?，F(xiàn)代投影電子顯微鏡一般由操作臺(tái)和控制面板組成?？刂婆_(tái)位于垂直管的上方，包括真空系統(tǒng)。該主機(jī)安裝在操作方便的地方，顯微鏡完全密封，減少了外界干擾。本系統(tǒng)也可遠(yuǎn)距離操作，實(shí)驗(yàn)人員無(wú)需與實(shí)驗(yàn)環(huán)境密切接觸，它有利于實(shí)驗(yàn)對(duì)象和研究者。儀器檢測(cè)器主要采用三種電源型。鎢，硼，硼，以及磁場(chǎng)。射擊。圖像系統(tǒng)的信噪比和分辨率雖然很高，但比電子槍的鎢要輕100 倍。研究人員把一片被觀測(cè)物放入電子顯微鏡中，用電子束反射它，然后在另一個(gè)熒光屏上放大圖像。如果以感光膜代替電鏡屏幕，就可以獲得高分辨率的影像。有些更高級(jí)的電子顯微鏡可以觀察到一些大分子，這些照片對(duì)科學(xué)研究有很大的貢獻(xiàn)。由于電子射線的散射不同，電子顯微鏡產(chǎn)生的明暗圖像也不同。對(duì)較厚的物體，離子顯微鏡能得到更好的結(jié)果，比如細(xì)菌，病毒，或者其他微觀組織。離子化顯微鏡能夠移動(dòng)金屬表面的分子。它是用離子顯微鏡來(lái)識(shí)別原子之間的空隙，最先進(jìn)的是，它的工作原理類似于光學(xué)顯微鏡，但是用電子管的電子炮來(lái)代替光學(xué)顯微鏡的光源，用電磁管來(lái)代替玻璃透鏡。磁性透鏡的焦距隨電流而改變。在電子槍頂部發(fā)射電子束后，通過(guò)電容將其聚集成平行電子束進(jìn)行觀測(cè)，這種方法對(duì)樣品的厚度要求一般為5 微米或更高。高能電子穿透樣品，物鏡聚焦于投射電子，使得投射透鏡能放大樣品的實(shí)際尺寸，并投射到鏡筒底部的設(shè)備上，這一過(guò)程是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，否則高能電子將與空氣中的分子碰撞并分解吸收[1]。

電鏡技術(shù)是目前研究人體顯微結(jié)構(gòu)的一種重要手段，常用的方法有TEM 和SEM。文中介紹了兩種不同的電子顯微鏡的工作原理：TEM(透射電子顯微鏡)是應(yīng)用最廣泛的一種，被稱為電子顯微鏡或電子顯微鏡。工作原理：在真空狀態(tài)下，電子束被高壓加速，產(chǎn)生散射并在樣品中傳輸電子，它們?cè)跓晒馄辽嫌秒姶磐哥R成像，電子束對(duì)樣品的輻射隨組織成分密度的增加而增大。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)電子束投射到較大的質(zhì)量結(jié)構(gòu)上時(shí)，電子分散度增大，投射到熒光屏上的電子減少。電子圖像在像素變暗之后變暗。兩種方法都具有較高的分辨率，適用于對(duì)組織和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的觀察，也適用于對(duì)微生物和生物大分子的觀察。

掃描電鏡主要用于表面形貌、破面結(jié)構(gòu)和中空表面結(jié)構(gòu)的觀察。運(yùn)用原理SEM 是一種利用二次電子顯微鏡觀察樣品表面形貌的方法。利用極精細(xì)的信號(hào)成像電子束掃描樣品表面，通過(guò)專用檢測(cè)器采集二次電子和二次電子，將檢測(cè)器形狀成電信號(hào)并將其傳輸?shù)綗糁?，然后在熒光屏上顯示物體。可以拍攝(細(xì)胞或組織)表面的三維圖像。兩者的優(yōu)點(diǎn)：景深長(zhǎng)，立體成像，可用于觀察生物樣品的各種形態(tài)特征。

3 電子微觀結(jié)構(gòu)

這包括真空系統(tǒng)，電源和保護(hù)系統(tǒng)，電子照明系統(tǒng)，成像系統(tǒng)，觀測(cè)和記錄系統(tǒng)。等等包括電子照明，成像系統(tǒng)，觀察記錄系統(tǒng)，透鏡系統(tǒng)以及電子光學(xué)系統(tǒng)。電子顯微鏡真空系統(tǒng)的光源是高電壓的電子束和真空介質(zhì)。這種真空的重要性一般表現(xiàn)為三點(diǎn)。重要意義：避免燈絲氧化損傷。目標(biāo)在于保證電子束流在工作中不受空氣分子的影響(因?yàn)殡娮咏佑|空氣分子后，就會(huì)被分散或吸收，從而對(duì)電子通道造成嚴(yán)重影響)[2]。

電燈系統(tǒng)包括一支電子槍和兩個(gè)電容器，電子炮能發(fā)射高電壓電子束，電燈絲前面有一個(gè)網(wǎng)片。網(wǎng)格的中央有一個(gè)可調(diào)節(jié)的孔，用來(lái)控制電子束的厚度和防止電子散射。超薄的高電壓電子束也需要通過(guò)二級(jí)電容會(huì)聚，前一種方法將電子束束徑減小20～60 倍，后一種方法將其增大1～2 倍，得到非常細(xì)小、均勻的電子束。

成象系統(tǒng)包括取樣室和成象放大系統(tǒng)，樣品間準(zhǔn)備放樣品。把試樣放在金屬試樣載體上(可同時(shí)放置兩個(gè)不同的試樣)，直接插入試樣室。燃?xì)鉁u輪 Dar 也可以將冷井直接連接到樣品室，金屬絲桿直接用于樣品室。液體氮罐(-196-8541;)的液體氮罐可通過(guò)金屬管直接送入樣品室。低溫金屬絲桿在交通運(yùn)輸過(guò)程中直接吸收少量的空氣分子，增加樣品真空度，降低內(nèi)部溫度和電子熱漂移。這種成像增強(qiáng)器主要由鏡片，中間鏡片組，中間鏡片組和鏡片組組成。投影組可以通過(guò)電子樣品透鏡50 次，通過(guò)中間透鏡 I 次。中心鏡頭 II 增加15 倍，投影鏡頭增加200 倍?？傮w規(guī)模約為50 萬(wàn)次。觀測(cè)記錄系統(tǒng)包括觀測(cè)室、放大鏡、攝像機(jī)，觀察室還包括熒光屏和帶鉛的玻璃。在熒光屏上，電子樣品能顯示出反映其真實(shí)結(jié)構(gòu)的圖像。因?yàn)殡娮訒?huì)傷害眼睛，所以必須用鉛制玻璃來(lái)觀察。為了更清楚地觀察，觀測(cè)臺(tái)外還有一個(gè)放大鏡。由于熒光圖像由電子組成，衰減很快，一旦觀測(cè)到理想的結(jié)構(gòu)圖像，就必須盡快用照相機(jī)拍攝。值得注意的是，電子顯微照相技術(shù)與普通照相的不同之處在于它只能聚焦在最小的對(duì)比度上，而且底片必須事先干燥[3]。

4 電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡的異同

區(qū)別：電子顯微鏡的光源為電子炮的電子流，光學(xué)顯微鏡的光源為可見(jiàn)光(太陽(yáng)光或光線)。其倍率、分辨率均高于光學(xué)顯微鏡。與之不同的是，在電子顯微鏡中，放大的目標(biāo)是電磁透鏡(一種能在中間產(chǎn)生磁場(chǎng)的環(huán)形電磁線圈)，光學(xué)目標(biāo)是光學(xué)鏡片玻璃，而電子顯微鏡則是電磁波長(zhǎng)的三組波長(zhǎng)，電容，透鏡，光學(xué)鏡片的接眼蓮由 Z 組成。這圖像的原理是不同的。作用于樣品的電子束經(jīng)放大成電磁透鏡后，成像于熒光屏和攝影膠片上。高效電子束作樣品用，與電子發(fā)生碰撞，并隨樣品中的原子擴(kuò)散擴(kuò)散。物質(zhì)的電子成象是強(qiáng)度，部分根據(jù)樣品分散。是啊，但是樣品鏡的表面圖像的亮度差別取決于光的數(shù)量，被樣品的不同結(jié)構(gòu)所吸收是啊，我知道光學(xué)顯微鏡只能使用02-05 mm 的光。透過(guò)干涉和光的折射看得很清楚。用電子束作光源，可溶解1～3 nm 的電子顯微鏡。所以光學(xué)顯微鏡的結(jié)構(gòu)屬于納米級(jí)分析，電子顯微鏡的分辨率則屬于納米級(jí)分析。

景深：普通光學(xué)顯微鏡具有2～3um 的景深范圍，對(duì)樣品表面處理的要求很高，樣品制備過(guò)程也很復(fù)雜。SEM 的靈敏度可達(dá)數(shù)毫米，因此樣品表面無(wú)需幾何形狀的光滑。試樣制備相對(duì)簡(jiǎn)單，有些試樣的幾何形狀無(wú)需制備。盡管景深較大，但是體視顯微鏡的分辨率很低。放大率：光學(xué)顯微鏡的有效放大速率為1000 倍，能夠有效地放大電鏡。

樣品制備方法：電鏡下觀察細(xì)胞、組織樣品制備復(fù)雜，技術(shù)難度大，成本高。需要特殊的試劑和處理方法，如收集，固定，脫水，包裹物料等。最終，把包裹好的組織放在超薄切片機(jī)中，切出50-100nm 的片。常見(jiàn)的玻片有普通組織切片、細(xì)胞涂片、組織壓片、細(xì)胞滴狀等，光鏡下觀察標(biāo)本，然后放在玻片上。

應(yīng)用范圍：主要用于光學(xué)顯微鏡下觀察和測(cè)量表面光滑的微米級(jí)組織。利用可見(jiàn)光作為光源，不僅能觀察到樣品表面的組織結(jié)構(gòu)，而且還能在一定范圍內(nèi)觀察到表面的組織結(jié)構(gòu)，使得光學(xué)顯微鏡對(duì)顏色識(shí)別十分敏感、準(zhǔn)確。掃描電鏡(SEM)主要用于觀察納米尺度樣品的表面形貌，由于掃描電鏡是黑白的，無(wú)法通過(guò)彩色圖像進(jìn)行識(shí)別，并且依靠物理信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)分辨組織信息。掃描電鏡不僅可以觀察到樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)，而且可以通過(guò)EDS,WDS,EBSD 等附件來(lái)擴(kuò)展其功能。利用EDS 和WDS 兩種輔助方法，SEM 可對(duì)微區(qū)進(jìn)行分析，對(duì)失效分析有重要意義，利用電鏡和掃描電鏡研究了材料的晶格取向[4]。

5 電子顯微鏡的農(nóng)業(yè)應(yīng)用與發(fā)展

利用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行農(nóng)業(yè)研究，具有景深大、立體感強(qiáng)、分辨率高、成像范圍廣、樣品制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大農(nóng)業(yè)科研人員的重視和青睞。掃描電鏡主要用于動(dòng)物、植物、昆蟲(chóng)等微小器官的掃描，旨在提高對(duì)微小器官的識(shí)別能力，提高分類水平，進(jìn)一步明確器官功能，描述和比較昆蟲(chóng)外部形態(tài)特征，研究其形態(tài)變化，規(guī)律及結(jié)構(gòu)特征。對(duì)花粉、果皮、種皮表面形態(tài)及種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的研究對(duì)植物生長(zhǎng)有重要意義。就微生物而言，它對(duì)真菌、放線菌、細(xì)菌尤其是細(xì)菌的活動(dòng)、孢子的萌發(fā)、寄主的入侵等都有重要作用，可進(jìn)行分類研究，分區(qū)鑒定。

電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源和輔助系統(tǒng)是 TEM 在農(nóng)業(yè)上的主要應(yīng)用。透射電子顯微鏡成像的原理是對(duì)樣品進(jìn)行無(wú)信息成像。電子束掃描樣品的另一面，它能接收樣品信息，放大樣品信息，觀察樣品中的顯微信息以作解釋。電子束與樣品材料相互作用，產(chǎn)生信息，如傳輸電子，散射電子和次級(jí)電子。TEM 的影像差異是由入射電子在樣品中的散射吸收差異、衍射差異以及入射位相差異決定的。在利用電子顯微鏡觀察農(nóng)產(chǎn)品生物樣品時(shí)，電子顯微鏡圖像的清晰度不能僅僅依靠電子顯微鏡的分辨率，更重要的是依靠采樣技術(shù)。常用的透射電鏡技術(shù)有超薄切片、免疫電鏡、負(fù)染色、生物大分子電子顯微鏡等。植物等群落病毒是被子植物、蕨類植物、果樹(shù)等疾病的重要病原體，導(dǎo)致全球花卉、養(yǎng)殖植物和藥用植物的產(chǎn)量和質(zhì)量下降，它對(duì)人類的生產(chǎn)和生活造成嚴(yán)重影響。通過(guò)電鏡觀察病毒的形態(tài)、基因結(jié)構(gòu)和功能、病毒的復(fù)制過(guò)程、與宿主的關(guān)系以及細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)破壞等，對(duì)進(jìn)一步揭示其本質(zhì)，最終解決病毒與疾病的關(guān)系，具有不可替代的作用。

6 電子鏡控路故障排除方法的探討

經(jīng)常維護(hù)電子顯微鏡：首先要保持電子顯微鏡房間的清潔，室內(nèi)溫度保持在23℃左右，濕度保持在60%以上。溫度和濕度符合要求的，可以使用空調(diào)，排風(fēng)機(jī)等設(shè)備。此外，由于鏡筒長(zhǎng)期處于真空狀態(tài)，如果長(zhǎng)期不使用，則需要每周抽氣一次，以防止鏡筒生銹。二是機(jī)泵油含量高于車窗油面，用真空計(jì)測(cè)量其排氣性能，以確定是否需要更換機(jī)泵；如車窗油顏色為肉眼可見(jiàn)，應(yīng)立即更換。最后打開(kāi)基礎(chǔ)電子顯微鏡進(jìn)行檢查。一次啟動(dòng)不少于1 小時(shí)，防止電器元件老化，另外，X 射線泄漏也要在電子顯微鏡下檢測(cè)。

6.1 電鏡故障的診斷和排除

當(dāng)電子顯微鏡發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)先判斷其整體結(jié)構(gòu)，再逐一檢查，以縮小故障范圍，最后確定故障部位及排除方法。先做初步檢查，對(duì)不合格的電子顯微鏡，不得盲目檢查，不得進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，不得隨意拆卸部件。最好的方法是直觀地檢查，例如計(jì)算機(jī)程序是否有故障，元器件是否正常工作等；第二，進(jìn)行局部檢查，如聽(tīng)音判斷故障的位置，通過(guò)嗅探判斷元器件是否燒壞，觸摸電子等，最后進(jìn)行系統(tǒng)檢查。對(duì)外觀或細(xì)節(jié)上無(wú)故障的，進(jìn)行系統(tǒng)檢查，如電源是否正常，輸入輸出信號(hào)是否正確等，確定故障部位，然后查找故障部件，收集故障排除措施。

6.2 故障診斷法

先排除故障再使用儀器，儀器通常包括信號(hào)發(fā)生器，萬(wàn)用表等，儀器的故障診斷方法一般都比較有效。更換故障處理，型儀器最精確的檢測(cè)手段是替代方法。因大型儀表電路圖簡(jiǎn)單，元件處于關(guān)閉狀態(tài)，故障無(wú)法正常排除，只能更換同型號(hào)的線路或元件。采用這種更換方法，應(yīng)注意更換元件的類型，即插入位置應(yīng)準(zhǔn)確，以免發(fā)生短路，造成較大損失。無(wú)論使用哪種排除故障的方法，在排除故障后不要立即開(kāi)機(jī)，要檢查電鏡結(jié)構(gòu)，確認(rèn)無(wú)誤后再開(kāi)機(jī)檢查。

7 結(jié)束語(yǔ)

電子顯微鏡比光學(xué)顯微鏡高得多，但是由于光照問(wèn)題，許多生物不能在電子顯微鏡下觀察，而電子顯微鏡中的電子束會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生輻射。為了取得較好的實(shí)驗(yàn)效果，必須提高電子槍的透射率和電子顯微鏡的透射率。