cousera-冷冻电镜笔记-Electron Guns

清疚 2023-06-04 13:54 8阅读 0赞

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电子枪其实非常接近于一条弯曲的线， 所以我在最上方画一条弯曲的线。 0:15 在这条弯曲的线里，有电流通过。 \[点击声为噪音\] 这些绿色的条纹代表电子， \[点击声为噪音\] 当电流通过这条线时， 有部分电子从尖端逸出， 就像这样跑了出来。 打个比方，这个过程有点像是 水顺流而下那样。 在水顺流而下的过程中， 每过一段时间， 总会有一些个水分子， 在与相邻水分子碰撞后， 能得到足够的能量， 以至于它能跳出液体的表面， 然后蒸发到大气中去了。 与此类似地， 电子在这条弯曲的线（电子枪）流淌， 1:00 每过一段时间， 总有一些电子会与相邻电子碰撞。 这条线就是因为电流在其中流淌， 所以温度很高。 有时候，部分电子在碰撞中获得了足够的能量， 能够从这条线的表面逸出。 金属有一个重要属性，被称为功函数。 （译注：就是要使一粒电子立即从固体表面中逸出、所必须提供的最小能量。） 如果某粒电子获得的能量超过了这个值， 它就会从金属的表面飞出， 继而往下进入电子显微镜中的真空环境。 在飞出时，电子们带有不同的能量， 飞的角度也各不相同。 1:37 在电子显微镜中，这个线（电子枪）本身所在的电位非常低， 例如，在加州理工学院， 那台我们常用的比较大的显微镜， 它电子枪的电位是负300,000伏特。 而在显微镜的底部， 有一个表面实际上是接地的， 其实显微镜的大部分结构都是在地面上的， 2:05 所以我们继续写，这里是0伏特。 因此，在这个尖端和底部平面之间， 有一个极大的电场， 导致电子在显微镜中下行时加速， 这就是基本过程。 电子加速往下行进。 好了，让我们擦掉这些，接下去画其他元素。 电子束从电子枪上喷出，需要被聚焦， 2:38 而这里有个重要结构，称为Wehnelt圆柱。 它就像一个底部中心有孔的杯子。 这个杯子所在的电位， 比加热灯丝所在的电位更低。 所以我在这里写上：负300千伏再减去delta 比电子枪本身还要低很多伏特。 正因如此，这附近的电场线， 在这个杯子底部的洞的附近， \[点击声为噪音\] 就像这样。 \[点击声为噪音\] 它们开始对从电子枪里喷射出来的电子聚焦， 将电子聚焦到一个中心点上。 所以说，Wehnelt圆柱是第一个聚焦元件。 接下来，电子光束还会遇到其它元件， 并不是直接从负300千伏一步到位地到达地面的， 在电子显微镜中，有一些堆叠的加速元件 （译注：在中国常被称为加速管） 这个加速部分，就是一系列带孔的盘， 3:53 我要在这里画上十个。 所以这些，从上方看就像是垫圈， 而这样从横截面的角度画， 我们画成很多中间断开的线， 九个，再画个第十个。 现在，我们可以把这部分擦掉。 在加速管内的每两个盘之间， 都由电阻连接， 4:23 将它们连成整体。 4:27 最下方的这个盘是接地的， 就像显微镜余下的部分一样。 4:38 所以，这个盘接地， 4:42 所在电位为0伏特。 由于在盘与盘之间都有电阻， 所以电势逐级递减。 比如，这个盘可能是在负30,000伏， 而这个盘，负60,000伏， 这个盘，负90伏，负120伏， 负150，180， 210， 240 最上方的盘可能是负270,000伏。 因为电势是逐级变化的， 所以这个区域的电场线是平的， 几乎完全是平的，和光束垂直。 \[点击声为噪音\] 当然， 这些电场线持续分布在这些盘之间， 我不打算把它们全画出来。 所以，当电子进入这个区域， 便会在加速管的作用下加速， 等到它们出来时，它们已经得到了 它们已经得到了300,000伏， 现在，这些已经300,000伏的电子， 速度达到了光速的76%. 这些电子是在以接近光速的速度移动。 它们的波长是2皮米， 是1埃的200分之一。 显然，电子显微镜所使用的放射线的波长， 不会成为限制分辨率的因素。 波长足够短， 所以你能够看到 6:22 比单个原子更小的细节。 6:27 以上就是电子枪的基本设计。 另外还有些事我也想提一下。 首先，整个系统 都是在高度真空中。 这是因为，电子遇到材料时， 会发生强烈的散射。 所以如果系统内部有任何气体， 很多电子就会因那些气体而散射， 而我们希望它们不要散射， 从电子枪到我们的样品， 再经过透镜，都不要散射， 所以，这个内部系统需要在高度真空状态下。 尽管如此，总还是有一些水蒸气、还有其它气体 会进入电子显微镜的镜筒内。 有时候，这些污染物会在这些加速元件上 留下类似于钟乳石的东西。 而每一个钟乳石，在一段时间后都会变厚， 导致它们之间的电位差越来越大， 大到足以放电。 那会破坏电场的形状， 而且还会破坏仪器上的电子元件。 7:45 所以，为了弄干净电子枪， 电子枪偶尔会需要被调节。 所谓调节，其实意思就是 把整个系统的电压提高， 提高到甚至比正常运行电压更高。 比如说，如果我们想在300,000伏运行我们的显微镜， 调节时我们就使用例如315,000伏。 那样，所有可能会放电的都会放掉。 然后我们把电压降下来， 降到一个稳定的工作电压。最后我还想提一下， 关于电子枪， 为了将电位差维持在300,000伏及以上， 这里有个槽，来产生这个高电压， 这个高电压槽，由一种气体与外界隔绝， 即六氟化硫气体， 它是一种很好的绝缘材料， 对高电压槽帮助很大。 不过，这有点危险，因为六氟化硫 是一种无味的气体，而且比氧气重。 9:07 所以，在任何一间电子显微镜室， 你可能都会看到一罐 9:13 液化六氟化硫气体。 如果高电压槽或那罐液化气体有一点点泄露 六氟化硫就会进入房间， 而你既看不见它，也闻不到它， 又因为它比氧气重， 它会沉积到地板上， 如果很不幸地，某人不小心撞到了头， 摔倒在地板上，或者睡在地板上， 或者出于任何其它原因 他们的头部处在了充满六氟化硫的区域， 他们就可能会窒息。 所以在很多显微镜室， 你会看到地板上有通风口， 还有可能配有传感器， 氧气传感器， 当缺氧时会熄灭。 为了让您了解这些东西大概长什么样， 这里有一张照片， 这是我们在加州理工学院用的Polara300千伏电子显微镜。 这是在更换灯丝的时候照的。 这个就是灯丝所在的盒子。 这个部分是加速管。 你看这里有一堆环， 一共有十个， 这个就是加速管。 这上面有红光， 因为工作人员在加热它， 以便在他们关上它以前， 把所有气体都去除， 然后把附近抽真空。 10:42 这是我之前提到过的， 显微镜的底部是接地的。 挺有趣，它真的接地接得很好。 电的稳定对显微镜来说很重要， 所以当我们在加州理工学院准备显微镜的时候， 就是像这样接地的。 事实上，这个孔深达12英寸（译注：约3.7米）， 一根巨大的铜管插向里面， 这些是连着它们的接地电缆， 大约有一英尺（译注：约2.54厘米）厚， 所以它和地牢牢地连接着。 以上是对电子枪的介绍。 现在我们来谈谈相干性的概念。 11:20 我们需要考虑两种相干性。 第一种，是空间相干性。 11:29 在电子显微镜方面，空间相干性的意思是： 是否所有的电子来自完全相同的方向？ 11:38 很显然，在电子显微镜里， 如果有些电子是直往下射、 穿过样品，直至相机底部， 而另一个电子从另一个方向过来， 穿过样品的情况也不一样， 它会到达相机的这个部位。 所以，不同的电子对样品在不同位置成像， 这个电子在这儿成像， 那个电子可能在那个位置成像， 所有这些成像被叠加， 你会得到模糊的图像， 这就是空间相干性比较差的情况。 所以，对电子枪来说很重要的一点是， 所有电子需要从尖端的 完全同一个方向出来。 12:23 接下来另一种相干性， 称为时间相干性。 12:28 在电子显微镜方面，它的意思是： 是否所有电子的速度都完全相同？ 这之所以重要，是因为如果一个电子有300,000伏， 它有一个波长， 而因为那个特定的波长， 它会被显微镜的镜片聚焦到 被聚焦到一个特定的位置， 这个位置就是我们放相机的地方。 不过，试想如果下一个电子有301,000伏， 它就会移动得更快， 因此它被镜片聚焦的程度会较弱， 而被聚焦到一个更低的平面上。 所以，如果我们成像用的电子的速度不统一， 我们就得把相机放到某个位置， 那个相机将会接收来自各个电子的成像， 而这些电子被聚焦的程度不同， 有的焦点在它上方， 有的焦点在它下方， 这样得到的图像又是模糊的。 所以对电子枪而言很重要的一点是， 所有从尖端发射出的电子 都带有相同的能量， 这就是所谓的时间相干性。 13:45 现在，这引导我们去了解 电子显微镜最常见的三种灯丝。 首先是钨灯丝， 在它里面其实就是一个弯曲的钨丝， 钨灯丝很便宜， 更换起来不费时， 它在很多显微镜中都很常见。 不过它相干性不太好。 在电子显微镜中你们会发现的另一种灯丝 是六硼化镧灯丝， 它是一种六硼化镧晶体， 在这里，电子枪本身就是一小块六硼化镧晶体。 由于这个晶体的尖端非常尖， 所以电子从里面出来时， 几乎是在完全相同的位置， 而且当它们从那个晶格逸出时，也是带有 几乎相同的能量。 14:48 最后，这些是场发射电子枪。 场发射电子枪也有一个非常尖的、抛光的尖端。 它之所以被称为场发射电子枪， 是因为在尖端下方 15:06 有一个电场， 把尖端上的电子拉出来， 所以它们（电子）会被拉出来。 而正因如此， 它们出来时相干性变得更高， 我们可以把这个想象成火山， 火山喷发时，一坨坨岩浆喷涌出， 往各个方向喷涌， 速度也各不相同。 有的飞得很远， 有的飞得相对近些， 这就是差的相干性， 不仅时间相干性差（喷射速度不同）， 空间相干性也差（往各个方向喷射）。 这就和钨灯丝类似。 而场发射电子枪更像孩子玩的溜滑梯， 试想在一个溜滑梯的顶端， 有一大堆球， 每个球都被放置在溜滑梯的边缘， 如果你拍一下球， 它就会开始沿着溜滑梯往下滚， 最终到达溜滑梯的底部。 你所拍过的每一个球， 都会滚下去， 最终是往同一个方向， 而且速度也几乎相同。 这就是在它滚下溜滑梯后， 从势能转换而成的动能。 这就像场发射电子枪： 尖端有电子， 电子不怎么逸出， 而电场把它们拉了出来。 它们一出现，就开始 在加速管中加速， 然后从相同位置出来， 方向也相同，速度也相同。 所以场发射电子枪是相干性最好的。 它有两种类型： 一种是热场发射电子枪， 一种是冷场发射电子枪。 17:00 它们的区别在于： 在冷场发射电子枪上， 17:06 电子完全是由电场拉出的； 17:11 而在热场发射电子枪上， 在尖端上有大量电流通过， 这个电流会令灯丝升温， 让电子更容易有足够的能量 以便逸出和被拉出。 17:27 不过，场发射电子枪的费用更高， 且当它们寿命耗尽时，更换起来需要几天时间。 因为这种灯丝的运作需要升温， 所以久而久之它们会耗损掉。 把灯丝调在最优温度很重要： 17:46 灯丝越热，喷出的电子越多， 你得到的光束就越亮；然而 与此同时，灯丝上的金属其实会耗损， 尖端的质量， 尖端的尖锐程度 会渐渐损耗， 最后我们就得更换新的灯丝。 所以当你学用电子显微镜时， 要把灯丝加热够， 直到能形成足够亮的光束， 但不要继续调亮了， 否则就会缩短尖端的使用寿命。

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