Как работает электронный микроскоп. Какие бывают типы электронных микроскопов. Для чего используются электронные микроскопы в науке и промышленности. Каковы преимущества электронной микроскопии перед оптической.
История создания электронного микроскопа
Идея создания электронного микроскопа возникла в 1920-х годах, когда физики обнаружили волновые свойства электронов. В 1931 году немецкие инженеры Макс Кнолль и Эрнст Руска создали первый двухлинзовый электронный микроскоп. К 1933 году был построен микроскоп, способный получать изображения образцов, а не просто источника электронов.
Ключевые даты в истории электронной микроскопии:
- 1924 год — Луи де Бройль выдвигает гипотезу о волновой природе электронов
- 1926 год — открыто, что магнитные и электростатические поля могут фокусировать электроны
- 1931 год — создан первый двухлинзовый электронный микроскоп
- 1933 год — построен микроскоп, дающий изображение образца
- 1935 год — получено первое сканированное изображение твердой поверхности
- 1940-е годы — начало массового производства электронных микроскопов
Принцип работы электронного микроскопа
Электронный микроскоп использует пучок электронов вместо света для получения увеличенного изображения образца. Основные компоненты электронного микроскопа:
- Источник электронов (электронная пушка)
- Система электромагнитных линз для фокусировки электронного пучка
- Вакуумная камера с образцом
- Детекторы для регистрации взаимодействия электронов с образцом
- Система формирования изображения
Электроны ускоряются до высоких энергий (обычно 50-300 кэВ) и фокусируются электромагнитными линзами в тонкий пучок, который направляется на образец. При взаимодействии электронов с веществом образца возникают различные сигналы, которые регистрируются детекторами и используются для формирования изображения.
Основные типы электронных микроскопов
Существует несколько основных типов электронных микроскопов:
Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)
ПЭМ позволяет получать изображение ультратонких срезов образцов толщиной до 100 нм. Электронный пучок проходит через образец, формируя увеличенное изображение его внутренней структуры. Разрешающая способность современных ПЭМ достигает 0.05 нм.
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
В СЭМ тонко сфокусированный электронный зонд сканирует поверхность образца. Детекторы регистрируют вторичные и отраженные электроны, формируя трехмерное изображение рельефа поверхности с разрешением до 1 нм.
Растровый электронный микроскоп (РЭМ)
РЭМ сочетает принципы ПЭМ и СЭМ, позволяя получать изображения как поверхности, так и внутренней структуры образцов с высоким разрешением. Используется для анализа наноструктур и наноматериалов.
Преимущества электронной микроскопии
Электронная микроскопия имеет ряд важных преимуществ по сравнению с оптической:
- Значительно более высокое разрешение (до 0.05 нм против 200 нм у оптических микроскопов)
- Большая глубина резкости
- Возможность получения 3D изображений поверхности
- Элементный анализ состава образцов
- Исследование кристаллической структуры веществ
Эти преимущества обусловлены использованием электронов вместо фотонов видимого света. Длина волны электронов намного меньше длины волны света, что позволяет достичь атомарного разрешения.
Применение электронных микроскопов
Электронные микроскопы нашли широкое применение в различных областях науки и техники:
- Материаловедение — исследование структуры и свойств материалов
- Нанотехнологии — изучение и создание наноструктур
- Биология и медицина — исследование клеток, вирусов, биомолекул
- Геология — анализ минералов и горных пород
- Криминалистика — исследование улик и вещественных доказательств
- Полупроводниковая промышленность — контроль качества микросхем
Электронная микроскопия позволяет изучать объекты на атомарном и молекулярном уровне, что открывает новые возможности в фундаментальных и прикладных исследованиях.
Ограничения электронной микроскопии
Несмотря на многочисленные преимущества, электронная микроскопия имеет ряд ограничений:
- Необходимость работы в вакууме
- Сложность исследования живых биологических объектов
- Высокая стоимость оборудования
- Потребность в специальной подготовке образцов
- Возможность повреждения образцов электронным пучком
Для преодоления этих ограничений разрабатываются новые методики, такие как криоэлектронная микроскопия для исследования биообъектов и электронная микроскопия в газовой среде.
Современные тенденции развития электронной микроскопии
Основные направления совершенствования электронных микроскопов:
- Повышение разрешающей способности (до уровня отдельных атомов)
- Разработка методов исследования живых объектов
- Создание специализированных микроскопов для конкретных задач
- Интеграция с другими аналитическими методами
- Автоматизация процессов получения и обработки изображений
Развитие электронной микроскопии тесно связано с прогрессом в области физики, материаловедения, нанотехнологий и компьютерных технологий.
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП («Наука и жизнь» № 2, 1934)
Современная наука имеет глубокие корни. Гораздо более глубокие, чем может показаться на первый взгляд. Журнал «Наука и жизнь», основанный в 1890 году и возобновлённый после перерыва в октябре 1934 года, помогает проследить историю развития научно-технической мысли.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.
Рис. 4.
Рис. 5.
Рис. 6.
‹
›
Открыть в полном размере
ВОЛНЫ И ЧАСТИЦЫ
Какой смысл имеет такое сочетание слов — «электронный микроскоп»? Неужели при помощи электронов можно рассмотреть или фотографировать мелкие предметы в увеличенном виде? Эта попытка заменить световые волны электронами вполне естественно вытекает из взглядов современной физики на сходство между распространением волн и потоком летящих частиц*.
КАК БЫЛИ ОТКРЫТЫ ЭЛЕКТРОНЫ
Представление об электронах как отдельных частичках, могущих в пустоте двигаться с большими скоростями, было создано английскими учёными В.
Круксом и Дж. Дж. Томсоном в связи с рядом опытов по прохождению электричества через крайне разреженные газы.
Крукс помещал металлическую пластинку внутри стеклянной трубки, из которой выкачивался газ, и заряжал её до большого напряжения отрицательным электричеством. Если напряжение было достаточно велико, из пластинки во все стороны перпендикулярно к её поверхности начинали исходить какие-то лучи, невидимые глазу, но заставляющие стекло трубки светиться зелёным светом. Обнаружить эти лучи было очень легко, ставя между пластинкой и стеклом какой-нибудь предмет, так как на стекле получалась тень, форма которой ясно указывала, что из пластинки по прямым линиям исходят какие-то лучи, заставляющие стекло светиться (рис. 1).
Чтобы исследовать природу этих лучей, был придуман целый ряд необычайно остроумных опытов, и удалось с полной несомненностью доказать, что эти лучи представляют собой летящие с огромной скоростью частицы электричества, названные электронами.
Как можно управлять движением электронов
На рис. 2 схематично изображена стеклянная трубка, из которой выкачан воздух, снабжённая несколькими электродами, к которым можно подводить электрическое напряжение.
Электрод К (катод) заряжен отрицательно по отношению к пластинке А (анод) настолько сильно, что из него будут вылетать электроны. Обычно катод нагревают до высокой температуры, тогда напряжение между катодом и анодом может быть значительно меньше.
Электроны полетят от электрода к пластинке, и их скорость будет всё время возрастать; если в аноде сделано отверстие, то разогнавшиеся электроны, пролетая через отверстие, будут продолжать лететь с достигнутой скоростью по инерции прямолинейным пучком.
Если вдоль пучка расположить пластинку, покрытую веществом, светящимся от ударов электронов, то этот пучок делается видным в виде узкой светящейся полоски, указывающей путь электронов.
Поставим сверху и снизу от этого пучка летящих электронов две металлические пластинки и зарядим верхнюю пластинку (M) отрицательно, а нижнюю (N) положительно. Тогда электроны, отталкиваясь от верхней и притягиваясь к нижней, изогнут свой путь. Этот изгиб будет вполне похож на изгиб под влиянием силы тяжести струи воды, вытекающей из горизонтальной трубы. Величина изгиба будет зависеть от величины напряжения между пластинками M и N и от скорости электронов. Понятно, чем скорость будет больше, тем изгиб будет меньше и чем напряжение будет больше, тем больше будет и изгиб.
Придавая пластинкам соответствующую форму и меняя напряжение и скорость электронов, получают возможность управлять движением электронов. Надо только точно рассчитать, как эти пластинки будут влиять на полёт электронов. Это довольно трудная задача, но с ней легко может справиться хороший математик. То же отклонение пучка можно сделать при помощи магнитного поля.
ЭЛЕКТРОННАЯ ЛИНЗА
На рис. 3 изображён опыт с электронной линзой, из которого видно, как хорошо удаётся управлять потоком летящих электронов. Из ряда отверстий с левой стороны рисунка выходят несколько расходящихся пучков электронов, дальше они проходят через так называемую электронную линзу, состоящую из заряженных пластинок.
На практике оказывается гораздо удобнее пользоваться не заряженными пластинками, а катушками, создающими магнитное поле. Влияние магнитных сил на полёт электрона несколько сложнее, но, по существу, ничем не отличается от влияния электрических сил, и при помощи магнитного поля соответственно подобранной катушки, по которой проходит электрический ток, можно также построить электронную линзу.
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Получив возможность построить электронную линзу, нетрудно осуществить и сложный электронный микроскоп.
С внешней стороны электронный микроскоп изображён на рис. 4. Назначение отдельных
частей указано на самом рисунке.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА
На рис. 5 представлен снимок, сделанный электронной линзой с нагретого, покрытого окисью катода, испускающего электроны. На снимке видно, что только отдельные части катода испускают электроны. Расположение этих пятен позволяет изучать структуру слоя окиси, что представляет очень большой интерес, так как такие окисные катоды применяются для катодных радиоламп.
На рис. 6 изображён тоновой снимок решётки из тонкой проволоки, причём расстояние между проволочками равно 0,3 мм. Слева — снимок при помощи электронного микроскопа, а справа — снимок при помощи светового микроскопа. Электронный снимок во всяком случае не хуже, чем световой.
Обычный световой микроскоп не может разделить двух точек или чёрточек, если расстояние между ними меньше четверти длины световой волны. Световые волны имеют заметные размеры, и поэтому «разрешающая способность» светового микроскопа достигает не более чем 0,4 µ (мкм, 10–6 м. — Ред.), или 4000 Å (А — ангстрем = 10–8 см). Предел «разрешающей способности» электронного микроскопа ставится длиной волны того волнового процесса, который, согласно воззрениям современной физики, окружает летящий электрон, — длиной «волн материи» Де-Бройля.
Длина волны материи зависит от скорости летящего электрона и будет тем меньше, чем больше скорость электрона. Поэтому, увеличивая скорость электронов, можно сделать «разрешающую способность» электронного микроскопа почти безграничной. Можно подсчитать, по теории Де-Бройля, что при скорости электронов 750 вольт «разрешающая способность» электронного микроскопа уже достигает 22 ангстрем, а при легко достижимой скорости 75 000 вольт она делается около 2 ангстрем, то есть приближается к размерам атома.
Первые электронные микроскопы были построены всего 2—3 года назад (в начале 1930-х годов. — Ред.), но уже сейчас при их помощи можно получать снимки тонких листочков металла, прозрачных для электронов, с увеличением в 7—12 000 раз.
Электронный микроскоп, возможно, сделается скоро таким же обычным прибором, как световой микроскоп, и трудно сейчас представить, сколь интересные результаты могут быть получены при помощи этого прибора.
***
Статья об электронном микроскопе, написанная блестящим популяризатором науки, физиком и педагогом Дмитрием Дмитриевичем Галаниным, была опубликована в «Науке и жизни» 75 лет назад. Автор статьи не ошибся в своих предсказаниях: сейчас электронный микроскоп — вполне обычный научный прибор в арсенале физиков, химиков, биологов, благодаря которому можно увидеть отдельные молекулы и даже атомы. Более того, электронный микроскоп стал важнейшим инструментом нанотехнологий.
Вспомним некоторые важные научные вехи в развитии электронной микроскопии.
1897 год. Джозеф Джон Томсон открывает электрон. Нобелевская премия 1906 года.
1924 год. Луи де Бройль высказывает идею, что движение электрона (и других элементарных частиц) можно представить как распространение волны. Нобелевская премия 1929 года.
1928 год. Джордж Паджет Томсон (сын Дж. Дж. Томсона) обнаруживает дифракцию электронов, экспериментально доказав волновую природу этих частиц. Нобелевская премия 1937 года (совместно с К. Дэвиссоном).
1928 год. Георгий Гамов предлагает теорию туннельного перехода элементарной частицы через энергетический барьер.
1931 год. Немецкий инженер Райнхольд Руденберг патентует просвечивающий электронный микроскоп с электростатической фокусировкой электронов.
1931 год. Эрнст Руска (Нобелевская премия 1986 года) и Макс Кнолль создают прототип просвечивающего электронного микроскопа с фокусировкой магнитными линзами. В 1933 году создан прибор с разрешением выше, чем у светового микроскопа.
1937 год. Манфред фон Арденне изобретает растровый (сканирующий) электронный микроскоп с разрешением выше 100 нм.
1951 год. Чарльз Отли создаёт сканирующий электронный микроскоп с регистрацией вторичных (испускаемых исследуемой поверхностью) электронов с разрешением 50 нм, который к тому же позволяет увидеть трёхмерную структуру поверхности.
1965 год. Начинается промышленное производство электронных микроскопов с разрешением около 10 нм.
1981 год. Герд Биннинг и Генрих Рорер создают электронный туннельный микроскоп (Нобелевская премия 1986 года). В этом приборе электроны могут туннелировать между иглой зонда и поверхностью образца. По величине тока туннелирующих электронов определяют расстояние между образцом и кончиком иглы. Сканируя таким образом образец, получают рельефное изображение поверхности.
Комментарии к статье
* См. статью акад. А. Ф. Иоффе в № 1, 1934 г. (перепечатана в № 10, 2004 г.).
81342-21: Quattro S Микроскоп электронный сканирующий
Назначение
Микроскоп электронный сканирующий Quattro S (далее — микроскоп Quattro S) предназначен для измерений линейных размеров, формы и ориентации наноструктур и микрорельефа поверхностей различных объектов.
Описание
Принцип работы микроскопа Quattro S основан на физических эффектах взаимодействия сфокусированного пучка электронов с поверхностью объекта (образца). Электронный луч непрерывно сканирует тот участок поверхности объекта, изображение которого формируется микроскопом. При этом каждая точка поверхности объекта, в границах поля зрения микроскопа, отображается соответствующей точкой на формируемом изображении. При взаимодействии электронного луча с поверхностью объекта единовременно возникает сразу несколько сигналов и формируется конкретное изображение в зависимости от того, какой детектор сигнала в данный момент включен.
Микроскоп Quattro S измеряет длину проекции геометрических расстояний на горизонтальную плоскость, т.е. расстояние между соответствующими точками на плоской и горизонтально ориентированной поверхности объекта, позволяет получать увеличенное изображение различных образцов, достигая увеличения до 1000000 крат.
Микроскоп Quattro S представляет собой стационарный лабораторный прибор, состоящий из основной консоли, включающей электронно-оптическую колонну с источником электронов и систему линз; вакуумной системы; вакуумной камеры для образцов с установленным пятиосевым моторизированным столиком для перемещения образцов; блока электроники, включающего модули сканирования и обнаружения, и управляющего (серверного) компьютера со специализированным программным обеспечением xT и операционной средой Windows 7. Опционально можно установить дополнительный компьютер с ЖК-монитором, который либо используется как расширенный рабочий стол основного управляющего компьютера, либо как дополнительный компьютер с другими программными утилитами.
Источником электронов высокой энергии является электронная колонна с высокостабильным полевым источником типа Шоттки.
Микроскоп Quattro S работает в трех операционных вакуумных режимах: высокого вакуума (HiVac), низкого вакуума (LoVac) и сверхнизкого вакуума естественной влажной/газовой среды (ESEM). Вакуумная система микроскопа Quattro S полностью автоматизирована.
Вакуумная аналитическая камера микроскопа Quattro S поддерживает одновременное размещение следующих детекторов, позволяющих получать электронно-микроскопические изображения: детектор вторичных электронов (SED) и детектор обратно-рассеянных электронов (BSED).
Предметный столик камеры образцов моторизирован по 5 осям (X, Y, Z, наклон и вращение) с углом наклона от минус 15° до 90° и вращением вокруг оси сканирования на 360°.
Все движения предметного столика задаются и контролируются программным обеспечением микроскопа Quattro S. Исследуемые образцы устанавливают в вакуумную камеру с помощью держателей: держателя для одного образца, который крепится непосредственно к предметному столику, и универсальных держателей для нескольких образцов.
Управление всеми системами микроскопа Quattro S, контроль его состояния, настройка и обработка данных измерений осуществляются с помощью мыши и клавиатуры основного управляющего компьютера со специализированным программным обеспечением, подключаемым к блоку электроники. Все данные и изображения могут быть выведены на ЖК-монитор управляющего компьютера, сохранены в компьютере или выведены на USB-накопитель при задании в программном обеспечении системы микроскопа Quattro S соответствующей команды.
Общий вид микроскопа Quattro S представлен на рисунке 1.
Пломбирование микроскопа Quattro S не предусмотрено.
Знак поверки наносится на свидетельство о поверке в виде клейма.
Программное обеспечение
Программное обеспечение микроскопа Quattro S xT работает в операционной системе Windows 7, со следующими функциональными возможностями каждой части пользовательского интерфейса:
— xT Microscope Server (Сервер управления): запускает и останавливает основные функции микроскопа Quattro S;
— Microscope Control (User Interface (UI)) (Интерфейс пользователя): контролирует все системные функции, включая визуализацию, сбор, вывод изображений и видео; обнаружение,
анализ, измерение и обработку данных измерений; сканирование, увеличение, навигацию по столику, давлению в камере и колонне и т.д.;
— Account Manager (Менеджер учетных записей): настраивает доступ пользователей к операционной системе Windows 7 и пользовательскому интерфейсу Microscope Control.
Конструкция микроскопа Quattro S исключает возможность несанкционированного влияния на метрологически значимую часть программного обеспечения и измерительную информацию посредством ограничения прав учетной записи пользователя. Для программного обеспечения микроскопа Quattro S предусмотрено 2 уровня доступа: пользовательский и сервисный.
Идентификационные данные программного обеспечения микроскопа Quattro S приведены в таблице 1.
Уровень защиты программного обеспечения микроскопа Quattro S «средний» в соответствии с Р 50.2.077-2014.
Влияние ПО учтено изготовителем при нормировании метрологических характеристик микроскопа Quattro S.
Таблица 1 — Идентификационные данные программного обеспечения (ПО)
|
Идентификационные данные (признаки) |
Значение |
|
Идентификационное наименование ПО |
xT |
|
Номер версии (идентификационный номер) ПО |
не ниже 15.2.2 |
|
Цифровой идентификатор ПО |
— |
|
Идентификационное наименование основного модуля интерфейса ПО (сервер управления) |
xT Microscope Server |
|
Идентификационное наименование модуля пользовательского интерфейса ПО |
Microscope Control (User Interface (UI)) |
Технические характеристики
Таблица 2 — Метрологические характеристики
|
Наименование характеристики |
Значение |
|
Диапазон измерений линейных размеров — при низком вакууме и сверхнизком вакууме естественной среды |
от 300 нм до 2 мкм |
|
— при высоком вакууме |
от 300 нм до 1 мм |
|
Пределы допускаемой относительной погрешности измерений линейных размеров, % |
±3 |
|
Разрешение (при оптимальном рабочем расстоянии в зависимости от вакуумного режима и типа детектора), нм, не более: — высокий вакуум в камере, детектор вторичных электронов, ускоряющее напряжение 30 кВ |
1,0 |
|
— высокий вакуум в камере, детектор вторичных электронов, ускоряющее напряжение 1 кВ |
3,0 |
|
— низкий вакуум и сверхнизкий вакуум естественной среды в камере, детектор вторичных электронов, ускоряющее напряжение 30 кВ |
1,3 |
|
— низкий вакуум в камере, детектор вторичных электронов, ускоряющее напряжение 3 кВ |
3,0 |
Таблица 3 — Основные технические характеристики
|
Наименование характеристики |
Значение |
|
Диапазон показаний линейных размеров — при низком вакууме и сверхнизком вакууме естественной среды — при высоком вакууме |
от 10 нм до 500 мкм от 10 нм до 4 мм |
|
Наименование характеристики |
Значение |
|
Диапазон регулирования увеличения, крат |
от 29 до 1000000 |
|
Давление в камере (в зависимости от вакуумного режима), Па: -высокий вакуум -низкий вакуум -сверхнизкий вакуум естественной влажной/газовой среды |
менее 6 • 10-4 от 10 до 200 от 10 до 4000 при использовании азота; от 10 до 2600 при использовании паров воды |
|
Ускоряющее напряжение электронно-оптической колонны, кВ |
от 0,2 до 30 |
|
Ток пучка, А |
от 1-10-12 до 4,5 • 10-8 |
|
Параметры электрического питания: — питающее напряжение, В — частота, Гц |
230±23 50±1 |
|
Габаритные размеры, мм, не более: — длина — ширина — высота |
1368 890 1768 |
|
Масса, кг, не более |
1233 |
|
Условия эксплуатации: — температура окружающего воздуха, °C — относительная влажность воздуха, %, не более |
от +17 до +23 80 |
|
Средний срок службы, лет, не менее |
10 |
Знак утверждения типа
наносится на титульный лист «Руководства по эксплуатации» типографским способом или в виде наклейки.
Комплектность
Таблица 4_
|
Наименование |
Обозначение |
Количество |
|
Микроскоп электронный сканирующий |
Quattro S |
1 шт. |
|
Руководство по эксплуатации, включающее Руководство пользователя программного обеспечения |
1 шт. | |
|
Методика поверки |
МП 94-223-2020 |
1 экз. |
Сведения о методах измерений
приведены в главе 5 «Выполнение работ» эксплуатационного документа «Микроскоп электронный сканирующий Quattro S. Руководство по эксплуатации».
Нормативные документы, устанавливающие требования к микроскопу электронному сканирующему Quattro S
Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 декабря 2018 г. № 2840 «Об утверждении Государственной поверочной схемы для средств измерений длины в диапазоне от 110-9 до 100 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм».
Электронный микроскоп | инструмент | Британика
тунеядство
Смотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Эрнст Руска Кит Робертс Портер Аарон Клуг Хью Эсмор Хаксли
- Похожие темы:
- сканирующий туннельный микроскоп просвечивающий электронный микроскоп экологический сканирующий электронный микроскоп сканирующий электронный микроскоп автоэмиссионный микроскоп
См. все сопутствующие материалы →
электронный микроскоп , микроскоп с чрезвычайно высоким разрешением, использующий электронный луч вместо луча света для освещения объекта исследования.
История
Фундаментальные исследования, проведенные многими физиками в первой четверти 20-го века, показали, что катодные лучи (то есть электроны) можно каким-то образом использовать для увеличения разрешения микроскопа. Французский физик Луи де Бройль в 1924 открыл путь, выдвинув предположение, что электронные пучки можно рассматривать как форму волнового движения. Де Бройль вывел формулу для их длины волны, которая показала, что, например, для электронов, ускоренных на 60 000 вольт (или 60 киловольт [k]), эффективная длина волны будет равна 0,05 ангстрема (Å), т. е. 1/100 000 длины волны зеленого цвета. свет. Если бы такие волны можно было использовать в микроскопе, то это привело бы к значительному увеличению разрешения. В 1926 г. было продемонстрировано, что магнитные или электростатические поля могут служить линзами для электронов или других заряженных частиц. Это открытие положило начало изучению электронной оптики, и к 1931 Немецкие инженеры-электрики Макс Кнолль и Эрнст Руска изобрели двухлинзовый электронный микроскоп, который давал изображения источника электронов. В 1933 г. был построен примитивный электронный микроскоп, который отображал образец, а не источник электронов, а в 1935 г. Нолл получил отсканированное изображение твердой поверхности. Вскоре разрешение оптического микроскопа было превзойдено.
Еще из Britannica
Металлургия: Электронная микроскопия
Немецкий физик Манфред, фрейхерр (барон) фон Арденн и британский инженер-электронщик Чарльз Оутли заложили основы просвечивающей электронной микроскопии (в которой электронный пучок проходит через образец) и сканирующей электронной микроскопии (в которой электронный пучок выбрасывается из образца). другие электроны, которые затем анализируются), которые наиболее заметны в книге Арденна 9.0033 Электронная микроскопия (1940). Дальнейший прогресс в конструкции электронных микроскопов задержался во время Второй мировой войны, но получил толчок в 1946 г. с изобретением стигматора, компенсирующего астигматизм объектива, после чего производство стало более массовым.
Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) позволяет получать изображения образцов толщиной до 1 микрометра. Высоковольтные электронные микроскопы похожи на ПЭМ, но работают при гораздо более высоких напряжениях. Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), в котором пучок электронов сканирует поверхность твердого объекта, используется для построения изображения деталей структуры поверхности. Сканирующий электронный микроскоп окружающей среды (ESEM) может генерировать сканированное изображение образца в атмосфере, в отличие от SEM, и подходит для изучения влажных образцов, включая некоторые живые организмы.
Комбинации методов привели к появлению сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM), который сочетает в себе методы TEM и SEM, и электронно-зондового микроанализатора или микрозондового анализатора, который позволяет проводить химический анализ состава материалов использование падающего электронного луча для возбуждения испускания характеристического рентгеновского излучения химическими элементами в образце. Эти рентгеновские лучи обнаруживаются и анализируются спектрометрами, встроенными в прибор. Микрозондовые анализаторы способны генерировать электронно-сканированное изображение, так что структуру и состав можно легко сопоставить.
Другим типом электронного микроскопа является автоэмиссионный микроскоп, в котором сильное электрическое поле используется для вытягивания электронов из проволоки, закрепленной в электронно-лучевой трубке.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подписаться сейчас
Принципы работы
Хотя в принципе между оптическим и электронным микроскопами есть сходство, на практике они сильно различаются. Обычный электронный микроскоп требует, чтобы электронный пучок находился в вакууме, потому что электроны обычно не могут перемещаться на заметное расстояние в воздухе при атмосферном давлении. Колонка электронного микроскопа откачивается насосами, а образцы и другая необходимая аппаратура вводятся в вакуум с помощью воздушных шлюзов. В отличие от оптического микроскопа, в котором линзы имеют фиксированный фокус и расстояние между образцом и объективом варьируется, электронный микроскоп имеет линзы с переменным фокусом, а расстояние между образцом и объективом и расстояние между линзами остаются постоянными. Увеличение определяется в основном величиной тока (для магнитных линз) через промежуточную и проекционную катушки линз. Изображение фокусируется изменением тока через катушку объектива. Еще одно отличие состоит в том, что оптический микроскоп обычно работает так, что изображение является виртуальным, тогда как в электронном микроскопе конечное изображение неизменно реально и визуализируется на флуоресцентном экране или записывается для изучения на фотопластинку в традиционных приборах или— чаще в сегодняшней лаборатории — на системе цифровой обработки изображений.
В оптическом микроскопе изображение формируется за счет поглощения света образцом; в электронном микроскопе изображение возникает в результате рассеяния электронов атомами в образце. Тяжелый атом более эффективен в рассеянии, чем атом с низким атомным номером, а присутствие тяжелых атомов увеличивает контрастность изображения. Для этой цели электронный микроскоп может включить в образец более тяжелые атомы.
В ранних микроскопах использовались электростатические линзы, но в современных приборах используются электромагнитные линзы. Они состоят из соленоида из проволоки вместе с магнитным полюсом, который создает и концентрирует магнитное поле. Линзы, используемые для конденсорно-проекционной системы микроскопа, отличаются от линз объектива только в деталях. Например, производственные и рабочие допуски для конденсора или объектива проектора менее требовательны, чем для объектива.
Усилия по улучшению разрешающей способности электронного микроскопа привели к созданию однопольного конденсорно-объективного объектива с малыми аберрациями. В таком объективе верхняя часть выступает в роли конденсора, а нижняя — в роли объектива; образец помещается в центр линзы, где аксиальное магнитное поле (поле вдоль оси прибора) максимально.
Все электронные линзы демонстрируют сферическую аберрацию, дисторсию, кому, астигматизм, кривизну поля и хроматическую аберрацию из-за различий в длинах волн электронного луча. Такие изменения скорости электронов могут быть связаны либо с изменением подачи высокого напряжения на электронную пушку, либо с потерями энергии при столкновениях электронов с атомами в образце. Первый эффект можно свести к минимуму тщательной стабилизацией высоковольтного источника питания; а для очень тонких образцов и обычно используемых высоких энергий электронов вторым эффектом обычно можно пренебречь. В конечном итоге разрешающая способность микроскопа ограничена сферической аберрацией объектива. Эту аберрацию невозможно исправить, добавив вторую линзу с противоположными характеристиками, как это можно сделать для оптического микроскопа, потому что магнитоэлектронные линзы всегда сходятся. Компьютерное проектирование линз привело к значительному улучшению характеристик, но электронные линзы по-прежнему требуют гораздо меньших числовых апертур, чем оптические линзы, для оптимальной работы.
Астигматизм в электронном микроскопе в значительной степени обусловлен отклонениями от цилиндрической симметрии в радиальных компонентах магнитного поля объектива и является результатом несовершенства конструкции объектива. Взаимодействие электронного луча с молекулами остаточного газа в столбе может также приводить к отложениям вдоль пути луча, которые заряжаются под действием луча и вносят асимметрию. Астигматизм обычно можно полностью исправить с помощью стигматоров, прикрепленных к объективу.
Сэвил Брэдбери Дэвид С. Джой Брайан Дж. Форд Электронный микроскоп— определение, принцип, типы, применение, маркированная схема
