Elektrónová mikroskopia. Typy mikroskopov: popis, hlavné charakteristiky, účel. Ako sa líši elektrónový mikroskop od svetelného mikroskopu? Elektrónový mikroskop

Pojem "mikroskop" má grécke korene. Skladá sa z dvoch slov, ktoré v preklade znamenajú „malý“ a „vzhľad“. Hlavnou úlohou mikroskopu je jeho využitie pri skúmaní veľmi malých predmetov. Toto zariadenie zároveň umožňuje určiť veľkosť a tvar, štruktúru a ďalšie vlastnosti tiel neviditeľných voľným okom.

História stvorenia

Neexistujú presné informácie o tom, kto bol v histórii vynálezcom mikroskopu. Podľa niektorých zdrojov ho v roku 1590 navrhli otec a syn Janssena, majstra vo výrobe okuliarov. Ďalším uchádzačom o titul vynálezca mikroskopu je Galileo Galilei. V roku 1609 títo vedci predstavili zariadenie s konkávnymi a konvexnými šošovkami na verejné prezeranie v Accademia dei Lincei.

V priebehu rokov sa systém na prezeranie mikroskopických objektov vyvíjal a zlepšoval. Obrovským krokom v jeho histórii bol vynález jednoduchého achromaticky nastaviteľného dvojšošovkového zariadenia. Tento systém zaviedol Holanďan Christian Huygens koncom 17. storočia. Okuláre tohto vynálezcu sa dodnes vyrábajú. Ich jedinou nevýhodou je nedostatočná šírka zorného poľa. Navyše v porovnaní s dizajnom moderných zariadení majú okuláre Huygens nepohodlnú polohu pre oči.

Anton van Leeuwenhoek (1632-1723), výrobca takýchto nástrojov, sa osobitne zapísal do histórie mikroskopu. Práve on na toto zariadenie upozornil biológov. Leeuwenhoek vyrábal malé produkty vybavené jednou, ale veľmi silnou šošovkou. Bolo nepohodlné používať takéto zariadenia, ale nezdvojnásobili obrazové chyby, ktoré boli prítomné v zložených mikroskopoch. Tento nedostatok sa vynálezcom podarilo napraviť až po 150 rokoch. Spolu s vývojom optiky sa zlepšila kvalita obrazu v kompozitných zariadeniach.

Zdokonaľovanie mikroskopov pokračuje dodnes. V roku 2006 teda nemeckí vedci pracujúci v Ústave biofyzikálnej chémie Mariano Bossi a Stefan Hell vyvinuli najnovší optický mikroskop. Vďaka schopnosti pozorovať objekty s rozmermi 10 nm a trojrozmerným kvalitným 3D obrazom bolo zariadenie nazvané nanoskop.

Klasifikácia mikroskopu

V súčasnosti existuje široká škála nástrojov určených na skúmanie malých predmetov. Ich zoskupenie je založené na rôznych parametroch. Môže to byť účel mikroskopu alebo použitá metóda osvetlenia, štruktúra použitá na optický dizajn atď.

Ale spravidla sú hlavné typy mikroskopov klasifikované podľa rozlíšenia mikročastíc, ktoré je možné vidieť pomocou tohto systému. Podľa tohto rozdelenia sú mikroskopy:
- optické (svetlo);
- elektronický;
- röntgen;
- skenovacie sondy.

Najpoužívanejšie mikroskopy sú svetelného typu. Ich široký výber je dostupný v predajniach s optikou. Pomocou takýchto zariadení sa riešia hlavné úlohy štúdia objektu. Všetky ostatné typy mikroskopov sú klasifikované ako špecializované. Zvyčajne sa používajú v laboratóriu.

Každý z vyššie uvedených typov zariadení má svoj vlastný poddruh, ktorý sa používa v určitej oblasti. Okrem toho je dnes možné zakúpiť si školský mikroskop (alebo vzdelávací), čo je entry-level systém. Ponúkané spotrebiteľom a profesionálnym zariadeniam.

Aplikácia

Na čo slúži mikroskop? Ľudské oko, ktoré je špeciálnym optickým systémom biologického typu, má určitú úroveň rozlíšenia. Inými slovami, medzi pozorovanými objektmi je najmenšia vzdialenosť, keď sa dajú ešte rozlíšiť. Pre bežné oko je toto rozlíšenie v rozsahu 0,176 mm. Ale rozmery väčšiny živočíšnych a rastlinných buniek, mikroorganizmov, kryštálov, mikroštruktúra zliatin, kovov atď. sú oveľa menšie ako táto hodnota. Ako študovať a pozorovať takéto objekty? Práve tu prichádzajú na pomoc ľuďom rôzne druhy mikroskopov. Napríklad zariadenia optického typu umožňujú rozlíšiť štruktúry, v ktorých je vzdialenosť medzi prvkami aspoň 0,20 μm.

Ako sa vyrába mikroskop?

Prístroj, pomocou ktorého sa ľudskému oku sprístupňuje skúmanie mikroskopických predmetov, má dva hlavné prvky. Sú to šošovka a okulár. Tieto časti mikroskopu sú upevnené v pohyblivej trubici umiestnenej na kovovej základni. Má tiež tabuľku objektov.

Moderné typy mikroskopov sú zvyčajne vybavené osvetľovacím systémom. Ide najmä o kondenzátor s irisovou clonou. Povinnou sadou zväčšovacích zariadení sú mikro a makro skrutky, ktoré slúžia na nastavenie ostrosti. Konštrukcia mikroskopov tiež počíta s prítomnosťou systému, ktorý riadi polohu kondenzátora.

V špecializovaných, zložitejších mikroskopoch sa často používajú ďalšie prídavné systémy a zariadenia.

Objektívy

Popis mikroskopu by som začal príbehom o jednej z jeho hlavných častí, teda o šošovke. Ide o komplexný optický systém, ktorý zväčšuje veľkosť predmetného objektu v rovine obrazu. Dizajn šošoviek zahŕňa celý systém nielen jednotlivých šošoviek, ale aj šošoviek lepených po dvoch alebo troch kusoch.

Zložitosť takéhoto opticko-mechanického dizajnu závisí od rozsahu úloh, ktoré musí vyriešiť jedno alebo druhé zariadenie. Napríklad v najkomplexnejšom mikroskope je k dispozícii až štrnásť šošoviek.

Objektív sa skladá z prednej časti a systémov, ktoré na ňu nadväzujú. Čo je základom budovania imidžu požadovanej kvality, ako aj určovania prevádzkového stavu? Ide o prednú šošovku alebo ich systém. Na poskytnutie požadovaného zväčšenia sú potrebné ďalšie časti šošovky, ohnisková vzdialenosť a kvalitu obrazu. Implementácia takýchto funkcií je však možná len v kombinácii s prednou šošovkou. Za zmienku stojí, že dizajn ďalšej časti ovplyvňuje dĺžku tubusu a výšku šošovky prístroja.

Okuláre

Tieto časti mikroskopu sú optickým systémom určeným na vytvorenie potrebného mikroskopického obrazu na povrchu sietnice očí pozorovateľa. Okuláre obsahujú dve skupiny šošoviek. Najbližšie k oku výskumníka sa nazýva oko a najvzdialenejšie pole (šošovka s jeho pomocou vytvára obraz skúmaného objektu).

Systém osvetlenia

Mikroskop má zložitú konštrukciu membrán, zrkadiel a šošoviek. S jeho pomocou je zabezpečené rovnomerné osvetlenie skúmaného objektu. V úplne prvých mikroskopoch sa táto funkcia vykonávala, keď sa optické prístroje zdokonaľovali, začali používať najskôr ploché a potom konkávne zrkadlá.

Pomocou takýchto jednoduchých detailov smerovali lúče zo slnka alebo lámp na predmet štúdia. V moderných mikroskopoch dokonalejšie. Skladá sa z kondenzátora a kolektora.

Predmetová tabuľka

Mikroskopické prípravky vyžadujúce štúdium sú umiestnené na rovnom povrchu. Toto je tabuľka predmetov. Rôzne typy mikroskopov môžu mať tento povrch riešený tak, že sa objekt skúmania zmení na pozorovateľa horizontálne, vertikálne alebo pod určitým uhlom.

Princíp fungovania

V prvom optickom zariadení systém šošoviek poskytoval inverzný obraz mikroobjektov. To umožnilo vidieť štruktúru hmoty a najmenšie detaily, ktoré mali byť študované. Princíp činnosti svetelného mikroskopu je dnes podobný práci, ktorú vykonáva refraktorový ďalekohľad. V tomto zariadení sa svetlo pri prechode cez sklenenú časť láme.

Ako zväčšujú moderné svetelné mikroskopy? Po vstupe lúča svetelných lúčov do zariadenia sa tieto premenia na paralelný prúd. Až potom dochádza k lomu svetla v okulári, vďaka ktorému sa zväčšuje obraz mikroskopických predmetov. Ďalej tieto informácie prichádzajú vo forme potrebnej pre pozorovateľa v jeho

Poddruhy svetelných mikroskopov

Moderná klasifikácia:

1. Podľa triedy zložitosti pre výskumný, pracovný a školský mikroskop.
2. Podľa oblasti použitia pre chirurgické, biologické a technické.
3. Podľa druhov mikroskopie pre odrazené a prechádzajúce svetlo, fázový kontakt, luminiscenčné a polarizačné zariadenia.
4. V smere svetelného toku na obrátený a priamy.

Elektrónové mikroskopy

Postupom času bol prístroj určený na skúmanie mikroskopických predmetov čoraz dokonalejší. Objavili sa také typy mikroskopov, v ktorých sa používal úplne iný princíp činnosti, nezávislý od lomu svetla. V procese používania najnovších typov zariadení boli zapojené elektróny. Takéto systémy umožňujú vidieť jednotlivé časti hmoty tak malé, že svetelné lúče okolo nich jednoducho prúdia.

Na čo slúži elektrónový mikroskop? Používa sa na štúdium štruktúry buniek na molekulárnej a subcelulárnej úrovni. Podobné zariadenia sa tiež používajú na štúdium vírusov.

Zariadenie elektrónových mikroskopov

Čo je základom fungovania najnovších prístrojov na pozorovanie mikroskopických objektov? Ako sa líši elektrónový mikroskop od svetelného mikroskopu? Sú medzi nimi nejaké podobnosti?

Princíp činnosti elektrónového mikroskopu je založený na vlastnostiach elektrických a magnetických polí. Ich rotačná symetria je schopná mať zaostrovací efekt na elektrónové lúče. Na základe toho môžeme odpovedať na otázku: "Ako sa líši elektrónový mikroskop od svetelného mikroskopu?" Na rozdiel od optického zariadenia v ňom nie sú žiadne šošovky. Ich úlohu zohrávajú vhodne vypočítané magnetické a elektrické polia. Sú tvorené závitmi cievok, ktorými prechádza prúd. V tomto prípade takéto polia pôsobia podobne.Keď sa prúd zvyšuje alebo znižuje, ohnisková vzdialenosť zariadenia sa mení.

Pokiaľ ide o schému zapojenia, pre elektrónový mikroskop je podobná schéme svetelného zariadenia. Jediný rozdiel je v tom, že optické prvky sú nahradené podobnými elektrickými.

Zväčšenie objektu v elektrónových mikroskopoch nastáva v dôsledku procesu lomu lúča svetla prechádzajúceho cez skúmaný objekt. Pod rôznymi uhlami vstupujú lúče do roviny šošovky objektívu, kde dochádza k prvému zväčšeniu vzorky. Potom elektróny prejdú k medzišošovke. V ňom dochádza k plynulej zmene nárastu veľkosti objektu. Konečný obraz študovaného materiálu dáva projekčná šošovka. Z nej obraz padá na fluorescenčnú obrazovku.

Typy elektrónových mikroskopov

Medzi moderné druhy patria:

1. TEM alebo transmisný elektrónový mikroskop. V tejto zostave vzniká obraz veľmi tenkého objektu s hrúbkou do 0,1 µm interakciou elektrónového lúča so skúmanou látkou a jeho následným zväčšením magnetickými šošovkami umiestnenými v objektíve.
2. SEM alebo rastrovací elektrónový mikroskop. Takéto zariadenie umožňuje získať obraz povrchu objektu s vysokým rozlíšením rádovo niekoľkých nanometrov. Pri použití dodatočných metód takýto mikroskop poskytuje informácie, ktoré pomáhajú určiť chemické zloženie povrchové vrstvy.
3. Tunelový skenovací elektrónový mikroskop alebo STM. Pomocou tohto prístroja sa meria reliéf vodivých povrchov s vysokým priestorovým rozlíšením. V procese práce s STM sa k skúmanému objektu privádza ostrá kovová ihla. Zároveň je zachovaná vzdialenosť len niekoľkých angstromov. Ďalej sa na ihlu aplikuje malý potenciál, vďaka čomu vzniká tunelový prúd. V tomto prípade pozorovateľ dostane trojrozmerný obraz skúmaného objektu.

Mikroskopy Leeuwenhoek

V roku 2002 sa v Amerike objavila nová spoločnosť vyrábajúca optické prístroje. Jej sortiment zahŕňa mikroskopy, teleskopy a ďalekohľady. Všetky tieto zariadenia sa vyznačujú vysokou kvalitou obrazu.

Hlavné sídlo a vývojové oddelenie spoločnosti sa nachádza v USA, v meste Fremond (Kalifornia). Ale čo sa týka výrobných zariadení, tie sa nachádzajú v Číne. Vďaka tomu všetkému spoločnosť dodáva na trh pokrokové a kvalitné produkty za dostupnú cenu.

Potrebujete mikroskop? Levenhuk navrhne požadovanú možnosť. Sortiment optických zariadení spoločnosti zahŕňa digitálne a biologické prístroje na zväčšovanie skúmaného objektu. Okrem toho sú kupujúcemu ponúkané a dizajnérske modely, vykonávané v rôznych farbách.

Mikroskop Levenhuk má rozsiahle funkčnosť. Napríklad školiace zariadenie základnej úrovne môže byť pripojené k počítaču a je tiež schopné zachytiť video z prebiehajúceho výskumu. Levenhuk D2L je vybavený touto funkciou.

Spoločnosť ponúka biologické mikroskopy rôznych úrovní. Ide o jednoduchšie modely a nové položky, ktoré budú vyhovovať profesionálom.

Ako funguje elektrónový mikroskop? Aký je jeho rozdiel od optického mikroskopu, existuje medzi nimi nejaká analógia?

Prevádzka elektrónového mikroskopu je založená na vlastnosti nehomogénnych elektrických a magnetických polí, ktoré majú rotačnú symetriu, pôsobiť zaostrovacím efektom na elektrónové lúče. Úlohu šošoviek v elektrónovom mikroskope teda zohráva súbor vhodne vypočítaných elektrických a magnetických polí; zodpovedajúce zariadenia, ktoré vytvárajú tieto polia, sa nazývajú "elektronické šošovky".

V závislosti od typu elektronických šošoviek elektrónové mikroskopy sa delia na magnetické, elektrostatické a kombinované.

Aké predmety možno skúmať elektrónovým mikroskopom?

Rovnako ako v prípade optického mikroskopu, predmety môžu byť po prvé "samosvietiace", t.j. slúžiť ako zdroj elektrónov. Ide napríklad o žeravú katódu alebo osvetlenú fotoelektrónovú katódu. Po druhé, môžu sa použiť objekty, ktoré sú "priehľadné" pre elektróny s určitou rýchlosťou. Inými slovami, pri prevádzke v prenose musia byť objekty dostatočne tenké a elektróny dostatočne rýchle na to, aby prešli cez objekty a dostali sa do systému elektronických šošoviek. Okrem toho pomocou odrazených elektrónových lúčov možno študovať povrchy masívnych predmetov (hlavne kovov a metalizovaných vzoriek). Táto metóda pozorovania je podobná metódam reflexnej optickej mikroskopie.

Podľa charakteru štúdia objektov sa elektrónové mikroskopy delia na transmisné, reflexné, emisné, rastrové, tieňové a zrkadlové.

Najrozšírenejšie sú v súčasnosti elektromagnetické mikroskopy transmisného typu, v ktorých obraz vytvárajú elektróny prechádzajúce objektom pozorovania. Pozostáva z nasledujúcich hlavných komponentov: osvetľovací systém, objektová kamera, zaostrovací systém a jednotka na registráciu finálneho obrazu pozostávajúca z kamery a fluorescenčnej obrazovky. Všetky tieto uzly sú navzájom spojené a tvoria takzvaný mikroskopický stĺpec, v ktorom je udržiavaný tlak. Osvetľovacia sústava sa zvyčajne skladá z trojelektródového elektrónového dela (katóda, zaostrovacia elektróda, anóda) a kondenzorovej šošovky (hovoríme o elektronických šošovkách). Vytvára zväzok rýchlych elektrónov požadovaného prierezu a intenzity a smeruje ho na skúmaný objekt nachádzajúci sa v objektovej komore. Elektrónový lúč prechádzajúci objektom vstupuje do zaostrovacieho (projekčného) systému, ktorý pozostáva zo šošovky objektívu a jednej alebo viacerých projekčných šošoviek.

Začíname publikovať blog podnikateľa, špecialistu na informačné technológie a amatérskeho dizajnéra Alexeja Bragina na čiastočný úväzok, ktorý rozpráva o nevšednom zážitku - už rok je autor blogu zaneprázdnený reštaurovaním zložitého vedeckého vybavenia - skenovaním elektrónový mikroskop - prakticky doma. Prečítajte si, akým technickým, technickým a vedeckým výzvam musel Alexey čeliť a ako sa s nimi vyrovnal.

Priateľ mi zavolal a povedal: našiel zaujímavá vec, je potrebné priviezť k vám, váži však pol tony. Tak som si v garáži zaobstaral stĺpec zo skenovacieho elektrónového mikroskopu JEOL JSM-50A. Z nejakého výskumného ústavu ju už dávno vyradili a odviezli do starého železa. Elektronika sa stratila, ale elektrónovo-optický stĺp spolu s vákuovou časťou sa podarilo zachrániť.

Keďže hlavná časť zariadenia bola zachovaná, vyvstala otázka: je možné celý mikroskop zachrániť, teda obnoviť a uviesť do prevádzkyschopného stavu? A to priamo v garáži, vlastnými rukami, len za pomoci základných inžinierskych a technických znalostí a improvizovaných prostriedkov? Je pravda, že som sa nikdy predtým nezaoberal takým vedeckým vybavením, nehovoriac o tom, že som ho mohol používať, a nemal som ani potuchy, ako to funguje. Je však zaujímavé, že nielen uviesť starý kus železa do prevádzkyschopného stavu - je zaujímavé prísť na všetko sami a skontrolovať, či je možné použiť vedecká metóda, preskúmajte úplne nové oblasti. Tak som začal v garáži reštaurovať elektrónový mikroskop.

V tomto blogu vám porozprávam o tom, čo sa mi už podarilo a čo ešte treba urobiť. Popri tom vás zoznámim s princípmi fungovania elektrónových mikroskopov a ich hlavnými komponentmi, ako aj o mnohých technických prekážkach, ktoré bolo treba pri práci prekonať. Tak poďme na to.

Na obnovenie mikroskopu, ktorý som mal aspoň do stavu „kreslenia elektrónovým lúčom na luminiscenčnom plátne“, bolo potrebné:

Začnime po poriadku. Dnes budem hovoriť o princípoch fungovania elektrónových mikroskopov. Sú dvoch typov:

Transmisný elektrónový mikroskop

TEM je veľmi podobný bežnému optickému mikroskopu, len skúmaná vzorka nie je ožarovaná svetlom (fotónmi), ale elektrónmi. Vlnová dĺžka elektrónového lúča je oveľa menšia ako vlnová dĺžka fotónového lúča, takže možno dosiahnuť oveľa vyššie rozlíšenie.

Elektrónový lúč je zaostrený a riadený elektromagnetickými alebo elektrostatickými šošovkami. Majú dokonca rovnaké skreslenia (chromatické aberácie) ako optické šošovky, hoci povaha fyzickej interakcie je tu úplne iná. Mimochodom, pridáva aj nové skreslenia (spôsobené krútením elektrónov v šošovke pozdĺž osi elektrónového lúča, čo sa pri fotónoch v optickom mikroskope nestáva).

TEM má nevýhody: vzorky, ktoré sa majú študovať, musia byť veľmi tenké, tenšie ako 1 mikrón, čo nie je vždy vhodné, najmä pri práci doma. Ak chcete napríklad vidieť vlasy cez svetlo, musíte ich ostrihať aspoň v 50 vrstvách. Je to spôsobené tým, že penetračná sila elektrónového lúča je oveľa horšia ako fotónového. Okrem toho je TEM až na zriedkavé výnimky dosť ťažkopádne. Tento prístroj, zobrazený nižšie, sa nezdá byť taký veľký (hoci je vyšší ako človek a má pevný liatinový rám), ale je dodávaný aj s napájacou jednotkou veľkosti veľkej skrinky - celkovo , je potrebná takmer celá miestnosť.

Univerzita v Calgary

Napríklad chrípka H1N1 vyzerá „cez svetlo“:

Univerzita v Calgary

Rastrovací elektrónový mikroskop

SEM sa používa hlavne na štúdium povrchu vzoriek s veľmi vysokým rozlíšením (miliónnásobné zväčšenie oproti 2 000 pre optické mikroskopy). A to je v domácnosti oveľa užitočnejšie :)

Napríklad takto vyzerá jedna štetinka novej zubnej kefky:

To isté by sa malo diať v elektrónovo-optickom stĺpci mikroskopu, len tu sa ožaruje vzorka a nie luminofor obrazovky a obraz vzniká na základe informácií zo senzorov, ktoré zaznamenávajú sekundárne elektróny, elasticky odrazené elektróny a pod. na. Práve o tomto type elektrónového mikroskopu bude reč v tomto blogu.

Kineskop televízora aj elektrónovo-optický stĺpec mikroskopu fungujú iba vo vákuu. Ale o tom budem podrobne hovoriť v nasledujúcom čísle.

(Pokračovanie nabudúce)

ELEKTRONICKÝ MIKROSKOP- prístroj na pozorovanie a fotografovanie násobne (až 10 6-krát) zväčšeného obrazu predmetu, v ktorom sú namiesto svetelných lúčov použité lúče zrýchlené na vysoké energie (30-1000 keV a viac) v hlbokých podmienkach. Phys. Základy korpuskulárnej optiky. zariadenia boli zostavené v rokoch 1827, 1834-35 (takmer sto rokov pred príchodom elektromagnetizmu) W. R. Hamiltonom, ktorý dokázal existenciu analógie medzi prechodom svetelných lúčov v opticky nehomogénnom prostredí a dráhami častíc v silových poliach. . Vhodnosť vytvorenia E. m. sa stala zjavnou po nominácii v roku 1924 hypotézy de Broglieho vĺn a tehn. predpoklady vytvoril H. Busch, ktorý v roku 1926 študoval fokusačné vlastnosti osovo symetrických polí a vyvinul magnetické pole. elektronický objektív. V roku 1928 sa M. Knoll a E. Ruska pustili do vytvorenia prvého magn. priesvitný E. m. (TEM) a o tri roky neskôr dostal obraz objektu, tvorený elektrónovými lúčmi. V nasledujúcich rokoch boli zostrojené prvé rastrové elektrónové lúče (SEM), fungujúce na princípe skenovania, t.j. pohybu tenkého elektrónového lúča (sondy) po objekte postupne z bodu do bodu. K ser. 60. roky 20. storočia REM dosiahli špičkovú technológiu. dokonalosť a od tej doby sa začalo ich rozsiahle používanie vo vede. výskumu. TEM majú najvyššie rozhodnutie, pričom v tomto parametri presahuje svetlo mikroskopy vo viacerých tisíckrát. Hranica rozlíšenia, ktorá charakterizuje schopnosť zariadenia zobraziť oddelene dva čo najbližšie detaily objektu, pre TEM je 0,15-0,3 HM, t.j. dosahuje úroveň, ktorá umožňuje pozorovať atómovú a molekulárnu štruktúru objektu. študované predmety. Takéto vysoké rozlíšenie sa dosahuje vďaka extrémne krátkej vlnovej dĺžke elektrónov. E. šošovky m majú aberácie, účinné metódy korekcie na rykh sa nenachádzajú na rozdiel od svetelného mikroskopu (pozri. Elektronická a iónová optika Preto v TEM magn. elektronické šošovky(EL), u ktorých sú aberácie rádovo menšie, úplne nahradili elektrostatické. Optimálna clona (viď. Membrána v elektronickej a iónovej optike), je možné zmenšiť sférický. ovplyvňujúce aberáciu šošovky

TEM v prevádzke možno rozdeliť do troch skupín: E. metre s vysokým rozlíšením, zjednodušené TEM a jedinečné ultravysoko hrubé elektromery.

TEM s vysokým rozlíšením(0,15-0,3 nm) - univerzálne viacúčelové zariadenia. Používajú sa na pozorovanie obrazu predmetov v jasnom a tmavom poli, na štúdium ich štruktúry elektronografiou. metóda (pozri Elektronografia), vykonávaním miestnych množstiev. pomocou energetického spektrometra. strata elektrónov a rtg kryštálov. a polovodičové a získavacie spektroskopické. obrázky objektov pomocou filtra, ktorý odfiltruje elektróny s energiami mimo špecifikovanej energie. okno. Strata energie elektrónov prechádzajúcich cez filter a vytvárania obrazu je spôsobená prítomnosťou jedinej chemikálie v objekte. element. Preto sa zvyšuje kontrast oblastí, v ktorých je tento prvok prítomný. Pohybom okna po energetickom spektrum príjem rozdelenie rozkl. prvky obsiahnuté v objekte. Filter sa tiež používa ako monochromátor na zvýšenie rozlíšenia elektromagnetických metrov pri štúdiu hrubých predmetov, ktoré zvyšujú šírenie energie elektrónov a (v dôsledku toho) chromatickú aberáciu.

S pomocou add. zariadenia a prídavné zariadenia, objekt študovaný v TEM môže byť naklonený v rôznych rovinách pod veľkými uhlami k optike. os, zahrievať, chladiť, deformovať. Napätie urýchľujúce elektróny v elektromagnetických meračoch s vysokým rozlíšením je 100-400 kV, je regulované v krokoch a je vysoko stabilné: za 1-3 minúty sa jeho hodnota nesmie zmeniť o viac ako (1-2) 10-6 od počiatočnej hodnoty. Hrúbka predmetu, ktorý môže byť elektrónovým lúčom "osvietený", závisí od urýchľujúceho napätia. V 100-kilovoltovej E. m. študujte objekty s hrúbkou 1 až niekoľko. desiatky nm.

Schematicky je TEM opísaného typu znázornený na obr. 1. Vo svojej elektrónovej optike. systém (stĺpec) pomocou vákuového systému vytvára hlboké vákuum (tlak až ~ 10 -5 Pa). Schéma elektrónovej optiky. Systém TEM je znázornený na obr. 2. Elektrónový lúč, ktorého zdrojom je tepelná katóda, vzniká v elektrónová pištoľ a vysokonapäťovým urýchľovačom a potom sa dvakrát zaostrí prvým a druhým kondenzorom, ktoré vytvoria na objekte malý elektronický „bod“ (pri nastavení sa priemer bodu môže meniť od 1 do 20 μm). Po prechode objektom sú niektoré elektróny rozptýlené a zadržané apertúrnou clonou. Nerozptýlené elektróny prechádzajú cez otvor membrány a sú zaostrené objektívom v rovine objektu strednej elektrónovej šošovky. Tu sa vytvorí prvý zväčšený obrázok. Nasledujúce šošovky vytvárajú druhý, tretí atď. obraz. Posledná – projekčná – šošovka vytvára obraz na katodoluminiscenčnom plátne, ktoré žiari vplyvom elektrónov. Stupeň a povaha rozptylu elektrónov nie sú rovnaké rôzne body objekt, pretože hrúbka, štruktúra a chem. zloženie objektu sa mení bod od bodu. V súlade s tým sa mení počet elektrónov prechádzajúcich cez apertúrnu clonu, a tým aj hustota prúdu v obraze. Existuje amplitúdový kontrast, ktorý sa na obrazovke premieňa na kontrast svetla. V prípade tenkých predmetov prevláda fázový kontrast, spôsobené zmenou fáz rozptýlených v objekte a zasahujúcich do roviny obrazu. Pod E. M. clonou je umiestnený zásobník s fotografickými platňami, pri fotografovaní sa clona odstráni a elektróny pôsobia na fotoemulznú vrstvu. Obraz je zaostrovaný objektívom pomocou plynulého nastavenia prúdu, ktorý mení jeho magn. lúka. Prúdy iných elektronických šošoviek regulujú nárast E. m., ktorý sa rovná súčinu zväčšení všetkých šošoviek. Pri veľkých zväčšeniach sa jas obrazovky stáva nedostatočným a obraz sa pozoruje pomocou zosilňovača jasu. Na analýzu obrazu sa vykonáva analógovo-digitálna konverzia informácií v ňom obsiahnutých a spracovanie v počítači. Obraz, vylepšený a spracovaný podľa daného programu, sa zobrazí na obrazovke počítača a v prípade potreby sa vloží do pamäťového zariadenia.

Ryža. 1. Elektrónový mikroskop transmisného typu (PEM): 1 - elektrónové delo s urýchľovačom; 2-kondenzovaťburinové šošovky; 3 - šošovka objektívu; 4 - projekcia šošovky; 5 - svetelný mikroskop, dodatočne zväčšenýdešifrovanie obrazu pozorovaného na obrazovke; b-tokorálky s okienkami, cez ktoré môžete pozorovaťdať obrázok; 7 - vysokonapäťový kábel; 8 - vákuový systém; 9 - Diaľkové ovládanie; 10 -stáť; 11 - vysokonapäťové napájanie; 12 - napájanie objektívu.

Ryža. 2. Elektrónovo-optická schéma TEM: 1 -katóda; 2 - zaostrovací valec; 3 -urýchľovač; 4 -zavyy (krátky ohniskový) kondenzátor, vytvárajúci zmenšený obraz zdroja elektrónov; 5 - druhý (dlhé ohnisko) kondenzor, ktorý zalomí miniatúrny obrázok zdroja elektróny na objekt; 6 -objekt; 7 - priemer clonyfragment šošovky; 8 - šošovka; 9 , 10, 11 -systém projekčné šošovky; 12 - katodoluminiscenčný obrazovke.

Zjednodušené TEM určené na vedecké účely štúdie, pri ktorých sa nevyžaduje vysoké rozlíšenie. Používajú sa aj na pred- prezeranie predmetov, rutinnú prácu a na vzdelávacie účely. Tieto zariadenia sú konštrukčne jednoduché (jeden kondenzor, 2-3 elektronické šošovky na zväčšenie obrazu objektu), majú nižšie (60-100 kV) urýchľovacie napätie a nižšiu stabilitu vysokého napätia a prúdov šošoviek. Ich rozlíšenie je 0,5-0,7 nm.

UHV E. m . (SVEM) - zariadenia s urýchľovacím napätím 1 až 3,5 MB - sú veľké konštrukcie s výškou 5 až 15 m. Sú pre ne vybavené špeciálnym zariadením. priestory alebo postaviť samostatné budovy, ktoré sú neoddeliteľnou súčasťou komplexu SVEM. Prvé SVM boli navrhnuté na štúdium objektov s veľkou hrúbkou (1–10 µm), ktoré si zachovali vlastnosti masívneho pevného telesa. Kvôli silnému vplyvu chromatiky aberácií, rozlišovacia schopnosť takéhoto E. m. je znížená. V porovnaní so 100-kilovoltovým E. m. je však rozlíšenie obrazu hrubých predmetov v SVEM 10-20-krát vyššie. Pretože energia elektrónov v UHEM je väčšia, ich vlnová dĺžka je kratšia ako v TEM s vysokým rozlíšením. Preto po vyriešení zložitých technických. problémy (trvalo to viac ako jedno desaťročie) a implementácia vysokej odolnosti voči vibráciám, spoľahlivej izolácie vibrácií a dostatočnej mechanickej. a elektrické stability, bolo dosiahnuté najvyššie rozlíšenie (0,13-0,17 nm) pre priesvitné elektromagnetické metre, čo umožnilo fotografovať snímky atómových štruktúr. Avšak, sférický aberácia a rozostrenie šošovky skresľujú obrázky získané s maximálnym rozlíšením a narúšajú získavanie spoľahlivých informácií. Táto informačná bariéra je prekonaná pomocou ohniskových sérií obrázkov, ktoré sa získajú pomocou rozkladu. rozostrenie šošovky. Súčasne sa pre rovnaké rozostrenia simuluje skúmaná atómová štruktúra na počítači. Porovnanie ohniskových sérií so sériou modelových snímok pomáha dešifrovať mikrofotografie atómových štruktúr zhotovené pomocou UHEM s najvyšším rozlíšením. Na obr. 3 je znázornená schéma SVEM umiestneného v špeciáli. budova. Hlavná komponenty zariadenia sú spojené do jedného komplexu pomocou plošiny, ktorá je zavesená na strope na štyroch reťaziach a pružinách tlmiacich nárazy. Na vrchu plošiny sú dve nádrže naplnené elektricky izolačným plynom pod tlakom 3-5 atm. V jednom z nich je umiestnený vysokonapäťový generátor a v druhom elektrostatický generátor. urýchľovač elektrónov s elektrónovou pištoľou. Obe nádrže sú prepojené odbočným potrubím, cez ktoré sa prenáša vysoké napätie z generátora do urýchľovača. Zo spodu k nádrži s urýchľovačom prilieha elektrónová optika. stĺp umiestnený v spodnej časti budovy, chránený pred röntgenovým žiarením stropom. žiarenie generované v urýchľovači. Všetky tieto uzly tvoria tuhú štruktúru, ktorá má vlastnosti fyziky. kyvadlo s veľkou (až 7 s) vlastnou periódou. , ktoré sú hasené kvapalinovými tlmičmi. Systém kyvadlového zavesenia poskytuje účinnú izoláciu SVEM od vonkajšieho prostredia. vibrácie. Zariadenie je ovládané z diaľkového ovládača umiestneného v blízkosti stĺpa. Usporiadanie šošoviek, stĺpikov a iných jednotiek zariadenia je podobné ako u zodpovedajúcich zariadení TEM a líši sa od nich veľkými rozmermi a hmotnosťou.

Ryža. 3. Ultravysokonapäťový elektrónový mikroskop (SVEM): 1-vibračná izolačná platforma; 2-reťazce, na ktorej plošina visí; 3 - tlmenie nárazov pružiny; 4-nádrže, v ktorých je umiestnený generátorvysokonapäťový a elektrónový urýchľovač s elektrónomNoemova pištoľ; 5-elektrónový optický stĺpec; 6- strop oddeľujúci budovu SVEM na hornú a dolných hál a chrániacich pracovníkov dolná chodba, z röntgenových lúčov; 7 - diaľkové ovládanie ovládanie mikroskopu.

Raster E. m. (SEM) s termionickou pištoľou - najbežnejším typom zariadení v elektrónová mikroskopia. Používajú volfrámové a hexaborid-lantánové tepelné katódy. Rozlíšenie SEM závisí od elektrónového jasu pištole a v zariadeniach uvažovanej triedy je 5–10 nm. Urýchľovacie napätie je nastaviteľné od 1 do 30-50 kV. Zariadenie SEM je znázornené na obr. 4. Pomocou dvoch alebo troch elektrónových šošoviek sa úzka elektrónová sonda zaostrí na povrch vzorky. Magn. vychyľovacie cievky rozmiestnia sondu nad danú oblasť na objekte. Pri interakcii elektrónov sondy s objektom vzniká niekoľko druhov žiarenia (obr. 5): sekundárne a odrazené elektróny; Augerove elektróny; röntgen brzdné svetlo a charakteristické žiarenie (viď charakteristické spektrum); svetelné žiarenie atď. Ktorékoľvek zo žiarení, prúdy elektrónov, ktoré prešli objektom (ak je tenký) a absorbovali sa v objekte, ako aj napätie indukované na objekte, môžu byť zaznamenané zodpovedajúcimi detektormi, ktoré premieňajú tieto žiarenia, prúdy a napätia na elektrické. signály sa po zosilnení privádzajú do katódovej trubice (CRT) a modulujú jej lúč. Lúč CRT sa skenuje synchrónne so skenovaním elektrónovej sondy v SEM a na obrazovke CRT sa pozoruje zväčšený obraz objektu. Zväčšenie sa rovná pomeru veľkosti rámu na obrazovke CRT k zodpovedajúcej veľkosti na skenovanom povrchu objektu. Fotografujte obraz priamo z obrazovky CRT. Hlavná Výhodou SEM je vysoký informačný obsah zariadenia, vďaka možnosti pozorovania obrazu pomocou dekompenzácie signálov. detektory. Pomocou SEM môžete preskúmať mikroreliéf, distribúciu chemikálií. zloženie podľa objektu, pn-prechody, produkujú röntgenové lúče. spektrálna analýza atď. SEM sú široko používané v technol. procesov (riadenie v elektronicko-litografických technológiách, testovanie a zisťovanie defektov v mikroobvodoch, metrológia mikroproduktov a pod.).

Ryža. 4. Schéma rastrovacieho elektrónového mikroskopu (REM): 1 - izolátor elektrónovej pištole; 2 -V-obraztepelná katóda; 3 - zaostrovacia elektróda; 4 - anóda; 5 - kondenzorové šošovky; 6 -bránica; 7 - dvojvrstvový vychyľovací systém; 8 - šošovka; 9 - apertúrna clona objektívu; 10 -objekt; 11 -detektor sekundárnych elektrónov; 12 -kryštálosobný spektrometer; 13 - proporcionálne počítadlo; 14 - predzosilňovač; 15 - zosilňovací blok; 16, 17 - registračné zariadenie röntgenové žiarenie; 18 - zosilňovacia jednotka; 19 - riadiaca jednotka zväčšenia; 20, 21 - horieť blokydáždnikové a vertikálne skeny; 22, 23 -elektrtrónne trubice.

Ryža. 5. Schéma registrácie informácií o objekte, prijaté v SEM; 1-primárny elektrónový lúč; 2-detektor sekundárnych elektrónov; 3-nájomný detektorgénové žiarenie; 4-detektor odrazených elektrónovronov; 5-detektor Augerových elektrónov; 6-svetelný detektornové žiarenie; 7 - detektor prejdenej elektroNový; 8 - obvod na registráciu prechádzajúceho prúdu elektrónový objekt; 9-obvodový pre aktuálnu registráciu elektróny absorbované v objekte; 10-schéma pre rehystrácia elektriky kapacita.

Vysoké rozlíšenie SEM sa realizuje pri vytváraní obrazu pomocou sekundárnych elektrónov. Je nepriamo úmerný priemeru zóny, z ktorej sú tieto elektróny emitované. Veľkosť zóny závisí od priemeru sondy, vlastností objektu, rýchlosti elektrónov primárneho lúča atď. Pri veľkej hĺbke prieniku primárnych elektrónov sekundárne procesy vyvíjajúce sa vo všetkých smeroch zväčšujú priemer zóny a rozlišovaciu schopnosť. klesá. Detektor sekundárnych elektrónov pozostáva z fotonásobič(PMT) a elektrón-fotonický konvertor, osn. prvkom to-rogo je scintilátor. Počet zábleskov scintilátora je úmerný počtu sekundárnych elektrónov vyradených v danom bode objektu. Po zosilnení v PMT a vo video zosilňovači signál moduluje lúč CRT. Veľkosť signálu závisí od topografie vzorky, prítomnosti lokálneho elektrického. a magn. mikropolia, veľkosť koeficientu. emisia sekundárnych elektrónov, to-ry, zasa závisí od chemikálie. zloženie vzorky v danom bode.

Odrazené elektróny sú zachytené polovodičovým detektorom s p - n-prechod. Kontrast obrazu je spôsobený závislosťou koeficientu. odrazy od uhla dopadu primárneho lúča v danom bode objektu a od at. číslo látky. Rozlíšenie obrazu získaného v "odrazených elektrónoch" je nižšie ako rozlíšenie získané pomocou sekundárnych elektrónov (niekedy rádovo). Vzhľadom na priamosť letu elektrónov je informácia o sep. oblasti objektu, z ktorých nevedie priama cesta k detektoru, sa strácajú (objavujú sa tiene). Na elimináciu straty informácie, ako aj na vytvorenie obrazu reliéfu vzorky, jej elementárne zloženie neovplyvňuje roj a naopak, aby sa vytvoril obraz o rozložení chemikálie. prvkov v objekte, ktorý nie je ovplyvnený jeho reliéfom, využíva SEM detektorový systém pozostávajúci z viacerých. detektory umiestnené okolo objektu, ktorých signály sa jeden od druhého odčítajú alebo sčítajú a výsledný signál sa po zosilnení privádza do CRT modulátora.

röntgen charakteristický žiarenia je zaznamenaný kryštál. (vlnovo disperzné) alebo polovodičové (energie dispergované) spektrometre, do žita sa dopĺňajú. V prvom prípade röntgen žiarenie po odraze kryštálom spektrometra vstupuje do plynu proporcionálne počítadlo, a v druhom - röntgen. kvantové excitované signály v polovodičovom chladenom (na zníženie šumu) detektore vyrobenom z kremíka dopovaného lítiom alebo germániom. Po zosilnení môžu byť signály spektrometrov privedené do CRT modulátora a na jeho obrazovke sa objaví obraz distribúcie tej či onej chemikálie. prvok na povrchu objektu.

Na SEM vybavenom röntgenom. spektrometre, produkujú lokálne množstvá. analýza: registrujte počet impulzov excitovaných rtg. kvantá z oblasti, na ktorej bola elektrónová sonda zastavená. Kryštalický spektrometer s použitím sady kryštálov analyzátora s dekomp. medzirovinné vzdialenosti (viď Bragg-Wulfov stav) rozlišuje s vysokým spektrom. charakteristické rozlíšenie. spektrum vlnových dĺžok, pokrývajúce rozsah prvkov od Be po U. Polovodičový spektrometer rozlišuje röntgen. kvantá svojimi energiami a súčasne registruje všetky prvky od B (alebo C) po U. Jeho spektrálne rozlíšenie je nižšie ako u kryštalického. spektrometer, ale vyššia citlivosť. Existujú aj ďalšie výhody: rýchly výstup informácií, jednoduchý dizajn, vysoký výkon.

Raster Auger-E. m. (ROEM) zariadenia, v ktorých sa pri skenovaní elektrónovej sondy detegujú Augerove elektróny z hĺbky objektu maximálne 0,1–2 nm. V takejto hĺbke sa výstupná zóna Augerových elektrónov nezväčšuje (na rozdiel od sekundárnych emisných elektrónov) a rozlišovacia schopnosť prístroja závisí len od priemeru sondy. Zariadenie pracuje pri ultravysokom vákuu (10 -7 -10 -8 Pa). Jeho urýchľovacie napätie je cca. 10 kV. Na obr. 6 je znázornené zariadenie ROEM. Elektrónové delo pozostáva z lantánu hexaboridovej alebo volfrámovej tepelnej katódy pracujúcej v Schottkyho režime a trojelektródovej elektrostatiky. šošovky. Elektrónová sonda je zaostrená touto šošovkou a magnetom. šošovka v ohniskovej rovine to-rogo je objekt. Zber Augerových elektrónov sa uskutočňuje pomocou valca. zrkadlový analyzátor energie, ktorého vnútorná elektróda pokrýva telo šošovky a vonkajšia elektróda prilieha k objektu. Pomocou analyzátora, ktorý rozlišuje Augerove elektróny podľa energie, sa rozloženie chem. prvkov v povrchovej vrstve objektu so submikrónovým rozlíšením. Na štúdium hlbokých vrstiev je prístroj vybavený iónovou pištoľou, pomocou ktorej sa leptaním iónovým lúčom odstraňujú horné vrstvy objektu.

Ryža. b. Schéma rastrovacieho Augerovho elektrónového mikroskopu(ROEM): 1 - iónová pumpa; 2- katóda; 3 - trojelektródová elektrostatická šošovka; 4-kanálový detektor; 5-apertúrna clona objektívu; 6-dvojité vychyľovací systém na zametanie elektronickej sondy; 7-šošovka; 8- vonkajšia elektróda valcová zrkadlový analyzátor; 9-objekt.

SEM s poľnou emisnou pištoľou majú vysoké rozlíšenie (až 2-3 nm). Poľná emisná pištoľ využíva katódu vo forme hrotu, v hornej časti ktorej vzniká silný elektrický prúd. pole vyťahujúce elektróny z katódy ( poľná emisia). Elektronická jasnosť pištole s katódou poľnej emisie je 10 3 - 10 4 krát vyššia ako svietivosť pištole s termionickou katódou. Zodpovedajúcim spôsobom sa zvyšuje prúd elektrónovej sondy. Preto sa v SEM s pištoľou na vyžarovanie poľa, spolu s pomalým pohybom, vykoná rýchly pohyb a priemer sondy sa zníži, aby sa zvýšilo rozlíšenie. Katóda s emisiou poľa však pracuje stabilne iba pri ultravysokom vákuu (10-7-10-9 Pa), čo komplikuje návrh a prevádzku takýchto SEM.

Priesvitný raster E. m. (STEM) majú rovnaké vysoké rozlíšenie ako TEM. Tieto zariadenia používajú pištole na emisie v teréne pracujúce v podmienkach ultravysokého vákua (až 10-8 Pa), ktoré poskytujú dostatočný prúd v sonde malého priemeru (0,2-0,3 nm). Priemer sondy je zmenšený o dva magn. šošovky (obr. 7). Pod objektom sú detektory – centrálny a prstencový. Na prvý dopadajú nerozptýlené elektróny a po konverzii a zosilnení zodpovedajúcich signálov sa na obrazovke CRT objaví obraz v jasnom poli. Rozptýlené elektróny sa zhromažďujú na prstencovom detektore a vytvárajú obraz v tmavom poli. V STEM je možné študovať hrubšie objekty ako v TEM, pretože zvýšenie počtu neelasticky rozptýlených elektrónov s hrúbkou neovplyvňuje rozlíšenie (neexistuje žiadna elektrónová optika na zobrazovanie po objekte). Pomocou analyzátora energie sa elektróny, ktoré prešli objektom, rozdelia do elasticky a neelasticky rozptýlených lúčov. Každý lúč zasiahne svoj vlastný detektor a na CRT sa pozorujú zodpovedajúce obrázky obsahujúce doplnky. informácie o elementárnom zložení objektu. Vysoké rozlíšenie v STEM sa dosahuje pomalými pohybmi, pretože v sonde s priemerom iba 0,2–0,3 nm je prúd malý. PREM sú vybavené všetkými prístrojmi používanými v elektrónovej mikroskopii na analytické účely. výskumné objekty, a najmä spektrometre energetic-tich. strata elektrónov, rtg spektrometre, komplexné systémy na detekciu prenesených, spätne rozptýlených a sekundárnych elektrónov, ktoré vyberajú skupiny elektrónov rozptýlených pri rozklade. uhly majúce rôzne energie a pod. Zariadenia sú vybavené počítačom pre komplexné spracovanie prichádzajúcich informácií.

Ryža. 7. Schematický diagram priesvitného rastraelektrónový mikroskop (PREM): 1-autoemisnáiónová katóda; 2-stredná anóda; 3- anóda; 4- membránový "iluminátor"; 5-magnetická šošovka; 6-dvaviacúrovňový vychyľovací systém pre elektrónové zametaniesonda na nohy; 7-magnetická šošovka; 8 - clona clona objektívu; 9 - objekt; 10 - vychyľovací systém; 11 - prstencový detektor rozptýlených elektrónov; 12 - detektor nerozptýlených elektrónov (odstránený, keď prevádzka magnetického spektrometra); 13 - magnetické spektrometer; 14-vychyľovací systém pre výber elektróny s rôznymi stratami energie; 15 - medzera spektrometer; 16-spektrometrový detektor; RE-sekundárnenové elektróny; hv- röntgenové žiarenie.

Emisie E. m. vytvárajú obraz predmetu s elektrónmi, to-raž vyžaruje samotný predmet pri zahriatí, bombardovaní primárnym elektrónovým lúčom, pôsobením e-mag. žiarenia a pri aplikácii silného el. pole vyťahujúce elektróny z objektu. Tieto zariadenia majú zvyčajne úzky špeciálny účel(cm. elektronický projektor).

Zrkadlo E. m. slúžiť arr. pre elektrostatickú vizualizáciu. „potenciálnych úľav“ a magn. mikropolia na povrchu objektu. Hlavná elektrónovo-optické prvkom zariadenia je elektronické zrkadlo, a jednou z elektród je samotný objekt, ktorý je pod malým negatívom. potenciál vzhľadom na katódu pištole. Elektrónový lúč je nasmerovaný do elektrónového zrkadla a odrážaný poľom v bezprostrednej blízkosti povrchu predmetu. Zrkadlo vytvára obraz na obrazovke „v odrazených lúčoch“: mikropolia v blízkosti povrchu objektu prerozdeľujú elektróny odrazených lúčov, čím vytvárajú kontrast v obraze, ktorý tieto mikropolia vizualizuje.

Perspektívy rozvoja E. m. Zdokonaľovanie elektromagnetických meračov s cieľom zvyšovania množstva získaných informácií, ktoré sa vykonáva už mnoho rokov, bude pokračovať aj v budúcnosti a hlavnou úlohou zostáva zlepšovanie parametrov prístrojov a predovšetkým zvyšovanie rozlišovacej schopnosti. Práca na vytvorení elektrónovej optiky. systémy s malými aberáciami zatiaľ neviedli k reálnemu zvýšeniu rozlíšenia E. m. To platí pre neaxiálne symetrické systémy na korekciu aberácií, kryogénnu optiku a šošovky s korekčnými priestormi. v axiálnej oblasti atď. V týchto oblastiach prebiehajú rešerše a výskumy. Výskumné práce na vytvorení elektronických holografických prvkov pokračujú. systémy vrátane systémov s korekciou frekvenčno-kontrastných charakteristík šošoviek. Miniaturizácia elektrostatiky šošovky a systémy využívajúce výdobytky mikro- a nanotechnológií tiež prispejú k riešeniu problému vytvárania elektronickej optiky s malými aberáciami.

Lit.: Praktická rastrovacia elektrónová mikroskopia, vyd. D. Gouldstein, X. Yakovitsa, prel. z angličtiny, M., 1978; Spence D., Experimentálna elektrónová mikroskopia s vysokým rozlíšením, trans. z angličtiny, M., 1986; Stoyanov P. A., Elektrónový mikroskop SVEM-1, "Zborník Akadémie vied ZSSR, séria fyziky", 1988, zväzok 52, č. 7, s. 1429; Hawks P., Kasper E., Základy elektronickej optiky, prekl. z angličtiny, zv. 1-2, M., 1993; Oechsner H., Scanning Auger microscopy, Le Vide, les Couches Minces, 1994, t. 50, číslo 271, s. 141; McMullan D., Scanning Electron microscopy 1928-1965, "Scanning", 1995, t. 17, č.3, s. 175. P. A. Stojanov.

Študovať nanoobjekty s rozlíšením optických mikroskopov ( aj pomocou ultrafialového žiarenia) je jednoznačne nedostatočná. V dôsledku toho v 30. rokoch 20. storočia vznikla myšlienka použiť namiesto svetla elektróny, ktorých vlnová dĺžka, ako vieme z kvantovej fyziky, je stokrát menšia ako vlnová dĺžka fotónov.

Ako viete, naša vízia je založená na vytváraní obrazu predmetu na sietnici oka svetelnými vlnami odrazenými od tohto predmetu. Ak pred vstupom do oka svetlo prechádza optickým systémom mikroskop, vidíme zväčšený obrázok. Priebeh svetelných lúčov je zároveň šikovne riadený šošovkami, ktoré tvoria objektív a okulár prístroja.

Ako však môžete získať obraz objektu a s oveľa vyšším rozlíšením pomocou nie svetelného žiarenia, ale prúdu elektrónov? Inými slovami, ako je možné vidieť predmety na základe použitia častíc, nie vĺn?

Odpoveď je veľmi jednoduchá. Je známe, že dráhu a rýchlosť elektrónov výrazne ovplyvňujú vonkajšie elektromagnetické polia, pomocou ktorých možno efektívne riadiť pohyb elektrónov.

Veda o pohybe elektrónov v elektromagnetických poliach a výpočte zariadení, ktoré tvoria požadované polia, sa nazýva elektronická optika.

Elektronický obraz je tvorený elektrickými a magnetickými poľami v podstate rovnakým spôsobom ako svetelný obraz vytváraný optickými šošovkami. Preto sa v elektrónovom mikroskope zariadenia na zaostrovanie a rozptyl elektrónového lúča nazývajú „ elektronické šošovky”.

elektronický objektív. Drôty cievky nesúce prúd zaostrujú elektrónový lúč rovnakým spôsobom, ako sklenená šošovka zaostruje svetelný lúč.

Magnetické pole cievky pôsobí ako zbiehavá alebo divergujúca šošovka. Na sústredenie magnetického poľa je cievka pokrytá magnetickým " brnenie» vyrobené zo špeciálnej zliatiny niklu a kobaltu, pričom vo vnútornej časti zostáva len úzka medzera. Takto vytvorené magnetické pole môže byť 10-100 tisíc krát silnejšie ako magnetické pole Zeme!

Bohužiaľ, naše oko nemôže priamo vnímať elektrónové lúče. Preto sa používajú na kreslenie” obrázky na fluorescenčných obrazovkách (ktoré žiaria pri dopade elektrónov). Mimochodom, rovnaký princíp je základom fungovania monitorov a osciloskopov.

Existuje veľké množstvo rôznych typy elektrónových mikroskopov medzi ktorými je najpopulárnejší rastrovací elektrónový mikroskop (SEM). Jeho zjednodušenú schému dostaneme, ak skúmaný objekt umiestnime dovnútra katódová trubica obyčajný TV medzi obrazovkou a zdrojom elektrónov.

V takej mikroskop tenký lúč elektrónov (priemer lúča asi 10 nm) obieha (akoby skenuje) vzorku v horizontálnych líniách, bod po bode, a synchrónne prenáša signál do kineskopu. Celý proces je podobný činnosti televízora v procese skenovania. Zdrojom elektrónov je kov (zvyčajne volfrám), z ktorého sa pri zahrievaní vyžarujú elektróny v dôsledku termionickej emisie.

Schéma činnosti rastrovacieho elektrónového mikroskopu

Termionická emisia je výstup elektrónov z povrchu vodičov. Počet uvoľnených elektrónov je pri T=300K malý a exponenciálne rastie so zvyšujúcou sa teplotou.

Keď elektróny prechádzajú vzorkou, niektoré z nich sú rozptýlené v dôsledku zrážok s jadrami atómov vo vzorke, iné v dôsledku zrážok s elektrónmi atómov a ďalšie ňou prechádzajú. V niektorých prípadoch sú emitované sekundárne elektróny, indukované röntgenové lúče atď. Všetky tieto procesy sú zaznamenávané špeciálnymi detektory a v transformovanej podobe sa zobrazia na obrazovke, čím sa vytvorí zväčšený obraz skúmaného objektu.

Zväčšenie je v tomto prípade chápané ako pomer veľkosti obrazu na obrazovke k veľkosti plochy, ktorú lúč na vzorke obieha. Vzhľadom na to, že vlnová dĺžka elektrónu je rádovo menšia ako vlnová dĺžka fotónu, v moderných SEM môže toto zvýšenie dosiahnuť 10 miliónov15, čo zodpovedá rozlíšeniu niekoľkých nanometrov, čo umožňuje vizualizáciu jednotlivých atómov.

Hlavná nevýhoda elektrónová mikroskopia- nutnosť pracovať v úplnom vákuu, pretože prítomnosť akéhokoľvek plynu vo vnútri komory mikroskopu môže viesť k ionizácii jeho atómov a výrazne skresliť výsledky. Okrem toho majú elektróny deštruktívny účinok na biologické objekty, čo ich robí nevhodnými pre výskum v mnohých oblastiach biotechnológie.

História stvorenia elektrónový mikroskop je pozoruhodným príkladom úspechu založeného na interdisciplinárnom prístupe, keď sa nezávisle rozvíjajúce sa oblasti vedy a techniky spojili a vytvorili nový výkonný nástroj vedeckého výskumu.

Vrcholom klasickej fyziky bola teória elektromagnetického poľa, ktorá vysvetľovala šírenie svetla, elektriny a magnetizmu ako šírenie elektromagnetické vlny. Vlnová optika vysvetlila fenomén difrakcie, mechanizmus tvorby obrazu a súhru faktorov, ktoré určujú rozlíšenie vo svetelnom mikroskope. veľa štastia kvantová fyzika vďačíme za objav elektrónu s jeho špecifickými korpuskulárnymi vlnovými vlastnosťami. Tento samostatný a zdanlivo nezávislý vývoj viedol k vytvoreniu elektrónovej optiky, ktorej jedným z najdôležitejších vynálezov v 30. rokoch 20. storočia bol elektrónový mikroskop.

Vedci však nepoľavili ani v tomto. Vlnová dĺžka elektrónu zrýchleného elektrickým poľom je niekoľko nanometrov. To nie je zlé, ak chceme vidieť molekulu alebo dokonca atómovú mriežku. Ale ako sa pozrieť do vnútra atómu? Aká je chemická väzba? Ako vyzerá jedna chemická reakcia? Za toto dnes rozdielne krajiny vedci vyvíjajú neutrónové mikroskopy.

Neutróny sú zvyčajne súčasťou atómových jadier spolu s protónmi a majú takmer 2000-krát väčšiu hmotnosť ako elektrón. Tí, ktorí nezabudli na de Broglieho vzorec z kvantovej kapitoly, si hneď uvedomia, že vlnová dĺžka neutrónu je toľkokrát menšia, teda sú to pikometry tisíciny nanometra! Potom sa atóm javí výskumníkom nie ako rozmazaná škvrna, ale v celej svojej kráse.

Neutrón mikroskop má mnoho výhod – najmä neutróny dobre odrážajú atómy vodíka a ľahko prenikajú do hrubých vrstiev vzoriek. Je však veľmi ťažké ho postaviť: neutróny nemajú elektrický náboj, takže pokojne ignorujú magnetické a elektrické polia a snažia sa uniknúť senzorom. Navyše nie je také ľahké vyhnať veľké nemotorné neutróny z atómov. Preto majú dnes prvé prototypy neutrónového mikroskopu k dokonalosti ešte veľmi ďaleko.